Name: Registrazione umani Electrocorticographic (ECOG) Segnali per la ricerca neuroscientifica e in tempo reale la mappatura funzionale corticale (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-06-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: Scopri la registrazione di segnali elettrocorticografici umani per la mappatura funzionale cerebrale in tempo reale utilizzando la piattaforma BCI2000. Questo metodo consente di identificare le aree corticali attivate durante compiti cognitivi.

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Questo lavoro è stato reso possibile da borse di studio sostenute dalla US Army Research Office (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) e il NIH / NIBIB (EB006356 (GS) e EB00856 ( JRW e GS)). Gli autori ringraziano Sean Austin per il modulo SigfriedSigProcLAVA e Griffin Milsap per la relativa assistenza tecnica.

1. Elettrodo localizzazione <ol><li> 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. </li><li> Osservare l&#39;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. </li><li> 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). </li><li> Creare un modello tridimensionale corticale del cervello del paziente con il pre-operatorio MRI, e co-registrarlo con le immagini di impianto post-CT griglia. Usiamo il pacchetto CURRY software per questo scopo, ed esportare la struttura 3D corticale e l&#39;elettrodo coordinate in formato MATLAB. Da MATLAB, abbiamo esportare un filmato che mostra gli elettrodi mappati sul cervello. Abbiamo anche Map l&#39;elettrodo coordinate standard, aree di Brodmann che utilizzano un sistema automatizzato Talairach atlante. </li><li> Rivedere le informazioni dal modello 3D, X-ray immagini, fotografie e note. Finalizzare uno schema di numerazione per gli elettrodi e il lavoro con i tecnici ospedalieri per garantire che gli elettrodi sono patchati nella scatole splitter dopo questa numerazione esattamente. Inoltre creare un layout schematico per tracciare gli elettrodi in due dimensioni, in modo che tutte le posizioni degli elettrodi possono essere chiaramente distinti senza sovrapposizioni. Se avete intenzione di eseguire Sigfried (vedi sezione 4), salvare queste coordinate bidimensionali come un frammento BCI2000 parametro, nel formato richiesto dal parametro ElectrodeLocations. Infine, selezionare due posizioni degli elettrodi che possono essere electrocorticographically &quot;silenzioso&quot;, cioè, non sono vicino al presunto corteccia eloquente, da utilizzare come un terreno iniziale e di riferimento (preparare le g.USBamps dalla patch il riferimento alle prese blu, e di terraalle prese giallo, sulla destra di ogni unità). </li></ol> 2. Hardware e Software Setup <ol><li> Assicurarsi che le specifiche del computer sono adeguati per gestire i requisiti di elaborazione dell&#39;esperimento. Un processore multi-core sarà probabilmente necessario per soddisfare le esigenze di real-time di acquisizione ed elaborazione dei dati, registrazione video, e altri compiti necessari. Per la registrazione e analisi in tempo reale di 128 canali a 1200 Hz, si usa a 3 GHz quad-core macchina con 4 GB di RAM. Gli amplificatori deve essere collegato ad un apposito controller USB, distinto dal controller (s) utilizzato da altri bandwidth-hungry periferiche, come ad esempio dischi rigidi esterni e videocamere (questo può essere verificato tramite Gestione periferiche del sistema). Infine, ci deve essere spazio sufficiente per memorizzare fino a 5 MB al secondo di dati sperimentali, e di un sistema per l&#39;archiviazione e il backup. </li><li> Impostare il attrezzature di ricerca (amplificatori, computer, schermo sperimentatore, keyboard, altoparlanti, microfono e telecamera) su un unico carrello, che può essere facilmente arrotolato dentro e fuori della stanza del paziente, con un solo cavo di alimentazione singolo collegare alla presa a muro. Per spostare il computer da una stanza all&#39;altra, utilizzare la funzione Hibernate prima di scollegarlo. Schermo video del paziente deve essere su un tavolino separato o braccio del monitor. Considerando che il paziente è soggetto a crisi epilettiche, assicurarsi che tutta l&#39;attrezzatura può essere rotolato fuori strada rapidamente nel caso in cui il personale medico bisogno di un accesso immediato per il paziente. L&#39;attrezzatura deve essere disinfettata con salviette antisettiche prima e dopo l&#39;uso nella stanza del paziente. </li><li> Ora con il paziente è limitato, e tutte le procedure devono essere robusti e ottimizzato per sfruttare al meglio quel momento. A questo proposito, la flessibilità e robustezza di BCI2000 caratteristiche sono preziose. Assicurarsi che gli esperimenti possono essere lanciato con il semplice tocco di un pulsante. In caso di BCI2000, utilizzare un file batch per lanciare la giusta combinazione diBCI2000 moduli automaticamente, con le necessarie opzioni della riga di comando. L&#39;operatore e moduli gUSBampSource sono tenuti, insieme alla SignalProcessing appropriato e moduli applicativi per l&#39;esperimento particolare. Utilizzare la funzionalità di scripting BCI2000 Operator per garantire che tutti i file dei parametri necessari vengono caricati automaticamente, compresi quelli che sono specifici per questo paziente, come ad esempio il numero di elettrodi e loro nomi e posizioni. Lo scopo di questa automazione è quello di minimizzare il numero di operazioni manuali dallo sperimentatore, e così le possibilità di errore. Il software ed i suoi parametri devono essere terminati e collaudati (forse con un soggetto EEG) almeno una o due settimane prima dell&#39;impianto. E &#39;anche altamente consigliabile eseguire un &quot;secco&quot; eseguito il giorno precedente la prima sessione sperimentale, inclusi tutti i nuovi pazienti parametri specifici. </li></ol> 3. Sessione set-up sperimentale <ol><li> Scegli il tuo momento persuggerendo le registrazioni sperimentali per il paziente, dando loro notare nel corso della giornata, e di nuovo 15 minuti prima di iniziare. Aggirare i visitatori, i pasti, i sonnellini, procedure mediche e fisiche del paziente, stato emotivo e cognitivo. E &#39;importante stabilire un rapporto con il personale medico sul pavimento, per aiutare ad ottimizzare i tempi e la durata delle registrazioni. </li><li> Ruota l&#39;apparecchiatura a posto, collegare alla presa di corrente, accendere schermo video del soggetto e collegarlo al computer, e non-ibernare il computer. </li><li> Avviare BCI2000. Con il parametro VisualizeSource abilitato, premere Set Config. Lo spettatore si apre segnale, consentendo di valutare la qualità del segnale ECoG. Fai clic destro sul visualizzatore e impostare il filtro passa-alto ad un cutoff 5 Hz. (Questa impostazione filtro avrà effetto solo sui visualizzazione, e non la raccolta dei dati.) </li><li> Verificare la presenza di interferenze da disturbi sulla linea elettrica: L&#39;attivazione di un filtro notch nel visualizzatore (a 50 Hz o 60 Hz,a seconda del paese in cui ci si trova) fanno una grande differenza per il segnale? In tal caso, provare a ridurre questo rimuovendo i inutilizzati cross-talking cavi, o l&#39;identificazione e la rimozione di altre fonti di interferenza elettrica. Modificare gli elettrodi utilizzati per la terra di riferimento e, se necessario. </li><li> Se si utilizza un eye-tracker, calibrare usando il software di calibrazione fornito dal produttore. Il BCI2000 modulo sorgente deve essere compilato con l&#39;estensione EyetrackerLogger incluso, e dovrebbe essere lanciato con l&#39;opzione - LogEyetracker = 1 flag abilitato, in modo che eye-tracking dati possono essere acquisiti in sincronia con i segnali ECOG. </li><li> Per evitare distrazioni e interruzioni, e per ridurre al minimo le possibili interferenze di segnale, in modo che TV, radio e telefoni cellulari siano spenti. </li><li> Dare istruzioni precise al paziente per l&#39;esperimento che si sta per eseguire. A seconda del compito del soggetto, preparato diapositive Powerpoint che mostrano l&#39;attività, la postura suggerito, ecc, può rivelarsi utile. </li&gt; <li> Premere Avvio della console per avviare l&#39;esperimento. Ogni volta che si preme iniziare o riprendere, un nuovo file verrà creato per evitare di sovrascrivere i dati precedenti, e il file verrà inizializzato con una copia di tutti i valori dei parametri. I dati grezzi saranno poi trasmessi automaticamente al file, con marker di eventi, finché non si preme di sospensione o di esecuzione delle finiture sperimentali. </li><li> Durante la sessione, monitorare il comportamento del paziente ed i segnali di crisi ECOG sospetti, ed essere pronti a rispondere alle istruzioni da parte del personale medico. </li></ol> 4. Esempio sperimentale Session: Sigfried Mapping clinica con BCI2000 <ol><li> Preparazione: prima dell&#39;inizio della sessione, è necessario aver preparato un file model.ini che contiene le impostazioni di elaborazione del segnale Sigfried userà per costruire un modello, e un PRM file (o separati frammenti di PRM.) Contenente i parametri che BCI2000. il modulo SigfriedSigProcutilizzerà per visualizzazione in tempo reale. Due i principali parametri sono ElectrodeLocations, specificando il 2-D layout scelto per elettrodi particolari di questo paziente, e ElectrodeCondition, che specifica che diversi compiti verranno mappati in quali condizioni. In questo esempio, stiamo utilizzando il modulo semplice StimulusPresentation per comunicare le istruzioni al paziente, in modo che il parametro di stimoli ha anche bisogno di essere adeguati alle attività che si intendono eseguire. </li><li> Passo Baseline: Avviare i moduli gUSBampSource, DummySignalProcessing e StimulusPresentationTask, configurato per l&#39;attività di campionamento ECOG da tutte le griglie e strisce a 1200Hz, passa-alto-filtrato a 0,1 Hz. Istruire il soggetto a rilassarsi e rimanere immobile con gli occhi aperti. Record 6 minuti di attività di base, sotto l&#39;illuminazione confortevole in un ambiente tranquillo. </li><li> Modeling Step: Avviare lo strumento data2model_gui ed estrarre le caratteristiche in 5 contenitori Hz from 70-110 Hz utilizzando il metodo massima entropia per ogni 500 ms di dati. Premere Costruisci modello per costruire un modello probabilistico delle caratteristiche spettrali selezionati utilizzando miscele gaussiani. </li><li> Passo Mapping: Avviare il gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA e moduli StimulusPresentationTask e configurare il Operator per caricare il modello probabilistico, il modello corticale, e il 2 - e 3-dimensionali coordinate elettrodi. Dopo istruire il soggetto, avviare il processo di mappatura. In questo processo, un soggetto si esegue ciascuna operazione per 10 secondi alla volta, su ciascuna delle 5 ripetizioni. Durante ogni compito, Sigfried rileva task-attività connesse ECoG che si presenta in continuo aggiornamento 2 - e 3-dimensionali mappe della corteccia eloquente. Nelle due mappe bidimensionali, la dimensione e il rossore di ogni cerchio rappresenta la sua importanza in questo particolare compito. In particolare, la dimensione di ogni cerchio è proporzionale alla quota parte della varianza segnale totale in ba gammand che si spiega con l&#39;attività. Questa statistica è noto come il coefficiente di determinazione, o R 2. È nell&#39;intervallo (0,1) e nella configurazione attuale un valore di 0,1 può generalmente essere considerato significativo. La scala dei cerchi per massimo R 2 valori possono essere controllate mediante i cursori (vedi figura 1C). Nelle tre mappe tridimensionali, i 2 valori di r sono mappati a diversi colori piuttosto che dimensioni dei cerchi. </li></ol> 5. Risultati rappresentativi La figura 1 mostra i risultati rappresentativi, da una sessione di mapping Sigfried in un paziente. Il paziente era un 28-year-old destri sesso femminile che aveva intrattabile epilessia correlata a localizzazione di sinistra-temporale esordio con generalizzazione secondaria. 120 electrocorticographic elettrodi sono stati impiantati più di sinistra subdurally frontale, parietale e la corteccia temporale. Un laterale x-ray (pannello A) e uno intra-operatoria fotografia (pannello B) raffiguranoconfigurazione di una griglia frontale con 40 elettrodi, uno superiore densità griglia temporale con 68 elettrodi, e tre strisce ciascuno di 4 elettrodi. Dalle crisi registrate, un neurologo localizzato il focolai epilettici e ha stabilito che era necessario per eseguire la resezione chirurgica del lobo temporale sinistro, risparmiando corteccia eloquente linguaggio. Questo è stato eseguito con successo: a 8 mesi post-resezione del paziente è stata valutata come libero da crisi convulsive e senza deficit neurologici. La procedura di mappatura passiva Sigfried corteccia identificato coinvolti nella funzione lingua contrasto attività relative modifiche durante le attività di ascolto. I risultati sono stati presentati in due interfacce: un 2-dimensionale di interfaccia (pannello C), che rende la disposizione degli elettrodi chiara, e 3-dimensionale interfaccia anatomicamente corretta-(pannello D). Da sinistra a destra il contrasto pannelli ascolto ai valori basali vs lingua parlata (voce), ascoltando i toni basali vs (toni), e l&#39;ascolto di lingua parlata vs lissi ascolta i toni (lingua). L&#39;ultimo di questi è incluso come un quadro approssimativo della funzione uditiva che è specifico al linguaggio ricettivo. I risultati della condizione VOICE ha mostrato un buon accordo con le posizioni in cui ECS ha sconvolto funzione ricettiva lingua in questo paziente (contrassegnata come cerchi gialli nel pannello A). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/3993/3993fig1.jpg" /> Figura 1. Risultati esempio da una paziente. Panel A presenta un laterale x-ray. Cerchi gialli segnano gli elettrodi implicati nel linguaggio recettivo, come successivamente individuati dalla mappatura stimolazione electrocortical. Panel B è una fotografia scattata durante l&#39;impianto. Pannello C mostra i risultati della mappatura Sigfried in una schematica schema bidimensionale: la dimensione e arrossamento di ciascun disco rappresenta il significato del coinvolgimento di ciascun elettrodo nel compito, rispetto al basale. Nel pannello D, la stessa statistica viene mappato su un colore tridimensionale Rende cervello modellorosso MRI del paziente.

<ol><li>Miller, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectral+Changes+in+Cortical+Surface+Potentials+during+Motor+Movement%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement.</a> Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).</li>
<li>Chang, E. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Categorical+speech+representation+in+human+superior+temporal+gyrus%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Categorical speech representation in human superior temporal gyrus.</a> Nature Neuroscience. 13, 1428-1428 (2010).</li>
<li>Gunduz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neural+correlates+of+visual-spatial+attention+in+electrocorticographic+signals+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Neural correlates of visual-spatial attention in electrocorticographic signals in humans.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 5, (2011).</li>
<li>Pei, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatiotemporal+dynamics+of+electrocorticographic+high+gamma+activity+during+overt+and+covert+word+repetition%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Spatiotemporal dynamics of electrocorticographic high gamma activity during overt and covert word repetition.</a> NeuroImage. 54, 2960(2010).</li>
<li>Crone, N. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-frequency+gamma+oscillations+and+human+brain+mapping+with+electrocorticography%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Brain+Research%22%5BJournal%5D)">High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography.</a> Progress in Brain Research. 159, 275(2006).</li>
<li>Brunner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+communication+with+a+%22P300%22+matrix+speller+using+electrocorticographic+signals+%28ECoG%29%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroprosthetics%22%5BJournal%5D)">Rapid communication with a "P300" matrix speller using electrocorticographic signals (ECoG).</a> Frontiers in Neuroprosthetics. 5, (2010).</li>
<li>Leuthardt, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+brain-computer+interface+using+electrocorticographic+signals+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans.</a> Journal of Neural Engineering. 1, (2004).</li>
<li>Schalk, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((BCI2000%3A+A+General-Purpose+Brain-Computer+Interface+%28BCI%29+System%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+in+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">BCI2000: A General-Purpose Brain-Computer Interface (BCI) System.</a> IEEE Transactions in Biomedical Engineering. 51, 1034(2004).</li>
<li>Schalk, G., Mellinger, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSchalk%2C+G+%22A+Practical+Guide+to+Brain-Computer+Interfacing+with+BCI2000%22">A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000</a>. , Springer. London. (2010).</li>
<li>Brunner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+practical+procedure+for+real-time+functional+mapping+of+eloquent+cortex+using+electrocorticographic+signals+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Epilepsy+and+Behavior%22%5BJournal%5D)">A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans.</a> Epilepsy and Behavior. 15, 278(2009).</li>
</ol>

Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.

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</...

<ol><li> 8 x 16 canali amplificatori g.USBamp ( <a href="http://gtec.at" target="_blank">http://gtec.at</a> ) </li><li> 2 x 64 canali break-out box (splitter capo-box) </li><li> 2 x Cavo di collegamento da splitter al sistema clinica </li><li> 2 x Cavo di collegamento da splitter a quattro g.USBamps </li><li> 2 x quattro vie adattatore di alimentazione per quattro g.USBamps </li><li> 2 x quattro direzioni adattatore sync per sincronizzare quattro g.USBamps </li><li> 1 x Cavo di sincronizzazione per sincronizzare due serie di quattro g.USBamps </li><li> 1 x potenziale equalizzazione morsetto + cavo per g.USBamp </li><li> 18 cavi di collegamento x Touchproof </li><li> 2 x quattro vie USB 2.0 hub </li><li> Ciabatta </li><li> Portatile o desktop computer (vedi sezione 2.1) </li><li> Sicura, carrello mobile per tutto il suddetto </li><li> Eyetracker (ordinaria o LCD monitor) per il paziente </li><li> Vassoio di tavolo mobile per il monitor paziente </li><li> Altre periferiche (joystick etc) per pazienti risposte comportamentali </li><li> BCI2000 software </li><li> CUrry software </li><li> Software MATLAB </li></ol>

registrazione umani electrocorticographic (ecog) segnali per la ricerca neuroscientifica e in tempo reale la mappatura funzionale corticale

Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

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, &lt;1 cm/&lt;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 locale1-5. 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 BCI20008,9 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 (5th 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 BCI20008,9. 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.

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.

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

Gli studi di neuroimaging dei processi cognitivi, sensoriali e motori umani si basano solitamente su tecniche non invasive come l'elettroencefalografia (EEG), ...

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 determina

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Fonte: Fehér, K. D. et. al., Registrazione elettroencefalografica concomitante durante la stimolazione transcranica a corrente alternata (tACS). J. Vis. Exp. (2016)Questo video mostra la configurazione di esperimenti di stimolazione transcranica a corrente alternata (tACS) ed elettroencefalografia (EEG) per fornire segnali elettrici ritmici al cervello durante la registrazione dell'attività cerebrale. La procedura garantisce l'isolamento degli elettrodi e previene il bridging del gel per una...

Stabilire la stimolazione transcranica a corrente alternata concomitante e l'elettroencefalografia per la registrazione dell'attività cerebrale umana

Questo video mostra il processo di registrazione dell'attività neuronale corticale e sottocorticale utilizzando elettrodi di elettroencefalografia (EEG) e stimolazione cerebrale profonda (DBS) durante un test di stimolazione visiva basato sull'attenzione.

Registrazione dell'attività neuronale corticale e sottocorticale utilizzando sistemi di elettrodi

Siamo qui descritto come eseguire multi-elettrodo registrazioni matrice di tessuto corticale epilettica umana. Resezione del tessuto epilettico, preparazione e fetta di array multi-elettrodo di registrazioni di eventi interictali e ictali sono dimostrati in dettaglio.

Multi-elettrodi array registrazioni di umano Epileptic postoperatoria corticale del tessuto

Il presente protocollo mira a valutare le funzioni cognitivo-emotive nei gangli della base mediante la registrazione neurofisiologica simultanea dei potenziali di campo locale e dell'attività corticale cerebrale (EEG) non invasiva. La procedura è esemplificata dall'uso di paradigmi che coinvolgono stimoli vocali con connotazione emotiva o il compito Flanker che coinvolge il controllo cognitivo.

Invasiva sottocorticali e superficie non invasiva neurofisiologiche registrazioni per la valutazione delle cognitivo ed emotivo funzioni combinate negli esseri umani

Un EEG-fMRI multimodal imaging metodo, conosciuto come la fonte del EEG di fMRI-vincolata spatiotemporal, metodo, di formazione immagine è descritta qui. Il metodo presentato impiega in modo condizionale-attivo fMRI sottomappe, o priori, per guidare la localizzazione delle sorgenti EEG in un modo che migliora la specificità spaziali e limita risultati errati.

Simultanee EEG e risonanza magnetica funzionale registrazione e analisi di integrazione per l'attività corticale dinamica Imaging

Abbiamo sviluppato una matrice electrocorticographic intero-corticale per il marmoset comune che continuamente copre quasi tutta la superficie laterale della corteccia, dai poli frontale e occipitale pole per il temporale. Questo protocollo descrive una procedura di impianto cronica della matrice nello spazio epidurale del cervello uistitì.

Impianto cronico di tutto-corticale Electrocorticographic Array nel Marmoset comune

Descriviamo qui un metodo per fabbricare array di microelettrodi Ti3C2 MXene e utilizzarli per la registrazione neurale in vivo.

Fabbricazione di array di microelettrodi Ti3C2 MXene per la registrazione neurale In Vivo

Qui, presentiamo un metodo per la valutazione delle prestazioni e della sicurezza a lungo termine di array di elettrodi subdurali morbidi in un modello di minipig, descrivendo il metodo e gli strumenti chirurgici, la risonanza magnetica postoperatoria, l'elettrofisiologia della corteccia uditiva, le proprietà elettrochimiche dell'impianto e l'immunochimica post-mortem.

Impianto di array di elettrocorticografia morbida subdurale (ECoG) e registrazione corticale a lungo termine nei minipig

Un nuovo protocollo per la stimolazione magnetica transcranica personalizzata in combinazione con la mappatura elettroencefalografica (TMS-EEG) delle reti corticali, informata da modalità di dati di risonanza magnetica multipla (MRI).

TMS-EEG guidato da neuroimaging per la mappatura della rete corticale in tempo reale

Qui, presentiamo due protocolli per la registrazione della micro-elettrocorticografia ad alta densità (μEcoG) in ratti e topi, inclusi metodi chirurgici, di impianto e di registrazione. Le registrazioni μECoG vengono eseguite in combinazione con la registrazione di politrodi laminari nella corteccia uditiva del ratto o con la manipolazione optogenetica dell'attività neurale nella corteccia somatosensoriale del topo.

Indagini multiscala sull'elaborazione corticale integrando politrodi laminari e optogenetica con la microcorticografia nei roditori

Scopri la registrazione di segnali elettrocorticografici umani per la mappatura funzionale cerebrale in tempo reale utilizzando la piattaforma BCI2000. Questo metodo consente di identificare le aree corticali attivate durante compiti cognitivi.

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

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

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