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。
方法論記事
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。
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。
1。電極のローカリゼーション
2。ハードウェアおよびソフトウェアのセットアップ
3。実験的なセッションのセットアップ
4。例の実験セッション:BCI2000とSIGFRIED臨床マッピング
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。

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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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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利害の衝突が宣言されません。
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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