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

Lo scopo di questa procedura è ottenere dati elettrocorticografici di qualità per la ricerca da pazienti sottoposti a monitoraggio clinico dell'epilessia e utilizzarli per eseguire una mappatura funzionale in tempo reale. Questo obiettivo viene raggiunto innanzitutto configurando un sistema di acquisizione del segnale di qualità per la ricerca, che può essere collegato al sistema clinico di monitoraggio dell'epilessia senza compromettere né interrompere il monitoraggio clinico. Il secondo passaggio della mappatura funzionale consiste nel registrare segnali di base mentre il paziente è sveglio ma riposa tranquillamente.

Successivamente, i segnali vengono elaborati per estrarre caratteristiche rappresentative dell'attività cerebrale nella gamma alta delle frequenze, e queste vengono utilizzate per costruire un modello dello stato cerebrale di base del paziente. L'ultimo passaggio consiste nel far eseguire al paziente semplici compiti cognitivi o motori mentre gli algoritmi di rilevamento delle novità del sistema Siegfried evidenziano le parti della corteccia in cui l'attività nella banda gamma alta differisce significativamente dallo stato di base. Infine, il coefficiente di determinazione in ciascuna posizione dell'elettrodo indica quali aree corticali mostrano un'attivazione significativa durante l'esecuzione del compito.

Il loro coinvolgimento viene quindi confermato mediante mappatura con stimolazione elettrocorticografica, i cui risultati facilitano e rendono meno lunga la procedura di mappatura fornendo informazioni complementari. L’ELETTROCORTICOGRAFIA o ECOG è definita dall’uso di elettrodi a griglia e a striscia sottodurali per registrare anche le crisi abituali del paziente. Per stimolare elettricamente questi elettrodi, uno o due alla volta, al fine di interferire con determinate funzioni come la funzione motoria o linguistica, si realizza una mappa della corteccia eloquente che dovrebbe essere risparmiata durante la resezione.

ECOG possiede una combinazione di elevata risoluzione temporale ed elevata risoluzione spaziale che semplicemente non si trova con altre tecniche di misurazione come l'EEG o la risonanza magnetica funzionale. In particolare, è l'unico modo per ottenere registrazioni affidabili dell'attività elettrica cerebrale nell'intervallo di frequenza gamma alta, che rappresenta un indicatore molto informativo di un'ampia gamma di funzioni cerebrali. L'ECOG è una tecnica di registrazione invasiva in cui delle griglie vengono posizionate direttamente sulla superficie cerebrale; pertanto richiede un intervento chirurgico ed è eseguita soltanto in situazioni cliniche che necessitano di un'operazione.

I pazienti si trovano tipicamente nell'unità di monitoraggio dell'epilessia per circa una settimana, fino a quando i clinici non dispongono di informazioni sufficienti per localizzare il focolaio epilettogeno. Se il paziente acconsente, può partecipare alla ricerca e, a condizione che non si interferisca con il monitoraggio clinico, questa situazione offre una finestra di opportunità unica per registrare l'attività cerebrale umana. In questo video, mostrerò come localizzare gli elettrodi ECOG mediante la co-registrazione di una risonanza magnetica preoperatoria e di una TAC postoperatoria, e illustrerò una nuova forma di mappatura funzionale basata sulle caratteristiche della banda gamma nei segnali ECOG. Prima dell'intervento, acquisire una risonanza magnetica strutturale pesata in T1 della testa del paziente con 256 per 256 pixel per fetta, campo visivo completo, senza interpolazione, spessore di fetta di un millimetro e, preferibilmente, acquisizione in piano sagittale.

Quindi, nel giorno dell'intervento chirurgico, osservare l'impianto chirurgico delle griglie e delle strip elettrode e raccogliere fotografie digitali delle elettrodi in situ, insieme alle annotazioni del neurochirurgo relative alle posizioni impiantate. Dopo l'intervento, ottenere immagini radiografiche postoperatorie del cranio, nonché scansioni TC cerebrali, che devono essere acquisite da cute a cute ad alta risoluzione con uno spessore di fetta di un millimetro e senza inclinazione. Successivamente, utilizzare il pacchetto software Curry per creare un modello corticale tridimensionale del cervello del paziente a partire dalla risonanza magnetica preoperatoria, quindi effettuare la coregistrazione di questo modello con le immagini TC post-impianto della griglia.

Quindi fare clic con il tasto destro su ciascuna posizione dell'elettrodo in ordine e selezionare "esporta cursore per localizzare". Per registrare le coordinate tridimensionali degli elettrodi, esportare la struttura corticale 3D del soggetto e le coordinate degli elettrodi in formato MATLAB. Successivamente, creare un'esportazione, ovvero un filmato che mostri gli elettrodi mappati sulla superficie cerebrale.

Inoltre, mappare le coordinate degli elettrodi sulle aree di Brodmann standard utilizzando un atlante stereotassico automatizzato. Esaminare le informazioni provenienti dal modello 3D, dalle immagini radiografiche, dalle fotografie e dalle annotazioni. Definire uno schema di numerazione per gli elettrodi e collaborare con i tecnici dell'ospedale per assicurare che gli elettrodi siano collegati alle scatole di suddivisione.

Seguire esattamente questa numerazione. Inoltre, creare un layout schematizzato per il posizionamento dei fili sugli elettrodi in modo che tutte le posizioni degli elettrodi possano essere chiaramente distinte senza sovrapposizioni. Selezionare due posizioni di elettrodi che probabilmente risulteranno elettrocorticograficamente silenti, lontane dalla corteccia presumibilmente eloquente, da utilizzare come punto di massa e riferimento iniziale.

Successivamente, preparare una serie collegata di amplificatori GUSB. Sincronizzarli scegliendone uno come master; collegare l'uscita sink del master all'ingresso S sink dell'altro e inserire il numero di serie del master come BCI due mila.

Parametro principale ID del dispositivo. Collegare tra loro le prese di riferimento blu e collegare tra loro le prese di massa gialle all'estremità più a destra della pila. È qui che si dovrà collegare il riferimento scelto al cavo blu e la massa al cavo giallo prima dell'inizio della sessione.

Preparare un file modello do I nni contenente le impostazioni di elaborazione del segnale che il software Siegfried utilizzerà per costruire un modello. Preparare inoltre un file dot PRM o frammenti dot PRM separati contenenti i parametri che il sistema BCI 2000 utilizzerà per l'acquisizione e la visualizzazione in tempo reale. Due parametri chiave per Siegfried sono la posizione degli elettrodi, che specifica la disposizione bidimensionale scelta per gli elettrodi del paziente, e lo stato degli elettrodi, che indica quali compiti verranno associati a determinate condizioni.

Tenere presente che il tempo a disposizione con il paziente è limitato. Pertanto, tutte le procedure devono essere solide, ottimizzate e testate in anticipo. Scegliere un momento opportuno per proporre al paziente registrazioni sperimentali, comunicandoglielo con largo anticipo nella giornata e nuovamente 15 minuti prima della sessione.

Posizionare l'equipaggiamento accanto al letto del paziente, quindi collegare e accendere il monitor video del paziente e riattivare il computer dall'ibernazione. Inoltre, collegare il sistema di acquisizione dati alle griglie ECOG mediante i connettori splitter. Avviare il software BCI 2000.

Quindi, con il parametro sorgente visualizzato abilitato, selezionare l'opzione set config, fare clic con il tasto destro sul visualizzatore e impostare il filtro passa-alto su una frequenza di taglio di cinque hertz. Nota: questa impostazione influirà soltanto sulla visualizzazione e non sulla raccolta dei dati. Verificare la presenza di interferenze da rumore di rete osservando se l'attivazione di un filtro notch nel visualizzatore apporta una differenza significativa al segnale.

Se ciò accade, provare a ridurlo rimuovendo eventuali fonti di interferenza elettrica, come cavi inutilizzati che causano cross-talk. Cambiare gli elettrodi utilizzati come riferimento e messa a terra, se necessario. Se si sta utilizzando un eye tracker, calibrarlo mediante il software di calibrazione fornito dal produttore, al fine di evitare distrazioni e interruzioni e ridurre al minimo eventuali interferenze del segnale.

Assicurarsi che tutti i televisori, le radio e i telefoni cellulari nella stanza siano spenti. Iniziare la sessione sperimentale registrando prima l'attività di base. Istruire il soggetto a rilassarsi e a rimanere immobile con gli occhi aperti.

Quindi avviare l'elaborazione del segnale fantoccio della sorgente GUSB e la presentazione dello stimolo. Moduli della task. Registrare sei minuti di attività di base con un'illuminazione confortevole in un ambiente silenzioso.

Successivamente, avviare lo strumento GUI da dati a modello configurato per estrarre caratteristiche in intervalli di cinque hertz da 70 a 110 hertz, utilizzando il metodo di massima entropia per ogni 500 millisecondi di dati. Premere "Crea modello" per costruire un modello probabilistico delle caratteristiche spettrali selezionate utilizzando miscele di gallio. Ora fornire istruzioni precise al paziente per la procedura sperimentale che verrà eseguita in questo compito.

Il soggetto eseguirà ciascun compito per 10 secondi alla volta in ognuna delle cinque ripetizioni. Avviare i moduli del compito relativi alla sorgente GUSB amp Siegfried Sig Pro lava e alla presentazione dello stimolo, quindi configurare l'operatore per caricare il modello probabilistico, il modello corticale e le coordinate degli elettrodi in due e tre dimensioni. Premere avvio sull'operatore per iniziare l'esperimento e avviare il processo di mappatura.

I dati grezzi vengono trasmessi automaticamente insieme ai marcatori di evento fino a quando non si preme la pausa o non termina la sessione sperimentale; ogni volta che si preme avvio o riprendi, verrà creato un nuovo file per evitare la sovrascrittura dei dati precedenti durante ogni compito. Il software Siegfried rileva l'attività ECOG correlata al compito, che viene visualizzata in mappe bidimensionali e tridimensionali della corteccia aggiornate in tempo reale. La dimensione e l'intensità del colore rosso di ogni cerchio rappresentano la loro importanza nel compito in corso.

La dimensione dei cerchi in base ai valori massimi di R quadrato può essere regolata utilizzando i cursori durante tutta la sessione. Assicurarsi di monitorare il comportamento del paziente e i segnali ECOG per sospetti episodi di crisi convulsiva ed essere pronti ad allertare immediatamente il personale medico e a seguire le sue istruzioni. Qui vediamo un esempio di radiografia laterale per un paziente rappresentativo.

I cerchi gialli indicano gli elettrodi implicati nel linguaggio ricettivo, successivamente identificati mediante mappatura con stimolazione corticale elettrica. Qui è mostrata una fotografia scattata durante l'implantazione per questo paziente. Questi schemi mostrano i risultati della mappatura di Siegfried in una rappresentazione schematica bidimensionale.

La dimensione e il rossore di ciascun disco rappresentano il grado di coinvolgimento di ciascun elettrodo nel compito rispetto al valore basale, e qui la stessa statistica è mappata sul colore in un modello cerebrale tridimensionale ricostruito a partire dalla risonanza magnetica del paziente. Questo video ha dimostrato come i dati ECOG umani possano essere registrati a fini di ricerca ed elaborati in tempo reale utilizzando la suite software BCI 2000. Un esempio di applicazione in tempo reale di BCI 2000 è lo strumento di mappatura funzionale.

La mappatura Siegfried Siegfried può essere eseguita entro 10 minuti, a seconda del numero di operazioni effettuate. I risultati preliminari possono essere osservati entro pochi secondi e risultati stabili possono essere ottenuti dopo cinque-dieci ripetizioni, ciascuna della durata di 10 secondi. I vantaggi della mappatura Siegfried consistono nella rilevanza funzionale simultanea su tutta la griglia, mentre la stimolazione elettrica richiede l'applicazione di corrente in ciascun sito elettrodico, un procedimento molto più lungo e che potenzialmente può indurre crisi epilettiche.

Effettuiamo ancora la mappatura elettrica, ma utilizzando inizialmente Siegfried otteniamo una mappa preliminare rapida che attenua notevolmente il processo. In futuro, il miglioramento della progettazione delle griglie sperabilmente permetterà applicazioni diverse dal monitoraggio dell'epilessia, ad esempio nei pazienti colpiti da ictus, per il recupero della funzionalità, per il movimento di arti protesici e anche per potenziare la comunicazione in persone con paralisi della muscolatura vocale o con malattie di tipo ALS.

Grazie per aver guardato.