方法論記事

神経科学の研究とリアルタイム機能皮質マッピングのためのヒトElectrocorticographic(ECOG)信号を記録

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10.3791/3993

2012年6月26日

この記事について

サマリー

我々は侵襲的なてんかんの監視を受けているヒトから研究目的electrocorticographic信号を収集するための手法を提案する。我々は、データ収集、信号処理と刺激プレゼンテーションのためBCI2000ソフトウェアプラットフォームを使用する方法を示します。具体的には、SIGFRIED、リアルタイム脳機能マッピングのためのBCI2000ベースのツールを示しています。

要約

ヒトの認知、感覚、および運動プロセスの神経画像研究は、通常、脳波計(EEG)、磁気脳波計、または機能的磁気共鳴画像法(fMRI)などの非侵襲的な手法に基づいています。これらの手法は、本質的に時間分解能または空間分解能のいずれかが低く、信号対雑音比(SNR)の低さや高周波感度の不足という課題があります。そのため、多くの基礎的な脳プロセスの短時間的な時空間ダイナミクスを探索するには不十分です。対照的に、侵襲的な手法である皮質電図(ECoG)は、非常に高い信号対雑音比を持ち、EEGよりもアーチファクトの影響を受けにくく、高い空間分解能および時間分解能(すなわち、それぞれ <1 cm / <1 millisecond)を備えた脳信号を提供します。ECoGは、脳表面の硬膜下に植え込まれた電極を用いて脳の電気信号を測定します。近年の研究により、特定の周波数帯域におけるECoG振幅が、運動の実行および計画1、聴覚処理2、視覚空間的注意3などのタスク関連活動に関する重要な情報を運んでいることが示されています。これらの情報の大部分は高ガンマ波帯域(約 70-110 Hz)で捉えられます。したがって、ガンマ活動は局所的な皮質機能の強固で汎用的な指標として提案されています1-5。ECoGは機能的結合を明らかにし、より詳細なタスク関連の時空間ダイナミクスを分解できるため、大規模な皮質プロセスの理解を深めることができます。特に、通信の強化や改善6および制御7のためのユーザーの意図をデコードするブレイン・コンピュータ・インターフェース(BCI)技術の向上に有用であることが証明されています。それにもかかわらず、侵襲的処置に伴うリスクと制限、および臨床現場の制約下で記録する必要があるため、ヒトのECoGデータの取得はしばしば困難です。それでも、てんかん焦点の局在化を目的とした臨床モニタリングは、ヒトのECoGデータを収集するユニークで貴重な機会を提供します。本稿では、ECoG記録の収集方法について説明し、これらの信号を臨床マッピングやブレイン・コンピュータ・インターフェースなどの重要なリアルタイムアプリケーションにどのように活用するかを実演します。例として、BCI2000ソフトウェアプラットフォーム8,9および、脳機能のリアルタイムマッピング用アプリケーションであるSIGFRIED10法を使用します。この手順によって得られる情報は、臨床医がその後、電気刺激による機能マッピングという複雑で労力を要するプロセスを導くために利用することが可能です。

事前準備と計画:

薬剤耐性の部分性てんかん患者は、発作の頻度を最小限に抑えるために、てんかん焦点の切除術の適応となる場合があります。切除に先立ち、患者は硬膜下電極を用いたモニタリングを受けます。これには2つの目的があります。1つ目はてんかん焦点を特定すること、2つ目は切除によって長期的な機能欠損を招く恐れのある近接した重要な脳領域(すなわち、エロクエント皮質)を特定することです。電極を留置するために、開頭術を行い頭蓋骨を開きます。その後、電極グリッドおよび/またはストリップを、通常は硬膜下に皮質上に配置します。標準的なグリッドは、シリコンに埋め込まれた直径4 mm(露出面2.3 mm)の白金イリジウム電極が8 x 8に配置されており、電極間距離は1cmです。ストリップは通常、このような電極が単一のラインに4個または6個含まれています。これらのグリッドおよびストリップの配置場所は、神経内科医と脳神経外科医のチームによって計画され、過去のEEGモニタリング、患者の脳の構造的MRI、および患者の病歴の関連要因に基づいています。5~12日間にわたる連続記録によっててんかん焦点の特定を行い、留置した電極を介した電気刺激により、臨床医はエロクエント皮質のマッピングを行います。モニタリング期間の終了後、電極の抜去と治療的な切除が1回の手術で同時に行われます。

侵襲的モニタリングは、主要な臨床目的以外に、神経科学研究のためのヒトECoGデータを取得するという貴重な機会も提供します。ある患者を前向き研究に含めるかの決定は、電極の設置予定部位、神経心理学的評価における患者のスコア、およびインフォームドコンセントに基づいています。この同意は、研究への参加が任意であり、治療とは無関係であるという患者の理解を前提としています。ヒトを対象とするすべての研究と同様に、研究プロトコルは病院の機関審査委員会(IRB)の承認を得なければなりません。個々の実験タスクを実施するかどうかの決定は日単位で行われ、患者の耐性と参加意欲に応じて判断されます。術後の顔面腫脹、一過性失語、頻繁な発作、発作後の疲労と混乱、あるいはより一般的な痛みや不快感など、患者の臨床状態の問題により、一部またはすべての実験が実施不能になる場合があります。

ニューヨーク州オールバニのオールバニ・メディカルセンターにあるてんかんモニタリングユニットでは、192チャンネルの日本光電 Neurofax モニタリングシステムを用いて、24時間体制の臨床モニタリングが実施されています。研究用の記録は、オールバニにあるニューヨーク州保健省ワズワースセンターとの共同研究で行われています。ECoG電極からの信号は、スプリッターコネクタを介して研究用システムと臨床用システムに同時に供給されます。臨床用システムと研究用システムが互いに干渉しないようにするため、通常、これら2つのシステムでは個別の接地(グランド)を使用しています。実際、臨床用システムの接地を確保するために、硬膜外ストリップ電極が植え込まれることがあります。研究用および臨床用のいずれの記録システムにおいても、接地電極は、予測されるてんかん焦点および研究上の関心がある皮質領域から離れた位置に配置されます。当研究システムは、同期された8台の16チャンネル g.USBamp アンプ/デジタイザユニット(g.tec, Graz, Austria)で構成されています。これらが選定された理由は、侵襲的記録において安全性が認定され FDA 承認を受けていること、目的とする信号が含まれる高周波領域においてノイズフロアが非常に低いこと、およびカスタム作成の研究用ソフトウェアに統合可能な SDK が提供されているためです。ハイガンマ信号を正確に捉えるため、一般的な EEG 実験や多くの臨床モニタリングシステムよりも大幅に高い 1200Hz のサンプリングレートで信号を取得しています。内蔵のローパスフィルタにより、デジタイザでキャプチャ可能な範囲を超える信号のエイリアシングが自動的に防止されます。患者の視線は、Tobii T-60 アイトラッキングシステム(Tobii Tech., Stockholm, Sweden)内蔵のモニターを使用して追跡されます。特定の実験の要件に応じて、ジョイスティック、Bluetooth Wiimote(任天堂)、データグローブ(5th Dimension Technologies)、キーボード、マイクロホン、ヘッドホン、ビデオカメラなどの追加アクセサリが接続されます。

データの収集、刺激の提示、さまざまな入出力アクセサリとの同期、およびリアルタイム解析と視覚化は、BCI2000ソフトウェア8,9を用いて行います。BCI2000は、生体信号データのリアルタイム収集、処理、およびフィードバックのための、無料で利用可能な汎用ソフトウェアシステムです。本システムには、多くの異なる目的に合わせて柔軟に構成できる一連のプリビルドモジュールが含まれており、研究者がC++、MATLAB、またはPythonを用いて独自のコードで拡張することも可能です。BCI2000は、ネットワーク対応プロトコルを介して相互に通信する4つのモジュールで構成されています。すなわち、異なるメーカーの19種類のハードウェアシステムのいずれかから脳信号の収集を制御するSourceモジュール、関連するECoG特徴量を抽出して出力信号に変換するSignal Processingモジュール、被験者に刺激とフィードバックを提供するApplicationモジュール、そして研究者にグラフィカルインターフェースを提供するOperatorモジュールです。

ある特定の患者に対して、多くの異なる実験が行われることがあります。実験の優先順位は、その患者の電極の配置によって決定されます。通常、我々はまずSIGFRIED(SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection)マッピング法を用いて実験を開始します。この手法では、タスクに関連する有意な活動をリアルタイムで検出し、表示させます。得られた機能マップにより、その後の実験プロトコルをさらに個別に最適化することができ、また、従来の皮質電極刺激(ECS)によるマッピングの有用な起点となる場合もあります。

ECSマッピングは、切除後の臨床転帰を予測するためのゴールドスタンダードであり続けていますが、ECSマッピングのプロセスは時間がかかり、また、放電後やけいれんなどの他の問題も伴います。したがって、受動的な機能マッピングの手法は、機能的に重要な皮質(eloquent cortex)の位置を初期推定する上で有用である可能性があり、その後、ECSによって確認および精緻化することが可能です。我々の受動的なSIGFRIEDマッピング手法による結果は、ECSマッピングを用いて得られた結果と実質的に一致することが示されています10

本論文で述べるプロトコルでは、ヒトECoGデータの収集に関する一般的な手法を確立し、続いてBCI2000ソフトウェアプラットフォームを用いてどのように実験を開始できるかを説明します。最後に、具体的な例として、BCI2000ベースのSIGFRIEDシステムを用いた受動的機能マッピングの実施方法について記述します。

プロトコル

1。電極のローカリゼーション

  1. スライスごとに256×256ピクセル、全視野、補間なし、1mmのスライス幅は、好ましくは、矢状断面:患者の頭部の手術前T1強調MRIの構造を(1.5Tや3T)収集します。
  2. グリッドとストリップの外科的移植を観察します。移植グリッド、ストリップの位置にin situでの電極、および神経外科医のノートのデジタル写真を収集します。
  3. 術後頭蓋骨のX線画像と高分解能で脳のCTスキャン(1 mmのスライス幅は、皮膚への皮膚、ない角度)を収集します。
  4. 術前MRIを用いて患者の脳の三次元皮質モデルを作成し、ポストグリッド注入CT画像と一緒に共同で登録します。我々は、この目的のためにカレーのソフトウェアパッケージを使用して、MATLAB形式の3D皮質の構造と電極の座標をエクスポートします。 MATLABから、我々は脳にマッピングされた電極を示してムービーを書き出す。我々はまた、Mapは、電極は、自動化されたTalairachアトラスを使用して、標準ブロードエリアに調整します。
  5. 3Dモデル、X線画像、写真やメモからの情報を確認してください。電極用のナンバリングスキームを完成させ、電極、これは正確に番号以下のスプリッタボックスにパッチが適用されていることを確認するために、病院の技術で動作します。また、すべての電極の位置が明らかに重複せずに区別することができるように二次元で電極をプロットするための概略レイアウトを作成します。あなたが(セクション4を参照)SIGFRIEDを実行しようとしている場合は、ElectrodeLocationsパラメータで必要とされる形式で、BCI2000パラメータの断片として、これらの2次元座標を保存します。最後に、electrocorticographicallyである可能性が高い二つの電極の位置を選択し、 "サイレント"、すなわち、彼らは(パッチ青いソケットを参照してg.USBampsを準備し、最初のグラウンドとリファレンスとして使用するために、推定された説得力のある皮質の近くではありませんとグランド各ユニットの右端の黄色のソケット)へ。

2。ハードウェアおよびソフトウェアのセットアップ

  1. コンピュータの仕様は、実験の処理要件を処理するために十分であることを確認してください。マルチコアプロセッサは、おそらくリアルタイムデータの収集と処理、ビデオ録画、および他の必要なタスクの要求に対応するために必要となります。 1200 Hzで128チャンネルの録画とリアルタイムの分析のために、我々は、4 GBのRAMで3 GHzのクアッドコアマシンを使用します。アンプは、外部ドライブやカメラなどの他の帯域幅を消費する周辺機器、(これはシステムのデバイスマネージャを経由して検証することができます)で使用されるコントローラ(S)とは異なる専用のUSBコントローラに接続する必要があります。最後に、十分なディスク実験データの1秒あたり5 MBまで保存するためのスペース、およびアーカイブし、それをバックアップするためのシステムがなければなりません。
  2. 研究機器(アンプ、コンピュータ、実験の画面、keyboを設定すぐに壁にプラグインするだけで、単一の電源コードを使用して、患者の部屋に出入りロールバックすることができ、単一のトロリー、上のARD、スピーカー、マイクとカメラ)。部屋から部屋にコンピュータを移動するには、抜く前に、Hibernateの機能を使用します。患者さんのビデオ画面は、別のトレイテーブルまたはモニターアーム上にある必要があります。患者が発作を起こしやすいことを考えると、医療従事者が患者への即時アクセスを必要とする場合にはすべての機器を迅速にする方法からロールアウトすることができていることを確認してください。装置はまた、患者の部屋の使用前と使用後に消毒ワイプで消毒する必要があります。
  3. 患者と時間が限られており、すべての手順は、堅牢な、その時間を最大限に活用するために最適化する必要があります。この点で、BCI2000の柔軟性と堅牢性は非常に貴重な特性です。実験は、ボタンのワンタッチで起動できることを確認してください。 BCI2000の場合には、右側の組み合わせを起動するバッチファイルを使用必要なコマンドラインオプションを使用して自動的にBCI2000モジュール。 オペレータgUSBampSourceモジュールは、特定の実験のために適切なSignalProcessingおよびアプリケーション·モジュールと一緒に、必要とされています。必要なすべてのパラメータ·ファイルがこのような電極とそれらの名前と位置の数として、この患者に固有の任意の、自動的に含めて読み込まれていることを確認しBCI2000のオペレータのスクリプト機能を使用します。この自動化の目的は、実験者による手動ステップ数、したがって、エラーの機会を最小限に抑えることです。ソフトウェアとそのパラメータは、少なくとも1〜2週間注入する前に(おそらくEEG件名)完成し、テストされている必要があります。それはまた、 "ドライ"は、すべての新しい患者固有のパラメータを含む、最初の実験セッションの前日を実行して行うことを強くお勧めします。

3。実験的なセッションのセットアップ

  1. のためにあなたの瞬間を選択してくださいそれらを与えて、患者に実験的なレコーディングを示唆している以前の日に注意して、もう一度あなたが開始15分前。訪問、食事、昼寝、医療処置、患者の肉体的、感情的、認知状態を回避する。それは録音のタイミングと期間を最適化するために、床の上に医療関係者との信頼関係を確立することが重要である。
  2. 所定の位置に車輪装置は、電源コンセントに接続し、対象者のビデオ画面をオンにし、それをコンピュータに接続し、コンピュータを非冬眠する。
  3. BCI2000を起動します。 VisualizeSourceパラメータを有効にすると、 構成の設定を押します。信号のビューアでは、皮質の信号品質を評価させる、開きます。ビューア上で右クリックし、5 Hzのカットオフにハイパスフィルタを設定します。 (このフィルタ設定は、データの収集を視覚化に影響し、されません。)
  4. 電源ラインのノイズからの干渉の確認:(50 Hzまたは60 Hzで、ビューアにノッチフィルタをアクティブにするかあなたがしているどの国によって異なります)信号に大きな違いを生む?その場合、未使用のクロス話しケーブルを取り外す、または電源その他の干渉源を特定し、除去することによって、これを減らすようにしてください。リファレンスとグラウンドの必要に応じて使用される電極を変更します。
  5. あなたが目トラッカーを使用している場合は、製造元から提供されているキャリブレーションソフトウェアを使用してキャリブレーションを行ってください。 BCI2000ソースモジュールが含まEyetrackerLogger拡張子付きでコンパイルされるべきであり、使用して起動する必要があります - LogEyetracker = 1フラグがアイトラッキングデータはECOGの信号と同期して取得することができますので、有効になっています。
  6. 気晴らしや中断を避けるために、可能な信号の干渉を最小限に抑えるために、テレビ、ラジオ、携帯電話の電源がオフになっていることを確認します。
  7. あなたが実行しようとしています実験のた​​めに患者に正確な指示を与える。タスクを表示するPowerPointのスライドを用意し、被験者のタスクに応じて、提案した姿勢など、便利な証明することができます。
  8. 実験を開始するにはオペレータの[開始]を押します。 [ スタート]を押すか、または再開するたびに新しいファイルが以前のデータを上書きしないように作成され、ファイルはすべてのパラメータ値のコピーで初期化されます。あなたがサスペンドキー押すまでして、イベントマーカとともに、ファイルに自動的にストリーミングされる生データや実験的な実行が完了します。
  9. セッションを通して、患者の行動と疑われる発作のECOGの信号を監視し、医療スタッフからの指示に応答する準備ができている。

4。例の実験セッション:BCI2000とSIGFRIED臨床マッピング

  1. 準備:セッションが開始する前に、SIGFRIEDモデルを構築するために使用される信号処理の設定が含まれていmodel.iniファイルを準備しておく必要があります、とPRMファイル(または別のPRMの断片。)がBCI2000パラメータを含む。 SigfriedSigProcモジュールリアルタイム可視化のために使用されます。二つの重要なパラメータでは、さまざまなタスクがどのような条件下でマップされますを指定し、この患者の特定の電極と、ElectrodeConditionのために選択した2-Dレイアウトを指定して、ElectrodeLocationsです。この例では、患者に指示を通信するためのシンプルなStimulusPresentationモジュール使用しているので、 刺激のパラメータはまた、我々は実行する予定のタスクに適応する必要があります。
  2. ベースラインのステップ:1200Hzでのすべてのグリッドおよびストリップからサ ​​ンプルECOG活動するように設定gUSBampSource、DummySignalProcessingStimulusPresentationTaskモジュールを起動し、0.1 Hzでハイパスフィルタ。リラックスして目を見開いてじっとしたままに被写体を指示します。静かな環境で快適な照明の下で、ベースラインの活動の6分を記録します。
  3. モデリングのステップ:data2model_guiツール起動し、5 HzのビンFRで特徴を抽出データのすべての500ミリ秒の最大エントロピー法を用いてOM 70から110 Hzです。ガウス混合物を使用して、選択したスペクトル特徴の確率モデルを構築するモデルの構築を押します。
  4. マッピングのステップ:gUSBampSource、SigfriedSigProcLAVAStimulusPresentationTaskモジュール起動し、確率モデルをロードするためにオペレータ 、皮質のモデル、および2を設定-と3次元電極の座標を。件名を指示した後、マッピングプロセスを開始します。このプロセスでは、被験者は5回のそれぞれで、一度に10秒間、各タスクを実行します。と説得力のある皮質の3次元マップ - 各タスクの実行中に、SIGFRIEDは、継続的に更新2に示すタスク関連皮質の活性を検出します。 2次元マップで、各円の大きさと赤みは、この特定のタスクで、その重要性を表しています。具体的には、各サークルの大きさはガンマBAで全信号の分散の割合に比例タスクによって占められるを購入する。この統計は、決定係数、又はR 2として知られています。それは範囲内にある(0,1)と現在の設定で0.1の値は、一般的に重要と考えることができます。最大のR 2値に円のスケーリングは、スライダーを( 図1Cを参照) 使用して制御することができます。 3次元マップで、R 2の値ではなくサークルのサイズとは異なる色にマッピングされています。

5。代表的な結果

図1は、一人の患者の1 SIGFRIEDマッピングセッションから、代表的な結果を示しています。患者は二次性全般化を左頭発症の難治性局在関連てんかんを持っていた28歳の右利き女性であった。 120 electrocorticographic電極は左前頭葉、頭頂葉と側頭葉皮質を介してsubdurally移植した。横方向のX線(パネル)と術中写真(パネルB)を描く40電極、68電極、3ストリップ4の電極のそれぞれに1高密​​度一時的なグリッドと1正面グリッドの構成を示す。記録された発作から、神経科医は、てんかん焦点をローカライズして、説得力のある言語野を温存しながら左側頭葉の外科的切除を行うために必要であると判断した。これは、正常に実行されました:8ヶ月後の切除では患者が発作フリーとして神経学的欠損せずに評価されている。受動的なマッピングの手順では、リスニングタスクの実行中にタスクに関連した変化を対照することによって大脳皮質は、言語機能に関与する識別SIGFRIED。電極の配置が明確になる2次元インタフェース(パネルC)、および3次元解剖学的に正しいインターフェイス(パネルD):結果は2インターフェイスで発表されました。左から右へと話し言葉対ベースライン(VOICE)を聞いて、パネルのコントラスト、トーン対ベースライン(トーン)に耳を傾け、そして話し言葉VS LISに耳を傾けトーン(言語)にtening。これらの最後は、受容性言語に固有のもので聴覚機能の大まかな画像として含まれています。 VOICE条件の結果は、この患者の受容性言語機能(パネルの黄色の丸のマーク)が破壊ECSがする位置と良い一致を示した。

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図1一人の患者からの結果例。パネルは横方向のX線を示しています。黄色の円は、その後electrocortical刺激マッピングによって識別される、受容性言語に関与する電極をマークします。パネルBは、注入時に撮影した写真です。パネルCは、回路図2次元のレイアウトでSIGFRIEDマッピング結果を示しています。各ディスクのサイズと赤みは、ベースラインに相対的なタスク内の各電極の関与の重要性を表しています。パネルDは、同じ統計は三次元の脳モデルの仁徳の色にマップされています患者のMRIから赤。

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ディスカッション

研究のためのECOGのデータを収集することは非常に学際的なチームは、臨床神経学、脳神経外科、基本的な神経科学、コンピュータサイエンスと電気工学の問題を解決するために、臨床医や研究者間の緊密な協力を必要とします。報酬はECOGの信号は、高ガンマ周波数範囲(70-110Hz)の特定の振幅で、非常に貴重であるということです。彼らは、感覚、認知の神経相関に科学的な洞察を提供し、モータは、高空間分解能と時間分解能の両方で1-4を処理しますが、皮質の脳-コンピュータインタフェースの研究にもneuroprostheticの基礎として、メソッドの偉大な約束を示していないだけでなく、アプリケーション6,7,10。

オープンソースのBCI2000ソフトウェアプラットフォーム8,9は、すべてこのような研究とエンジニアリングへの取り組みのために、リアルタイムでデータをECOGおよび処理記録するための柔軟なツールキットを提供します。 BCI20に基づいて特定のリアルタイムアプリケーション00、SIGFRIED 10は 、...

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開示事項

利害の衝突が宣言されません。

謝辞

この作品は、米陸軍研究局(W911NF-07-1から0415(GS)、W911NF-08-1から0216(GS))とNIH / NIBIB(EB006356(GS)とEB00856でサポートされている補助金によって可能となった( JRWとGS))。著者らは、関連する技術支援をSigfriedSigProcLAVAモジュールのショーンオースティン、グリフィンMilsapに感謝します。

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材料

  1. 8×16チャネルg.USBampアンプ( http://gtec.at
  2. 2×64チャネルブレイクアウトボックス(スプリッタ頭ボックス)
  3. スプリッタから臨床システムへの2×接続ケーブル
  4. スプリッタから4 g.USBamps〜2×接続ケーブル
  5. 4 g.USBamps 2×4ウェイ電源アダプタ
  6. 4 g.USBampsを同期するための2×4双方向同期アダプター
  7. 4 g.USBampsの2セットを同期させる1つのxのSyncケーブル
  8. g.USBamp×1ポテンシャルイコライゼーションクランプ+ケーブル
  9. 18×Touchproofジャンパケーブル
  10. 2×4ウェイUSB 2.0ハブ
  11. 電源コード
  12. ラップトップまたはデスクトップコンピュータ(セクション2.1を参照してください)
  13. 上記のすべてのセキュリティで保護された、可動式カート
  14. 患者のためのEyetracker(または普通の液晶モニター)
  15. 患者モニタ用の可動式トレーテーブル
  16. 患者の行動応答のその他の周辺機器(ジョイスティック等)
  17. BCI2000ソフトウェア
  18. ℃アーリソフトウェア
  19. MATLABソフトウェア

参考文献

  1. Miller, K. J. Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement. Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).
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  9. Schalk, G., Mellinger, J. A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000. , Springer. London. (2010).
  10. Brunner, P. A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans. Epilepsy and Behavior. 15, 278(2009).

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ECoG BCI2000

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