방법 논문

Neuroscientific 연구 및 실시간 기능성 두피 매핑을위한 인적 Electrocorticographic (ECoG) 신호를 녹음하기

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DOI:

10.3791/3993

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2012년 6월 26일

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1Wadsworth Center, New York State Department of Health, 2Department of Neurology, Albany Medical College, 3Department of Neurosurgery, Albany Medical College, 4Department of Neurosurgery, Washington University, 5Department of Biomed. Eng., Rensselaer Polytechnic Institute, 6Department of Biomed. Sci., State University of New York at Albany, 7Department of Elec. and Comp. Eng., University of Texas at El Paso

이 논문에서

요약

우리는 침략적 간질 모니터링을 진행하고 인간에서 연구 목적으로 electrocorticographic 신호를 수집하기위한 방법을 제시한다. 우리는 데이터 수집, 신호 처리 및 자극 프레 젠 테이션을 위해 BCI2000 소프트웨어 플랫폼을 사용하는 방법을 보여줍니다. 특히, 우리는 SIGFRIED, 실시간 기능적 뇌 맵핑을위한 BCI2000 기반 도구를 보여줍니다.

초록

인간의 인지, 감각 및 운동 과정에 대한 신경 영상 연구는 보통 뇌전도(EEG), 뇌자도 또는 기능적 자기공명영상과 같은 비침습적 기술을 기반으로 합니다. 이러한 기술들은 본질적으로 시간적 해상도나 공간적 해상도가 낮으며, 낮은 신호 대 잡음비 및/또는 낮은 고주파 민감도로 인해 어려움이 있습니다. 따라서 많은 기저 뇌 과정의 수명이 짧은 시공간적 역동성을 탐구하기에는 최적이지 않습니다. 반면, 침습적 기술인 피질전도(ECoG)는 매우 높은 신호 대 잡음비를 가지고 있으며, EEG보다 아티팩트의 영향이 적고, 높은 공간 및 시간 해상도(즉, 각각 <1 cm/<1 millisecond)를 제공하는 뇌 신호를 제공합니다. ECoG는 뇌 표면의 경막 하에 삽입된 전극을 사용하여 전기적 뇌 신호를 측정하는 방식입니다. 최근 연구들에 따르면 특정 주파수 대역의 ECoG 진폭은 운동 수행 및 계획1, 청각 처리2, 시각-공간 주의력3과 같은 작업 관련 활동에 대한 상당한 정보를 담고 있음이 밝혀졌습니다. 이러한 정보의 대부분은 고감마 범위(약 70-110 Hz)에서 캡처됩니다. 따라서 감마 활동은 국소 피질 기능의 강력하고 일반적인 지표로 제시되어 왔습니다1-5. ECoG는 또한 기능적 연결성을 드러내고 더 세밀한 작업 관련 시공간적 역동성을 분석할 수 있어, 대규모 피질 과정에 대한 우리의 이해를 증진시킬 수 있습니다. 특히 이는 의사소통6 및 제어7을 강화하거나 개선하기 위해 사용자의 의도를 해독하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 발전시키는 데 유용한 것으로 입증되었습니다. 그럼에도 불구하고, 인간의 ECoG 데이터는 침습적 절차와 관련된 위험 및 제한 사항, 그리고 임상 환경의 제약 내에서 기록해야 하는 필요성 때문에 얻기가 어려운 경우가 많습니다. 하지만 뇌전증 초점을 국소화하기 위한 임상 모니터링은 인간 ECoG 데이터를 수집할 수 있는 독특하고 가치 있는 기회를 제공합니다. 본 논문에서는 ECoG 기록 수집 방법을 설명하고, 이러한 신호를 임상 매핑 및 뇌-컴퓨터 인터페이스와 같은 중요한 실시간 응용 분야에 활용하는 방법을 시연합니다. 본 예제에서는 BCI2000 소프트웨어 플랫폼8,9과 뇌 기능의 실시간 매핑을 위한 애플리케이션인 SIGFRIED10 방법을 사용합니다. 이 절차는 임상의가 이후 전기 자극을 통한 기능적 매핑이라는 복잡하고 힘든 과정을 안내하는 데 사용할 수 있는 정보를 제공합니다.

전제 조건 및 계획:

약물 내성 부분 간질 환자는 발작 빈도를 최소화하기 위해 간질 초점을 절제하는 수술의 대상자가 될 수 있습니다. 절제 전, 환자들은 두 가지 목적을 위해 경막하 전극을 이용한 모니터링을 거칩니다. 첫째는 간질 초점을 국소화하는 것이며, 둘째는 절제 시 장기적인 기능 결손을 초래할 수 있는 인접한 주요 뇌 영역(즉, 뇌 기능 영역(eloquent cortex))을 식별하는 것입니다. 전극을 삽입하기 위해 두개골을 여는 개두술이 시행됩니다. 그 후, 대개 경막 아래의 피질 위에 전극 그리드 및/또는 스트립을 배치합니다. 전형적인 그리드는 실리콘에 내장된 직경 4 mm(노출 표면 2.3 mm)의 백금-이리듐 전극 8 x 8 세트로 구성되며, 전극 간 거리는 1 cm입니다. 스트립은 일반적으로 이러한 전극 4개 또는 6개가 단일 선으로 배열된 형태입니다. 이러한 그리드/스트립의 배치 위치는 신경과 전문의와 신경외과 전문의 팀이 이전의 EEG 모니터링, 환자의 뇌 구조적 MRI 및 환자의 병력과 관련된 요인들을 근거로 계획합니다. 5-12일 동안의 연속 기록을 통해 간질 초점을 국소화하며, 삽입된 전극을 통한 전기 자극을 통해 임상의는 뇌 기능 영역을 매핑할 수 있습니다. 모니터링 기간이 끝나면, 전극 제거와 치료적 절제가 하나의 수술 과정으로 함께 수행됩니다.

침습적 모니터링은 주요 임상적 목적 외에도 신경과학 연구를 위한 인간 ECoG 데이터를 획득할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. 잠재적 환자를 연구에 포함할지 여부는 전극의 계획된 위치, 신경심리학적 평가에서의 환자 성적, 그리고 연구 참여가 선택 사항이며 치료와 무관하다는 이해를 바탕으로 한 고지된 동의서에 따라 결정됩니다. 인간 대상자와 관련된 모든 연구와 마찬가지로, 연구 프로토콜은 병원의 기관생명윤리위원회(IRB) 승인을 받아야 합니다. 개별 실험 과제의 수행 여부는 매일 결정되며, 이는 환자의 인내심과 참여 의지에 따라 달라집니다. 수술 후 안면 부종, 일시적 실어증, 빈번한 발작, 발작 후 피로 및 혼란, 그리고 전반적인 통증이나 불편함과 같은 환자의 임상 상태 문제로 인해 일부 또는 모든 실험이 제한될 수 있습니다.

뉴욕주 올버니의 올버니 메디컬 센터 뇌전증 모니터링 유닛에서는 192채널 Nihon-Kohden Neurofax 모니터링 시스템을 사용하여 24시간 내내 임상 모니터링을 실시합니다. 연구 기록은 올버니의 뉴욕주 보건부 Wadsworth 센터와 협력하여 수행됩니다. ECoG 전극의 신호는 분배기 커넥터를 통해 연구 시스템과 임상 시스템으로 동시에 전달됩니다. 임상 시스템과 연구 시스템 간의 간섭을 방지하기 위해 두 시스템은 일반적으로 별도의 접지를 사용합니다. 실제로 임상 시스템의 접지를 위해 경막외 스트립 전극을 이식하는 경우도 있습니다. 연구용 또는 임상용 기록 시스템 모두 접지 전극은 예측된 뇌전증 초점 및 연구 관심 대상인 피질 영역에서 멀리 떨어진 곳으로 선택합니다. 연구 시스템은 8개의 동기화된 16채널 g.USBamp 앰프/디지타이저 유닛(g.tec, Graz, Austria)으로 구성됩니다. 이 장비들은 침습적 기록에 대해 안전 등급을 받았으며 FDA 승인을 받았고, 관심 신호가 발견되는 고주파 영역에서 노이즈 플로어가 매우 낮으며, 사용자 정의 연구 소프트웨어와 통합할 수 있는 SDK가 제공되기 때문에 선택되었습니다. 하이-감마 신호를 정확하게 포착하기 위해 일반적인 EEG 실험이나 많은 임상 모니터링 시스템보다 상당히 높은 1200Hz 샘플링 속도로 신호를 획득합니다. 내장된 저역 통과 필터는 디지타이저가 캡처할 수 있는 범위보다 높은 신호의 앨리어싱을 자동으로 방지합니다. 환자의 시선은 Tobii T-60 시선 추적 시스템(Tobii Tech., Stockholm, Sweden)이 내장된 모니터를 사용하여 추적합니다. 특정 실험의 요구 사항에 따라 조이스틱, 블루투스 Wiimote(Nintendo Co.), 데이터 글로브(5th Dimension Technologies), 키보드, 마이크, 헤드폰 또는 비디오 카메라와 같은 추가 액세서리가 연결됩니다.

데이터 수집, 자극 제시, 다양한 입출력 액세서리와의 동기화, 그리고 실시간 분석 및 시각화는 BCI2000 소프트웨어8,9를 사용하여 수행됩니다. BCI2000은 실시간 생체 신호 데이터 획득, 처리 및 피드백을 위해 자유롭게 사용할 수 있는 범용 소프트웨어 시스템입니다. 이 시스템은 다양한 목적에 맞게 유연하게 구성할 수 있는 일련의 사전 구축 모듈을 포함하고 있으며, 연구자가 C++, MATLAB 또는 Python으로 작성한 코드를 통해 확장할 수 있습니다. BCI2000은 네트워크 가능 프로토콜을 통해 서로 통신하는 네 가지 모듈로 구성됩니다. 즉, 다양한 제조사의 19가지 하드웨어 시스템 중 하나로부터 뇌 신호 획득을 처리하는 소스(Source) 모듈, 관련 ECoG 특징을 추출하여 출력 신호로 변환하는 신호 처리(Signal Processing) 모듈, 피험자에게 자극과 피드백을 전달하는 애플리케이션(Application) 모듈, 그리고 연구자에게 그래픽 인터페이스를 제공하는 오퍼레이터(Operator) 모듈입니다.

특정 환자를 대상으로 여러 가지 서로 다른 실험을 수행할 수 있습니다. 실험의 우선순위는 해당 환자의 전극 위치에 따라 결정됩니다. 일반적으로 당사는 실시간으로 중요한 과제 관련 활동을 감지하고 표시하는 SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection) 매핑 방법을 사용하여 실험을 시작합니다. 이를 통해 얻은 기능 지도를 바탕으로 후속 실험 프로토콜을 더욱 정교하게 조정할 수 있으며, 이는 전통적인 전기피질자극(ECS) 매핑의 유용한 시작점이 될 수도 있습니다.

ECS 매핑은 절제술의 임상적 결과를 예측하는 골드 표준으로 남아 있지만, ECS 매핑 과정은 시간이 많이 소요되며 방전 또는 발작과 같은 다른 문제들이 발생할 수 있습니다. 따라서 수동적 기능 매핑 기술은 웅변성 피질(eloquent cortex) 위치에 대한 일차적인 추정치를 제공하는 데 유용하며, 이후 ECS를 통해 이를 확인하고 정밀하게 조정할 수 있습니다. 본 연구의 수동적 SIGFRIED 매핑 기술을 통한 결과는 ECS 매핑을 사용하여 도출된 결과와 상당한 일치도를 보이는 것으로 나타났습니다10.

본 논문에서 설명하는 프로토콜은 인간 ECoG 데이터 수집을 위한 일반적인 방법론을 수립하며, 이어서 BCI2000 소프트웨어 플랫폼을 사용하여 실험을 시작하는 방법을 설명합니다. 마지막으로, 구체적인 예시로서 BCI2000 기반의 SIGFRIED 시스템을 이용하여 수동적 기능 매핑(passive functional mapping)을 수행하는 방법을 기술합니다.

프로토콜

1. 전극 현지화

  1. 슬라이스 당 256 X 256 픽셀,보기의 전체 분야, 아니 보간, 1 밀리미터 슬라이스 폭 선호 화살 크로스 - 섹션 : 환자의 머리 사전 수술 T1-가중 구조적 MRI로 (1.5T 또는 3T)를 수집합니다.
  2. 격자 및 스트립의 외과 이식을 관찰. 이식 격자 및 스트립의 위치에 디지털 현장에서의 전극의 사진, 그리고 신경 외과 의사의 노트를 수집합니다.
  3. 고해상도의 수술 두개골 X 선 이미지 및 뇌 중부 표준시 스캔 (1 밀리미터 슬라이스 폭, 피부에 피부, 아니 각도)를 수집합니다.
  4. 포스트 그리드 주입 중부 표준시 이미지로 미리 수술 MRI 및 공동 등록을 사용하여 환자의 두뇌의 3 차원 피질 모델을 만듭니다. 우리는이 목적을 위해 카레 소프트웨어 패키지를 사용하고, 3D 피질 구조를 내보내고 전극은 MATLAB 형식으로 조정합니다. MATLAB에서, 우리는 두뇌에 매핑 전극을 보여주는 동영상을 내보낼 수 있습니다. 우리는 또한 거든AP는 전극은 자동 Talairach 아틀라스를 사용하여 표준 Brodmann 영역을 조정합니다.
  5. 3D 모델, X-레이 이미지, 사진과 노트의 정보를 검토합니다. 전극, 그리고 병원은 기술과 함께 작동 전극이 정확히 번호에 따라 스플리터 상자에 패치되는 ....

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토론

연구 ECoG 데이터를 수집하는 것은 매우 멀티 - 징계 팀 임상 신경학, 신경 외과, 기초 신경 과학, 컴퓨터 과학 및 전기 공학 문제 해결과 함께, 임상의와 연구자 간의 긴밀한 협력이 필요합니다. 보상 ECoG 신호와 높은 감마 주파수 범위 (70-110Hz)에서 특정 amplitudes에서 매우 가치가있다는 것입니다. 그들은 감각,인지의 신경 상호로 과학적인 통찰력을 제공하고 모터는 높은 공간과 시간적 해상도 모두에서 1-4 처리하지만, ECoG의 뇌 - 컴퓨터 인터페이스 연구는 또한 neuroprosthetic을위한 기반으로 메소드의 위대한 약속을 보여준 라구요? 응용 6,7,10.

오픈 소스 BCI2000 소프트웨어 플랫폼 8,9는 녹음이 이러한 모든 연구 및 엔지니어링 노력, 실시간으로 데이터를 ECoG 및 처리를위한 유연한 툴킷을 제공합니다. BCI20을 바탕으로 한 특정 리얼 타임 어플 리케이션00, S.......

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공개 사항

관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.

감사의 글

이 작품은 미국 육군 연구 사무실 (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS))과 NIH / NIBIB (EB006356 (GS)와 EB00856 (가 지원하는 보조금에 의해 가능하게되었다 JRW와 GS)). 저자 SigfriedSigProcLAVA 모듈에 대해 숀 오스틴 감사 및 관련 기술 지원 그리핀 Milsap.

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재료

  1. 8 X 16 채널 g.USBamp 증폭기 ( http://gtec.at )
  2. 2 X 64 채널 브레이크 아웃 박스 (스플리터 헤드 상자)
  3. 스플리터의 임상 시스템 2 X 연결 케이블
  4. 스플리터 넷이 g.USBamps ~ 2 X 연결 케이블
  5. 네 g.USBamps 2 X 4 웨이 전원 어댑터
  6. 네 g.USBamps를 동기화하기 위해 2 X 4 - 웨이 동기화 어댑터
  7. 1 X 동기화 케이블 네 가지 g.USBamps 두 세트를 동기화하는 방법
  8. 1 X 잠재-균등화 클램프 + 케이블 g.USBamp 용
  9. 18 X Touchproof 점퍼 케이블
  10. 2 X 4 웨이 USB 2.0 허브
  11. 파워 스트립
  12. 노트북 또는 데스크탑 컴퓨터 (섹션 2.1 참조)
  13. 위의 모든 보안, 움직일 수있는 카트
  14. 환자를위한 Eyetracker (또는 일반 LCD 모니터)
  15. 환자 모니터 움직일 수있는 트레이 테이블
  16. 환자의 행동 반응에 대한 기타 주변 기기 (조이스틱 등)
  17. BCI2000 소프트웨어
  18. CURRY 소프트웨어
  19. MATLAB 소프트웨어

참고문헌

  1. Miller, K. J. Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement. Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).
  2. Chang, E. F. Categorical speech representation in human superior temporal gyrus. Nature Neuroscience. 13

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재인쇄 및 허가

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태그

ECoGBCI2000Siegfried

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