מאמר שיטה

הקלטת אדם Electrocorticographic (ECOG) אותות לחקר Neuroscientific בזמן אמת מיפוי קורטיקלי פונקציונלית

26.2K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/3993

⸱

26 ביוני 2012

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Wadsworth Center, New York State Department of Health, 2Department of Neurology, Albany Medical College, 3Department of Neurosurgery, Albany Medical College, 4Department of Neurosurgery, Washington University, 5Department of Biomed. Eng., Rensselaer Polytechnic Institute, 6Department of Biomed. Sci., State University of New York at Albany, 7Department of Elec. and Comp. Eng., University of Texas at El Paso

במאמר זה

סיכום

אנו מציגים שיטה לאיסוף אותות electrocorticographic למטרות מחקר מבני אדם אשר עוברים ניטור פולשני אפילפסיה. אנחנו מראים איך להשתמש בפלטפורמה BCI2000 תוכנה לאיסוף נתונים, עיבוד אותות מצגת גירוי. באופן ספציפי, אנחנו מדגימים את זיגפריד, כלי BCI2000 מבוסס על מיפוי בזמן אמת המוח תפקודית.

תקציר

מחקרים של דימות מוחי של תהליכים קוגניטיביים, תחושתיים ומוטוריים בבני אדם מבוססים בדרך כלל על טכניקות לא פולשניות כגון אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG), מגנטואנצפלוגרפיה או דימות תהודה מגנטית פונקציונלית (fMRI). לטכניקות אלו יש רזולוציה זמנית נמוכה או רזולוציה מרחבית נמוכה מטבען, והן סובלות מיחס אות לרעש נמוך ו/או רגישות נמוכה לתדרים גבוהים. לפיכך, הן אינן אופטימליות לחקירת הדינמיקה המרחבית-זמנית קצרת המدى של רבים מהתהליכים המוחיים הבסיסיים. לעומת זאת, הטכניקה הפולשנית של אלקטרוקורטיקוגרפיה (ECoG) מספקת אותות מוחיים בעלי יחס אות לרעש גבוה באופן יוצא דופן, פגיעות נמוכה יותר לארטיפקטים מאשר ב-EEG, ורזולוציה מרחבית וזמנית גבוהה (כלומר, <1 cm/<1 millisecond, בהתאמה). ECoG כולל מדידה של אותות מוחיים חשמליים באמצעות אלקטרודות המושתלות מתחת לקודרת (subdurally) על פני השטח של המוח. מחקרים אחרונים הראו כי אמפליטודות של ECoG בפס תדרים מסוימים נושאות מידע משמעותי על פעילות הקשורה למשימה, כגון ביצוע ותכנון מוטורי1, עיבוד שמיעתי2 וקשב חזותי-מרחבי3. רוב מידע זה נלכד בטווח הגמא הגבוה (סביב 70-110 Hz). לפיכך, פעילות גמא הוצעה כאינדיקטור חסון וכללי לתפקוד קורטיקלי מקומי1-5. ECoG יכול גם לחשוף קישוריות פונקציונלית ולפתור דינמיקה מרחבית-זמנית עדינה יותר הקשורה למשימה, ובכך לקדם את הבנתנו לגבי תהליכים קורטיקליים רחבי היקף. היא הוכחה כשימושית במיוחד לקידום טכנולוגיית ממשק מוח-מחשב (BCI) לפענוח כוונות המשתמש כדי לשפר או להגביר תקשורת6 ובקרה7. עם זאת, נתוני ECoG מבני אדם הם לעיתים קרובים קשים להשגה בשל הסיכונים והמגבלות של ההליכים הפולשניים המעורבים, והצורך להקליט במסגרת המגבלות של סביבות קליניות. למרות זאת, ניטור קליני לאיתור מוקדים אפילפטיים מציע הזדמנות ייחודית ובעלת ערך לאיסוף נתוני ECoG מבני אדם. אנו מתארים את השיטות שלנו לאיסוף והקלטת ECoG, ומדגימים כיצד להשתמש באותות אלו עבור יישומים חשובים בזמן אמת כגון מיפוי קליני וממשק מוח-מחשב. הדוגמה שלנו משתמשת בפלטפורמת התוכנה BCI20008,9 ובשיטת SIGFRIED10, אפליקציה למיפוי בזמן אמת של תפקודי מוח. הליך זה מספק מידע שקלינאים יכולים להשתמש בו לאחר מכן כדי להנחות את התהליך המורכב והמייגע של מיפוי פונקציונלי באמצעות גרייה חשמלית.

דרישות מוקדמות ותכנון:

מטופלים עם אפילפסיה חלקית העמידה לתרופות עשויים להיות מועמדים לניתוח כריתה של מוקד אפילפטי כדי לצמצם את תדירות ההתקפים. לפני הכריתה, המטופלים עוברים ניטור באמצעות אלקטרודות סוב-דורליות (תת-קרומיות) לשתי מטרות: ראשית, כדי למקם את המוקד האפילפטי, ושנית, כדי לזהות אזורי מוח קריטיים סמוכים (כלומר, קורטקס אלוקוונטי - eloquent cortex), שבהם כריתה עלולה להוביל לליקויים תפקודיים ארוכי טווח. כדי להשתיל את האלקטרודות, מבוצעת קרניאוטומי לפתיחת הגולגולת. לאחר מכן, רשתות ו/או רצועות של אלקטרודות מונחות על הקורטקס, בדרך כלל מתחת לדורה. רשת טיפוסית כוללת מערך של 8 x 8 אלקטרודות פלטינה-אירידיום בקוטר 4 mm (שטח חשוף של 2.3 mm) המוטמעות בסיליקון עם מרחק של 1cm בין אלקטרודה לאלקטרודה. רצועה מכילה בדרך כלל 4 או 6 אלקטרודות כאלה בקו אחד. מיקומי הרשתות/רצועות הללו נתכננים על ידי צוות של נוירולוגים ומנתחי מוח, ומבוססים על ניטור EEG קודם, על MRI מבני של מוח המטופל ועל גורמים רלוונטיים בהיסטוריה הרפואית של המטופל. הקלטה רציפה לאורך תקופה של 5-12 ימים משמשת לאיתור מוקדים אפילפטיים, וגירוי חשמלי באמצעות האלקטרודות המשתילות מאפשר לקלינאים למפות את הקורטקס האלוקוונטי. בתום תקופת הניטור, מבוצעים הוצאת האלקטרודות והכריתה הטיפולית יחד בהליך אחד.

בנוסף למטרתו הקלינית העיקרית, ניטור פולשני מספק גם הזדמנות ייחודית להשגת נתוני ECoG אנושיים לצורך מחקר נוירולוגי. ההחלטה לכלול מטופל פוטנציאלי במחקר מבוססת על המיקום המתוכנן של האלקטרודות שלו, על ציוני הביצועים של המטופל בהערכות נוירופסיכולוגיות, ועל הסכמתו המודעת, המותנית בהבנתו כי ההשתתפות במחקר היא רשות ואינה קשורה לטיפולו. כפי שקורה בכל מחקר הכולל נבדקים אנושיים, פרוטוקול המחקר חייב להיות מאושר על ידי ועדת האתיקה המוסדית של בית החולים. ההחלטה לבצע משימות ניסוייות פרטניות מתקבלת מדי יום, ותלויה בסיבולתו ובנכנותו של המטופל להשתתף. חלק מהניסויים או כולם עלולים להימנע בשל בעיות במצבו הקליני של המטופל, כגון נפיחות פניית לאחר ניתוח, אפזיה זמנית, פרכוסים תכופים, עייפות ובלבול פוסט-איקטליים, וכאב או אי-נוחות כלליים יותר.

ביחידה לניטור אפילפסיה במרכז הרפואי אולבני (Albany Medical Center) באולבני, ניו יורק, מיושם ניטור קליני מסביב לשעון באמצעות מערכת ניטור Nihon-Kohden Neurofax בעלת 192 ערוצים. הקלטות מחקריות מבוצעות בשיתוף עם מרכז Wadsworth של מחלקת הבריאות של מדינת ניו יורק באולבני. אותות מאלקטרודות ה-ECoG מוזנים בו-זמנית למערכות המחקר והקליניקה באמצעות מחברי מפצלים. כדי להבטיח שמערכות הקליניקה והמחקר לא יפריעו זו לזו, שתי המערכות משתמשות בדרך כלל בהארקות נפרדות. למעשה, לעיתים מושתל פס אלקטרודות אפידוראלי כדי לספק הארקה למערכת הקלינית. בין אם מדובר במערכת הקלטה מחקרית או קלינית, אלקטרודת ההארקה נבחרת כך שתהיה רחוקה מהמוקד האפילפטי החזוי ומאזורים קורטיקליים בעלי עניין למחקר. מערכת המחקר שלנו מורכבת משמונה יחידות מגבר/דיגיטייזר g.USBamp בעלות 16 ערוצים מסונכרנות (g.tec, Graz, Austria). אלה נבחרו מכיוון שהן בעלות דירוג בטיחות ומאושרות על ידי ה-FDA להקלטות פולשניות, יש להן רצפת רעש נמוכה מאוד בטווח התדרים הגבוהים שבו נמצאים האותות הרלוונטיים, והן מגיעות עם SDK המאפשר לשלב אותן עם תוכנת מחקר שנכתבה בהתאמה אישית. כדי ללכוד את אות ה-high-gamma במדויק, אנו דוגמים אותות בקצב של 1200Hz - גבוה משמעותית מזה של ניסוי EEG טיפוסי או של מערכות ניטור קליניות רבות. מסנן מעביר-נמוך (low-pass filter) מובנה מונע באופן אוטומטי היתכנות של aliasing של אותות הגבוהים מהיכולת של הדיגיטייזר ללכוד. מבט העיניים של המטופל נמעקב באמצעות מסך עם מערכת מעקב עיניים Tobii T-60 מובנית (Tobii Tech., Stockholm, Sweden). אביזרים נוספים כגון ג'ויסטיק, Wiimote בבלוטות' (Nintendo Co.), כפפת נתונים (5th Dimension Technologies), מקלדת, מיקרופון, אוזניות או מצלמת וידאו מחוברים בהתאם לדרישות של הניסוי הספציפי.

איסוף נתונים, הצגת גירויים, סנכרון עם אביזרי הקלט/פלט השונים, וניתוח וויזואליזציה בזמן אמת מבוצעים באמצעות תוכנת ה-BCI2000 שלנו8,9. BCI2000 היא מערכת תוכנה רב-תכליתית הזמינה בחינם לרכישת נתוני אותיות ביולוגיות, עיבודן ומתן משוב בזמן אמת. היא כוללת מערך של מודולים מובנים שניתן להגדירם באופן גמיש למטרות שונות רבות, ושניתן להרחיבם באמצעות קוד של החוקרים בשפות C++, MATLAB או Python. BCI2000 מורכבת מארבעה מודולים המתקשרים זה עם זה באמצעות פרוטוקול תומך-רשת: מודול מקור (Source) המטפל ברכישת אותות מוחיים מאחת מ-19 מערכות חומרה שונות מיצרנים שונים; מודול עיבוד אותות (Signal Processing) המחלץ מאפייני ECoG רלוונטיים ומתרגם אותם לאותות פלט; מודול יישום (Application) המספק גירויים ומשוב לנבדק; ומודול מפעיל (Operator) המספק ממשק גרפי לחוקר.

ניתן לבצע מספר ניסויים שונים עם כל מטופל נתון. סדר העדיפויות של הניסויים ייקבע בהתאם למיקום האלקטרודות של אותו מטופל. עם זאת, בדרך כלל אנו מתחילים את סדרת הניסויים בשימוש בשיטת המיפוי SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection), המזהה ומציגה פעילות משמעותית הקשורה למשימה בזמן אמת. המפה התפקודית המתקבלת מאפשרת לנו להתאים באופן מדויק יותר את פרוטוקולי הניסויים הבאים, ועשויה לשמש כנקודת התחלה מועילה למיפוי מסורתי באמצעות גרייה אלקטרוקורטיקלית (ECS).

למרות שמיפוי באמצעות גירוי חשמלי קורטקלי (ECS) נותרתv תקן הזהב לחיזוי התוצאה הקלינית של כריתה, תהליך מיפוי ה-ECS גוזל זמן וסובל מבעיות נוספות, כגון פריקות חשמליות או פרכוסים. לכן, טכניקה של מיפוי תפקודי פסיבי עשויה להיות בעלת ערך במתן הערכה ראשונית של מיקום הקורטקס האלוקוונטי (eloquent cortex), אשר תוכל לאחר מכן להיות מאושרת ומדויקת יותר באמצעות ECS. התוצאות מטכניקת מיפוי ה-SIGFRIED הפסיבית שלנו הראו התאמה משמעותית לתוצאות שהושגו באמצעות מיפוי ECS10.

הפרוטוקול המתואר במאמר זה מבסס מתודולוגיה כללית לאיסוף נתוני ECoG אנושיים, לפני שיוצג כיצד ניתן להתחיל ניסויים באמצעות פלטפורמת התוכנה BCI2000. לבסוף, כדוגמה ספציפית, אנו מתארים כיצד לבצע מיפוי תפקודי פסיבי באמצעות מערכת SIGFRIED המבוססת על BCI2000.

פרוטוקול

1. אלקטרודה לוקליזציה

  1. איסוף טרום הניתוח T1 משוקלל MRI מבנית (1.5T או 3T) של ראשו של המטופל: 256 x 256 פיקסלים לכל פרוסה, שדה מלא נוף, לא אינטרפולציה, 1 פרוסת רוחב מ"מ, sagittal רצוי חתכים.
  2. שימו לב להשתלה כירורגית של רשתות ורצועות. לאסוף תמונות דיגיטליות של אלקטרודות באתרו, והערות של נוירוכירורג על המיקומים של רשתות ורצועות מושתלים.
  3. לאסוף את שלאחר הניתוח רנטגן גולגולת תמונות המוח סריקות CT ברזולוציה גבוהה (1 פרוסה מ"מ רוחב, עור לעור, אין זוו....

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

איסוף הנתונים למחקר ECOG דורש שיתוף פעולה הדוק בין קלינאים וחוקרים, עם מאוד רב תחומית צוות לפתרון בעיות לנוירולוגיה ונוירוכירורגיה קלינית, בסיסי מדעי המוח, מדעי המחשב והנדסת חשמל. גמול היא אותות ECOG, וב אמפליטודות מסוימים טווח בתדירות גבוהה גמא (70-110Hz), הם בעלי ערך רב. לא רק שהם מספקים תובנה מדעית לתוך וקושרת עצביים של הקוגניטיבי, החושי והמוטורי מעבד 1-4 הן ברזולוציה גבוהה במרחב ובזמן, אבל המוח מחשב מחקרים משיקות ב ECOG הראו גם ההבטחה הגדולה של שיטת כבסיס neuroprost.......

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

אין ניגוד עניינים הצהיר.

תודות

עבודה זו התאפשרה על ידי מענקים נתמך על ידי קצין בצבא מחקר בארה"ב (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) ו-NIH / NIBIB (EB006356 (GS) ו EB00856 ( JRW ו-GS)). המחברים מודים שון אוסטין עבור מודול SigfriedSigProcLAVA, וגריפין Milsap לקבלת סיוע טכני בנושא.

....

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

  1. 8 X 16 ערוצים g.USBamp מגברים ( http://gtec.at )
  2. 2 x 64 ערוצים פריצה החוצה תיבת (מפצל ראש התיבה)
  3. 2 x כבל חיבור בין ספליטר למערכת קלינית
  4. 2 x כבל חיבור של מפצל לארבעה g.USBamps
  5. 2 x ארבע דרך מתאם מתח ארבע g.USBamps
  6. 2 x ארבע דרך מתאם Sync לסנכרון ארבעה g.USBamps
  7. 1 x כבל סינכרון לסנכרן שתי קבוצות של ארבעה g.USBamps
  8. 1 x תפס השוואת פוטנציאל, + כבל g.USBamp
  9. 18 x כבלים Touchproof
  10. 2 x ארבעה כיווני USB 2.0 רכזות
  11. רצועת הכוח
  12. מחשב נייד או שולחן העבודה (ראה סעיף 2.1)
  13. עגלת Secure, ניד עבור כל האמור לעיל
  14. Eyetracker (או צג LCD רגיל) לחולה
  15. מגש השולחן ניד עבור הצג החולה
  16. היקפי אחר (joysticks וכו ') של תגובות התנהגותיות החולה
  17. BCI2000 תוכנה
  18. גממהרים תוכנה
  19. תוכנת MATLAB

מקורות

  1. Miller, K. J. Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement. Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).
  2. Chang, E. F. Categorical speech representation in human superior temporal gyrus. Nature Neuroscience. 13

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

ECoGBCI2000

מאמרים קשורים