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

本手順の目的は、臨床的なてんかんモニタリングを受けている患者から研究品質の皮質電図（electro cortico graphic）データを取得し、それを用いてリアルタイムの機能マッピングを行うことです。これはまず、臨床モニタリングを損なったり中断させたりすることなく、臨床的なてんかんモニタリングシステムに接続可能な研究品質の信号取得システムを構築することで達成されます。機能マッピングの第2ステップは、患者が覚醒状態で安静にしている間にベースライン信号を記録することです。

次に、信号を処理して高ガンマ周波数帯域の脳活動を表す特徴量を抽出し、これらを用いて患者のベースラインの脳状態のモデルを構築します。最終ステップとして、患者に単純な認知タスクまたは運動タスクを実行させ、その間にSiegfriedシステムの新規性検出アルゴリズムを用いて、高ガンマ活動がベースラインから有意に異なる皮質領域を特定します。最終的に、各電極位置における決定係数により、タスク実行中にどの皮質領域が有意に活性化したかが示されます。

その後、電気皮質刺激マッピングによってそれらの関与が確認されます。fMRIの結果を用いることで、補完的な情報が得られ、刺激マッピングの手順をより簡便にし、時間を短縮することが可能になります。電気皮質脳波（ECoG）とは、硬膜下グリッド電極およびストリップ電極を用いて、患者の日常的な発作を記録することでも定義されます。これらの電極を一度に1つまたは2つずつ電気的に刺激し、運動機能や言語機能などの特定の機能を妨害することで、切除時に温存すべき機能的皮質（eloquent cortex）のマッピングを行います。

ECoGは、EEGや機能的MRIなどの他の測定手法では得られない、高い時間分解能と高い空間分解能を兼ね備えています。特に、広範な脳機能の非常に有益な相関関係である高ガンマ周波数帯域において、脳の電気活動を良好に記録できる唯一の方法です。ECoGは、脳表面に電極グリッドを直接配置する侵襲的な記録手法であるため、手術が必要となり、手術を必要とする臨床状況においてのみ行われます。

通常、患者は臨床医がこの期間中に発作焦点の局在を特定するための十分な情報を得られるまで、約1週間てんかんモニタリングユニットに入院します。患者の同意があり、かつ臨床モニタリングを妨げない範囲であれば、研究への参加が可能であり、これは研究者が活動中のヒトの脳を記録できる絶好の機会となります。このビデオでは、術前MRIと術後CTを共登録させることで、ECoG電極の局在を特定する方法を実演します。また、ECoG信号のガンマ特徴量に基づく新しい形式の機能マッピングについても実演します。手術前に、患者の頭部の術前T1強調構造MRIを、1スライスあたり256×256ピクセル、全視野（full field of view）、補間なし、スライス幅1 mm、できれば矢状断スライスで取得してください。

手術当日、グリッド電極およびストリップ電極の外科的植え込みを観察し、留置された電極のデジタル写真と、脳神経外科医による植え込み部位の記録を収集します。術後、頭蓋骨のポストオペX線画像および脳CTスキャンを取得します。CTスキャンは、皮膚表面から皮膚表面まで、1 mmのスライス幅、角度なしの高解像度で取得する必要があります。次に、Curryソフトウェアパッケージを用いて、術前MRIから患者の脳の3次元皮質モデルを作成し、これをグリッド植え込み後のCT画像に共登録します。

次に、各電極の位置を順番に右クリックし、「export cursor to localize」を選択します。電極の3D座標を登録するために、被験者の3D皮質構造と電極座標をMATLAB形式でエクスポートします。その後、電極が脳表面にマッピングされた様子を示すムービーをエクスポートして作成します。

また、自動ラックアトラスを用いて、電極座標を標準的なブロードマン領域にマッピングします。3Dモデル、X線画像、写真、およびメモからの情報を確認してください。電極のナンバリングスキームを確定し、病院の技術者と協力して、電極がスプリッターボックスに適切にパッチ接続されていることを確認します。

この番号付けに厳密に従ってください。また、すべての電極位置が重なり合うことなく明確に区別できるよう、電極を配置するための概略レイアウトを作成してください。初期の接地電極および参照電極として使用するため、想定される機能的皮質から離れた、皮質電図的に不活性である可能性が高い2か所の電極位置を選択してください。

次に、GUSBアンプのリンクスタックを準備します。1台を選択して同期させます。マスターとして接続し、そのsink出力を他のS sink入力に接続し、マスターのシリアル番号をBCI 2000として入力します。

デバイスIDマスターパラメータです。スタックの右端にある青色のリファレンスソケット同士を接続し、黄色のグランドソケット同士を接続します。セッション開始前に、選択したリファレンスを青色に、グランドを黄色にパッチしてください。

Siegfriedソフトウェアがモデル構築に使用する信号処理設定を含む、モデル用の.inniファイルを準備します。また、BCI 2000システムがデータ収集およびリアルタイム可視化に使用するパラメータを含む.prmファイル、または個別の.prmフラグメントを準備します。Siegfriedにおける2つの重要なパラメータは、患者の電極に選択された2次元レイアウトを指定する電極配置と、どのタスクをどの条件下でマッピングするかを指定する電極条件です。

患者と接する時間は限られていることに留意してください。したがって、すべての手順は堅牢で最適化されており、事前的に検証されている必要があります。患者に実験的記録を提案する際は、一日の早い段階およびセッションの15分前に通知し、適切なタイミングを選択してください。

装置を患者のベッドサイドに配置し、患者用ビデオモニターの電源プラグをコンセントに差し込んで電源を入れ、コンピュータを休止状態から復帰させます。また、スプリッターコネクタを介してデータ収集システムをECOGグリッドに接続します。BCI 2000ソフトウェアを起動してください。

次に、視覚化ソースパラメータを有効にした状態で「set config」を選択し、ビューア上で右クリックしてハイパスフィルターのカットオフ周波数を5 Hzに設定します。なお、この設定は視覚化にのみ影響し、データ収集には影響しません。ビューアでノッチフィルターを有効にした際に信号に大きな変化があるかを確認し、電源ラインノイズによる干渉の有無をチェックしてください。

そのような現象が発生した場合は、未使用のクロストークケーブルなど、電源干渉の原因となるものを除去して軽減を試みてください。必要に応じて、参照電極および接地電極を変更してください。アイトラッカーを使用している場合は、注意散漫や中断を避け、信号干渉の可能性を最小限に抑えるため、メーカー提供のキャリブレーションソフトウェアを使用して校正を行ってください。

室内のテレビ、ラジオ、携帯電話などの電源がすべて切れていることを確認してください。まずベースライン活動を記録することから実験セッションを開始します。被験者にリラックスし、目を開けたまま静止するように指示してください。

次に、GUSBアンプのソースダミー信号処理と刺激提示を開始します。タスクモジュールです。静かな環境で、快適な照度の下で6分間のベースライン活動を記録してください。

次に、70 Hzから110 Hzまで5 Hz刻みのビンで特徴量を抽出し、500 msごとのデータに対して最大エントロピー法を用いるように設定した「data to model」GUIツールを起動します。[build model]を押して、ガウス混合モデルを用いて選択したスペクトル特徴量の確率モデルを構築します。ここで、このタスクで実施する実験タスクについて、患者に正確な指示を与えます。

被験者は、5回の繰り返しのうち、各タスクを1回につき10秒間行います。GUSBアンプソースのSiegfried Sig Pro lavaおよび刺激提示タスクモジュールを起動し、オペレーターで確率モデル、皮質モデル、および2次元および3次元の電極座標をロードするように設定します。オペレーターのスタートボタンを押し、実験を開始してマッピングプロセスを始動させます。

一時停止が押されるか実験ランが終了するまで、生データはイベントマーカーと共に自動的にストリーミングされます。「開始」または「再開」が押されるたびに、各タスク中の以前のデータの上書きを避けるため、新しいファイルが作成されます。Siegfriedソフトウェアはタスクに関連するECOG活動を検出し、それを継続的に更新される皮質の2次元および3次元マップに表示します。各円の大きさと赤さは、実行中のタスクにおけるその重要性を表しています。

セッションの間、スライダーを使用して、決定係数（R squared値）が最大となるように円のスケールを調整できます。患者の行動およびECOG信号を監視し、てんかん発作の疑いがないか注意してください。また、医療スタッフからの指示に直ちに通知し、対応できるよう準備しておいてください。ここでは、代表的な患者の側面のX線写真の例を示します。

黄色の円は、その後の電気皮質刺激マッピングによって特定された、受容言語に関与する電極を示しています。ここに示しているのは、この患者の植込み時に撮影された写真です。これらの図式は、Siegfriedマッピングの結果を二次元の概略レイアウトで示しています。

各ディスクの大きさと赤さは、ベースラインに対する各電極のタスク関与の有意性を表しており、ここでは同じ統計量が患者のMRIからレンダリングされた3次元脳モデルの色にマッピングされています。このビデオでは、研究目的でヒトのECOGデータをどのように記録し、BCI 2000ソフトウェアスイートを用いてリアルタイムで処理できるかを示しました。BCI 2000のリアルタイムアプリケーションの一例が、機能マッピングツールです。

Siegfriedマッピングは、実行するタスク数に応じて10分以内に完了させることができます。予備的な結果は数秒以内に確認でき、安定した結果は、それぞれ10秒かかる操作を5回から10回繰り返すことで得られます。Siegfriedマッピングの利点は、グリッド全体における機能的関連性を一度に確認できる点にあります。対照的に、電気刺激では各電極部位で電流刺激を行う必要があり、大幅に時間がかかるだけでなく、潜在的に発作を誘発する可能性があります。

現在でも電気的マッピングは行っていますが、最初にSiegfriedを使用することで、迅速な予備マップが得られ、プロセスを大幅に短縮できます。将来的には、グリッド設計の改善により、てんかんのモニタリング以外の応用、例えば脳卒中患者における機能回復、義肢の動作制御、さらには発声筋麻痺やALSなどの疾患を持つ方々のコミュニケーション支援などが可能になることが期待されます。

ご視聴ありがとうございました。