Registrazione umani Electrocorticographic (ECOG) Segnali per la ricerca neuroscientifica e in tempo reale la mappatura funzionale corticale

Sommario

Vi presentiamo un metodo per raccogliere i segnali electrocorticographic a fini di ricerca da esseri umani che sono sottoposti a monitoraggio invasivo epilessia. Mostriamo come utilizzare il BCI2000 piattaforma software per la raccolta dati, elaborazione del segnale e la presentazione dello stimolo. In particolare, abbiamo dimostrato Sigfried, uno strumento basato su BCI2000 in tempo reale la mappatura funzionale del cervello.

Abstract

Gli studi di neuroimmagine sui processi cognitivi, sensoriali e motori umani si basano solitamente su tecniche non invasive come l'elettroencefalografia (EEG), la magnetoencefalografia o la risonanza magnetica funzionale. Queste tecniche presentano intrinsecamente una risoluzione temporale o spaziale bassa e soffrono di un rapporto segnale-rumore scarso e/o di una sensibilità limitata alle alte frequenze. Pertanto, sono subottimali per esplorare la dinamica spazio-temporale di breve durata di molti dei processi cerebrali sottostanti. Al contrario, la tecnica invasiva dell'elettrocorticografia (ECoG) fornisce segnali cerebrali con un rapporto segnale-rumore eccezionalmente elevato, una minore suscettibilità agli artefatti rispetto all'EEG e un'elevata risoluzione spaziale e temporale (ossia, <1 cm/<1 millisecondo, rispettivamente). L'ECoG prevede la misurazione dei segnali elettrici cerebrali mediante elettrodi impiantati sotto la dura madre sulla superficie del cervello. Studi recenti hanno dimostrato che le ampiezze dell'ECoG in determinate bande di frequenza trasportano informazioni sostanziali riguardo all'attività legata al compito, come l'esecuzione e la pianificazione motoria¹, l'elaborazione uditiva² e l'attenzione visuo-spaziale³. La maggior parte di queste informazioni è contenuta nella gamma alta delle onde gamma (circa 70-110 Hz). Di conseguenza, l'attività gamma è stata proposta come un indicatore robusto e generale della funzione corticale locale^1-5. L'ECoG può inoltre rivelare la connettività funzionale e risolvere dinamiche spazio-temporali spaziali più fini legate al compito, contribuendo così a migliorare la nostra comprensione dei processi corticali su larga scala. Si è rivelata particolarmente utile per lo sviluppo della tecnologia delle interfacce cervello-computer (BCI) per decodificare le intenzioni dell'utente al fine di potenziare o migliorare la comunicazione⁶ e il controllo⁷. Tuttavia, i dati ECoG umani sono spesso difficili da ottenere a causa dei rischi e delle limitazioni associate alle procedure invasive e della necessità di effettuare registrazioni entro i vincoli degli ambienti clinici. Tuttavia, il monitoraggio clinico per localizzare i focolai epilettici offre un'opportunità unica e preziosa per raccogliere dati ECoG umani. Descriviamo i nostri metodi per la raccolta delle registrazioni ECoG e dimostriamo come utilizzare questi segnali per importanti applicazioni in tempo reale, come la mappatura clinica e le interfacce cervello-computer. Il nostro esempio utilizza la piattaforma software BCI2000^8,9 e il metodo SIGFRIED¹⁰, un'applicazione per la mappatura in tempo reale delle funzioni cerebrali. Questa procedura fornisce informazioni che i clinici possono successivamente utilizzare per guidare il processo complesso e laborioso della mappatura funzionale mediante stimolazione elettrica.

Prerequisiti e pianificazione:

I pazienti affetti da epilessia parziale resistente ai farmaci possono essere candidati a un intervento chirurgico resezione di un focolaio epilettico al fine di ridurre la frequenza delle crisi. Prima della resezione, i pazienti vengono sottoposti a un monitoraggio mediante elettrodi sottodurali con due obiettivi: in primo luogo, localizzare il focolaio epilettico, e in secondo luogo, identificare le aree cerebrali critiche adiacenti (cioè la corteccia eloquente), dove la resezione potrebbe causare deficit funzionali a lungo termine. Per l’impianto degli elettrodi, viene eseguita una craniotomia per aprire il cranio. Successivamente, vengono posizionate griglie e/o strip di elettrodi sulla corteccia, solitamente al di sotto della dura madre. Una griglia tipica è composta da una matrice di 8 x 8 elettrodi in platino-iridio del diametro di 4 mm (superficie esposta di 2,3 mm), incorporati in silicone, con una distanza inter-elettrodica di 1 cm. Uno strip contiene tipicamente 4 o 6 di questi elettrodi disposti in linea. La collocazione di queste griglie/strip viene pianificata da un’équipe di neurologi e neurochirurghi, sulla base del precedente monitoraggio EEG, di una risonanza magnetica strutturale del cervello del paziente e di fattori rilevanti della storia clinica del paziente. Una registrazione continua per un periodo di 5-12 giorni serve a localizzare i focolai epilettici, mentre la stimolazione elettrica attraverso gli elettrodi impiantati consente ai medici di mappare la corteccia eloquente. Al termine del periodo di monitoraggio, l’espianto degli elettrodi e la resezione terapeutica vengono eseguiti insieme in un unico intervento.

Oltre al suo scopo clinico principale, il monitoraggio invasivo offre anche un'opportunità unica per acquisire dati di ECoG umana per la ricerca neuroscientifica. La decisione di includere un paziente in fase di reclutamento nella ricerca si basa sulla posizione pianificata dei suoi elettrodi, sui risultati ottenuti dal paziente nelle valutazioni neuropsicologiche e sul suo consenso informato, che presuppone la comprensione del fatto che la partecipazione alla ricerca è facoltativa e non è correlata alla terapia. Come per tutte le ricerche che coinvolgono soggetti umani, il protocollo di ricerca deve essere approvato dal comitato etico dell'ospedale. La decisione di eseguire singole attività sperimentali viene presa di giorno in giorno ed è subordinata alla resistenza fisica e alla disponibilità del paziente a partecipare. Alcuni o tutti gli esperimenti potrebbero essere impediti da problemi legati allo stato clinico del paziente, come gonfiore facciale post-operatorio, afasia temporanea, crisi frequenti, affaticamento e confusione post-critica, nonché dolore o disagio di carattere più generale.

Nell'Unità di Monitoraggio dell'Epilessia presso l'Albany Medical Center di Albany, New York, il monitoraggio clinico viene effettuato h24 utilizzando un sistema di monitoraggio Neurofax a 192 canali della Nihon-Kohden. Le registrazioni di ricerca sono effettuate in collaborazione con il Wadsworth Center del Dipartimento della Salute dello Stato di New York, anch'esso situato ad Albany. I segnali provenienti dagli elettrodi ECoG vengono inviati contemporaneamente sia al sistema di ricerca che a quello clinico attraverso connettori splitter. Per garantire che i sistemi clinico e di ricerca non interferiscano tra loro, i due sistemi utilizzano generalmente masse separate. In effetti, a volte viene impiantata una striscia epidurale di elettrodi per fornire una massa al sistema clinico. Indipendentemente che si tratti del sistema di registrazione clinico o di ricerca, l'elettrodo di massa viene scelto in una posizione distante dal focolaio epilettico previsto e dalle aree corticali di interesse per la ricerca. Il nostro sistema di ricerca è composto da otto unità amplificatrici/digitalizzatrici g.USBamp sincronizzate da 16 canali ciascuna (g.tec, Graz, Austria). Tali dispositivi sono stati selezionati perché certificati per la sicurezza e approvati dalla FDA per registrazioni invasive, presentano un rumore di fondo molto basso nella gamma di alte frequenze in cui si trovano i segnali di interesse e sono dotati di un SDK che ne consente l'integrazione con software di ricerca sviluppati ad hoc. Per acquisire in modo accurato il segnale in banda gamma-alta, registriamo i segnali a una frequenza di campionamento di 1200 Hz, notevolmente superiore rispetto a quella tipica di un esperimento EEG o di molti sistemi di monitoraggio clinico. Un filtro passa-basso integrato impedisce automaticamente l'aliasing dei segnali con frequenze superiori a quelle catturabili dal digitalizzatore. Lo sguardo del paziente viene tracciato mediante un monitor dotato di sistema integrato di eye-tracking Tobii T-60 (Tobii Tech., Stockholm, Sweden). A seconda delle esigenze dell'esperimento specifico, vengono collegati accessori aggiuntivi come joystick, Wiimote bluetooth (Nintendo Co.), guanto per l'acquisizione dati (5^th Dimension Technologies), tastiera, microfono, cuffie o videocamera.

La raccolta dei dati, la presentazione degli stimoli, la sincronizzazione con i diversi accessori di ingresso/uscita e l'analisi e visualizzazione in tempo reale vengono eseguite utilizzando il nostro software BCI2000^8,9. BCI2000 è un sistema software generico, disponibile gratuitamente, per l'acquisizione, l'elaborazione e il feedback in tempo reale di dati biosignali. Include una serie di moduli predefiniti che possono essere configurati in modo flessibile per molteplici scopi e che possono essere estesi con codice personalizzato scritto in C++, MATLAB o Python. BCI2000 è composto da quattro moduli che comunicano tra loro tramite un protocollo abilitato alla rete: un modulo Sorgente che gestisce l'acquisizione dei segnali cerebrali provenienti da uno dei 19 diversi sistemi hardware di vari produttori; un modulo di Elaborazione del Segnale che estrae le caratteristiche rilevanti dell'ECoG e le traduce in segnali di uscita; un modulo Applicazione che fornisce stimoli e feedback al soggetto; e un modulo Operatore che offre un'interfaccia grafica all'investigatore.

Possono essere condotti diversi esperimenti con un determinato paziente. La priorità degli esperimenti sarà determinata dalla posizione degli elettrodi nel paziente specifico. Tuttavia, di solito iniziamo la sperimentazione utilizzando il metodo di mappatura SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection), che rileva e visualizza in tempo reale l'attività significativa correlata al compito. La mappa funzionale risultante ci consente di adattare ulteriormente i protocolli sperimentali successivi e può rappresentare anche un utile punto di partenza per la mappatura tradizionale mediante stimolazione elettrocorticale (ECS).

Sebbene la mappatura ECS rimanga lo standard di riferimento per prevedere l'esito clinico della resezione, il processo di mappatura ECS è lungo e presenta anche altri problemi, come le scariche post-ictali o le convulsioni. Pertanto, una tecnica di mappatura funzionale passiva potrebbe rivelarsi utile per ottenere una stima iniziale del locus della corteccia eloquente, che potrebbe poi essere confermata e affinata mediante la mappatura ECS. I risultati ottenuti con la nostra tecnica di mappatura passiva SIGFRIED hanno dimostrato una notevole concordanza con quelli derivati dalla mappatura ECS¹⁰.

Il protocollo descritto in questo articolo stabilisce una metodologia generale per la raccolta di dati ECoG umani, per poi illustrare come avviare esperimenti utilizzando la piattaforma software BCI2000. Infine, come esempio specifico, descriviamo come eseguire una mappatura funzionale passiva mediante il sistema SIGFRIED basato su BCI2000.

Protocollo

1. Elettrodo localizzazione

1. Raccogliere un pre-operatoria T1-pesata risonanza magnetica strutturale (1.5T e 3T) della testa del paziente: 256 x 256 pixel per fetta, il campo pieno di vista, senza interpolazione, 1 fetta di larghezza mm, preferibilmente sezioni sagittali.
2. Osservare l'impianto chirurgico delle griglie e strisce. Raccogliere fotografie digitali degli elettrodi in situ, e le note del neurochirurgo sulle posizioni delle griglie impiantati e strisce.
3. Raccogliere i post-operatorie cranio immagini a raggi X e TAC del cervello ad alta risoluzione (1 fetta di larghezza mm, pelle a pelle, nessun angolo).
4. Creare un mo....

Discussione

La raccolta di dati ECOG per la ricerca richiede una stretta collaborazione tra clinici e ricercatori, con un grande team multi-disciplinare risolvere i problemi nei campi della neurologia clinica, neurochirurgia, neuroscienze di base, informatica e ingegneria elettrica. La ricompensa è che i segnali ECOG, e in particolare ampiezza della gamma ad alta frequenza gamma (70-110Hz), sono di grande valore. Non solo fornire la comprensione scientifica dei correlati neurali di cognitive, sensoriali e motorie elabora ^1-4

Materiali

1. 8 x 16 canali amplificatori g.USBamp ( http://gtec.at )
2. 2 x 64 canali break-out box (splitter capo-box)
3. 2 x Cavo di collegamento da splitter al sistema clinica
4. 2 x Cavo di collegamento da splitter a quattro g.USBamps
5. 2 x quattro vie adattatore di alimentazione per quattro g.USBamps
6. 2 x quattro direzioni adattatore sync per sincronizzare quattro g.USBamps
7. 1 x Cavo di sincronizzazione per sincronizzare due serie di quattro g.USBamps
8. 1 x potenziale equalizzazione morsetto + cavo per g.USBamp
9. 18 cavi di collegamento x Touchproof
10. 2 x quattro vie USB 2.0 hub
11. Ciabatta
12. Portatile o desktop computer (vedi sezione 2.1)
13. Sicura, carrello mobile per tutto il suddetto
14. Eyetracker (ordinaria o LCD monitor) per il paziente
15. Vassoio di tavolo mobile per il monitor paziente
16. Altre periferiche (joystick etc) per pazienti risposte comportamentali
17. BCI2000 software
18. CUrry software
19. Software MATLAB