Name: Neuroscientific 연구 및 실시간 기능성 두피 매핑을위한 인적 Electrocorticographic (ECoG) 신호를 녹음하기 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-06-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: 학습하세요 BCI2000 소프트웨어를 활용한 전기피질도법 신호 수집 및 실시간 기능성 뇌 매핑 방법을. 이 기술은 뇌전증 환자의 고품질 뇌 활동 데이터를 분석하여 인지 과제 수행 시 활성화된 피질 영역을 식별합니다.

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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.

1. 전극 현지화 <ol><li> 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. </li><li> 격자 및 스트립의 외과 이식을 관찰. 이식 격자 및 스트립의 위치에 디지털 현장에서의 전극의 사진, 그리고 신경 외과 의사의 노트를 수집합니다. </li><li> 고해상도의 수술 두개골 X 선 이미지 및 뇌 중부 표준시 스캔 (1 밀리미터 슬라이스 폭, 피부에 피부, 아니 각도)를 수집합니다. </li><li> 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. </li><li> 3D 모델, X-레이 이미지, 사진과 노트의 정보를 검토합니다. 전극, 그리고 병원은 기술과 함께 작동 전극이 정확히 번호에 따라 스플리터 상자에 패치되는 것을 보장하기위한 번호 체계를 마무리합니다. 또한 전극의 위치를​​ 명확하게 중복없이 구분할 수 있도록 2 차원에서 전극을하려위한 도식 레이아웃을 만듭니다. 당신이 출마 (4 항 참조) SIGFRIED 될 경우, ElectrodeLocations 매개 변수에 필요한 형식으로, BCI2000 파라미터 조각으로 이러한 2 차원 좌표를 저장합니다. 마지막으로, electrocorticographically 될 가능성이 두 전극 위치 선택 &quot;침묵&quot;을 즉, 그들은 (패치 파란색 소켓에 대한 참조에 의해 g.USBamps를 준비, 초기 지상 및 참조로 사용하기 위해 추정된 웅변 피질 근처 없습니다 및 접지각 단위의 극단적인 오른쪽에있는 노란색 소켓,)로 변경합니다. </li></ol> 2. 하드웨어 및 소프트웨어 설치 <ol><li> 컴퓨터 사양이 실험의 처리 요구 사항 처리에 적합한지 확인합니다. 멀티 코어 프로세서는 가능성이 실시간 데이터 수집 및 처리, 비디오 녹화, 기타 필요한 작업의 요구를 수용하기 위해 필요합니다. 1,200 Hz에서에서 128 채널의 녹화 및 실시간 분석을 위해서는 RAM을 4GB의와 함께 3 GHz의 쿼드 코어 시스템을 사용합니다. 앰프는 그러한 외부 드라이브 및 카메라 (이것은 시스템의 장치 관리자를 통해 확인할 수있다)와 같은 다른 대역폭 굶주린 주변 기기에서 사용하는 컨트롤러 (들)와는 전용 USB 컨트롤러에 연결되어 있어야합니다. 마지막으로, 충분한 디스크 실험 데이터의 초당 5메가바이트를 저장할 수있는 공간 및 아카이빙 및 백업을위한 제도가 있어야합니다. </li><li> 연구 장비 (앰프, 컴퓨터, 실험자의 화면, keybo를 설정신속 벽에 연결하는 유일한 단일 전원 코드와 함께 환자의 방에서 나갔다가 다시 굴려 수있는 단일 트롤리, 대한 ARD, 스피커, 마이크 및 카메라). 방에서 방으로 컴퓨터를 이동하려면 뽑기 전에 최대 절전 기능을 사용하십시오. 환자의 비디오 화면은 별도의 트레이 테이블 또는 모니터 암에 있어야합니다. 환자가 발작하는 경향임을 고려하면, 의료진은 환자에 대한 즉각적인 액세스해야하는 경우 모든 장비가 신속하게 비켜 굴려 수 있는지 확인합니다. 장비는 환자의 방에 사용 전후 소독제 잎사귀와 함께 소독하여야한다. </li><li> 환자와 시간 제한, 모든 절차가 건장하고 그 시간을 최대한 활용하도록 최적화되어 있어야합니다. 이와 관련, BCI2000의 유연성과 견고는 귀중한 특성입니다. 실험 버튼을 누르면 실행시킬 수 있는지 확인하십시오. BCI2000의 경우 오른쪽의 조합을 실행하기 위해 배치 파일을 사용하여필요한 명령줄 옵션과 자동 BCI2000 모듈. 교환 및 gUSBampSource 모듈은 특정 실험에 대한 적절한 SignalProcessing 및 응용 모듈과 함께 필요합니다. 모든 필수 매개 변수 파일 등의 전극과 그들의 이름과 위치의 수를 본 환자를 구체적으로 어떤, 자동 포함하여로드되는 것을 보장하기 위해 BCI2000의 운영자 스크립팅 기능을 사용합니다. 이러한 자동화의 목적은 실험자에 의해 수동 단계의 수를, 따라서 오류 기회를 최소화하는 것입니다. 소프트웨어 및 해당 매개 변수가 최소한 하나 또는 이주 주입하기 전에 (아마 뇌파 제목) 종결되고 테스트한해야합니다. 또한 &quot;건조&quot;가 모든 새로운 환자 특정 매개 변수를 포함하여, 첫 번째 실험 세션 전날를 실행 수행할 수 매우 좋습니다. </li></ol> 3. 실험 세션 설정 <ol><li> 귀하의 순간을 선택하세요, 환자에게 실험적인 레코딩을 제안들이 일찍 눈치주고, 그리고 다시 시작 15 분 전에. 주변 방문자, 식사, 낮잠, 의료 절차 및 환자의 신체적, 정서적 및인지 상태를 작동합니다. 그것은 레코딩의 타이밍과 시간을 최적화에 도움, 바닥에 의료 인력과 교감을 확립하는 것이 중요합니다. </li><li> 장소로 휠 장비, 전원 콘센트에 연결, 주제의 비디오 화면을 켜고 컴퓨터에 연결하고 컴퓨터를 취소 겨울잠. </li><li> BCI2000을 시작합니다. VisualizeSource 매개 변수가 활성을 통해 구성 설정을 누르십시오. 신호 뷰어는 ECoG 신호 품질을 평가셔서, 열립니다. 뷰어에서 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 5 Hz에서의 컷오프에 하이 패스 필터를 설정합니다. (이 필터 설정은 시각에 영향을, 그리고 데이터의 수집되지 않습니다.) </li><li> 전력선 잡음의 간섭 확인 : (50 Hz에서 60 Hz에서에서, 보는 사람에 노치 필터를 활성화합니까자네가 어떤 국가에 따라 다름) 신호에 큰 차이를 만든다고? 그렇다면, 사용하지 않은 크로스 얘기 케이블을 제거하거나 전원 간섭의 다른 소스를 식별하고 제거하여이 작업을 줄이기 위해 시도합니다. 참조 및 지상 필요한 경우에 사용되는 전극을 변경합니다. </li><li> 당신이 눈을 추적기를 사용하는 경우 제조 업체에서 제공한 보정 소프트웨어를 사용하여 그것을 보정. BCI2000 소스 모듈이 포함되어 EyetrackerLogger 확장자로 컴파일해야하고, 함께 시작되어야합니다 - LogEyetracker = 1 플래그가 안구 추적 데이터 ECoG 신호와 동기화 인수받을 수 있도록 활성화. </li><li> 산만하고 중단을 방지하려면 가능한 신호 간섭을 최소화하기 위해, 텔레비전, 라디오, 휴대폰 전원이 꺼져 있는지 확인합니다. </li><li> 당신이 실행하려고 실험을 위해 환자에게 정확한 지침을 줘. 작업을 보여주 파워 포인트 슬라이드를 준비, 주제의 과제에 따라 제안하는 자세 등이 유용합니다. </lI&gt; <li> 실험을 시작하려면 연산자에서 시작을 누릅니다. 당신 누르면 때마다 시작하거나 재개, 새 파일은 이전 데이터를 덮어 쓰지 않도록 만들어되며, 파일은 모든 매개 변수 값의 사본과 함께 초기화됩니다. 당신이 중지 또는 실험 실행 완료를 누를 때까지 원시 데이터는 다음 이벤트 마커와 함께 파일에 자동으로 스트리밍됩니다. </li><li> 세션 동안 환자의 행동과 의심되는 발작에 대한 ECoG 신호를 모니터링, 의료 직원의 지시에 응답할 준비. </li></ol> 4. 예 실험 세션 : BCI2000와 SIGFRIED 임상 매핑 <ol><li> 준비 : 세션이 시작하기 전에 SIGFRIED이 모델을 구축하는 데 사용할 신호 처리 설정이 들어 model.ini 파일을 준비하셔야하며, PRM 파일 (또는 별도의 PRM의 파편.) 그 BCI2000 매개 변수를 포함하는. SigfriedSigProc 모듈실시간 시각화를 위해 사용합니다. 두 개의 주요 매개 변수는 서로 다른 태스크가 어떤 조건 하에서 매핑되는 지정이 환자의 특정 전극, 그리고 ElectrodeCondition을 위해 선택한 2-D 레이아웃을 지정 ElectrodeLocations 있습니다. 이 예제에서, 우리는 환자에게 지시를 통신하기위한 간단한 StimulusPresentation 모듈을 사용하고 있으므로 자극 매개 변수는 또한 우리가 실행하려는 작업에 적응해야합니다. </li><li> 기준 단계 : 1200Hz의 모든 격자 및 스트립에서 샘플 ECoG 활동으로 구성된 gUSBampSource, DummySignalProcessing 및 StimulusPresentationTask 모듈을 시작, 0.1 Hz에서에서 하이 패스 - 여과. 휴식과 열린 눈으로 움직이지 남아 주제를 지시한다. 조용한 환경에서 편안한 조명 아래에서 기본적인 활동의 기록은 6 분. </li><li> 모델링 단계 : data2model_gui 도구를 시작합니다 5 Hz에서 제품 용기 천을에서 특징을 추출데이터의 모든 500 MS에 대해 최대 엔트로피 방법을 사용 톰 70-110 Hz에서. 가우스 섞어 사용하여 선택된 스펙트럼 기능의 확률적 모델을 구축하기위한 모델을 구축 누르십시오. </li><li> 매핑 단계 : gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA 및 StimulusPresentationTask 모듈을 시작하고 확률적 모델을로드하려는 연산자, 대뇌 피질 모델, 2 개의 구성 - 3 차원 전극 좌표. 제목을 지시하면 매핑 프로세스를 시작합니다. 이 과정에서 주제는 5 번 반복 각각에 한 번에 10 초 동안 각 작업을 수행합니다. 그리고 설득력 피질의 3 차원지도 - 각 작업 중에 SIGFRIED은 작업 관련 ECoG에 지속적으로 업데이 트 2에 제시되어 활동을 감지합니다. 2 차원지도에서 각 원의 크기와 빨갛게이 특정 작업에서의 중요성을 나타냅니다. 특히, 각 원의 크기는 감마 바의 총 신호 분산의 분율에 비례작업에 의해 집결되는 차. 이 통계는 결정 계수, 또는 R 2로 알려져있다. 그것은 범위 (0,1)에 있으며 현재 설정에 0.1의 가치는 일반적으로 중요한 것으로 간주됩니다. 최대 R 2 값을 동그라미의 크기 조절은 슬라이더를 (그림 1C 참조)를 사용하여 제어할 수 있습니다. 3 차원지도에서 R 2 값은 오히려 원형 크기와는 다른 색상으로 매핑됩니다. </li></ol> 5. 대표 결과 그림 1은 한 환자에서 한 SIGFRIED 매핑 세션에서 대표적인 결과를 보여줍니다. 환자는 이차 일반화와 왼쪽 측두엽 증상도 아냐 현지화 관련 간질을 가진 28 세의 오른손잡이 여자였다. 120 electrocorticographic 전극은 왼쪽 전두엽, 두정 골과 측두엽 피질을 통해 subdurally 심어했다. 측면 X 선 (패널)과 내부 첩자 사진 (패널 B)가 묘사40 전극, 68 전극과 하나가 더 높은 밀도의 시간적 그리드, 세 스트립 4 전극 각각 한 정면 격자의 구성. 기록 발작에서 신경과 간질 foci를 현지하고 설득력 언어 피질을 살려주는 반면 왼쪽 측두엽 외과 절제술을 수행하기 위해 필요하다고 판단. 이것은 성공적으로 수행 되었음 : 8개월 포스트 절제술에서 환자는 발작이 무료로 및 신경학적인 결손없이 평가되었습니다. 수동 매핑 절차는 듣기 작업하는 동안 작업 관련 변경 사항을 대조하여 언어 기능에 관여 확인된 피질을 SIGFRIED. 전극의 레이아웃은 분명하게 2 차원 인터페이스 (패널 C), 그리고 3 차원 해부학적인 몸의 구조 - 올바른 인터페이스 (패널 D) : 결과는 두 개의 인터페이스로 표시되었습니다. 왼쪽부터 색조 대 기준 (색조)으로 듣기, 구어 대 기준 (음성)으로 듣기와 구어 VS LIS를 듣고 바로 판넬 대비로색조 (언어)로 tening. 이 중 마지막은 수용 언어에 특정한 청각 기능의 대략적인 그림으로 포함되어 있습니다. 음성 상태의 결과는 (패널에 노란색 동그라미로 표시)이 환자의 수용 언어 기능을 내장 컴퓨터 시스템 중단되는 위치와 좋은 계약을 보여주었다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/3993/3993fig1.jpg" /> 그림 1. 한명 환자에서 예제 결과입니다. 패널은 가로 X 선을 보여줍니다. 노란색 동그라미는 이후 electrocortical 자극 매핑으로 식별 수용 언어에 연루 전극을 표시합니다. 패널 B는 주입하는 동안 찍은 사진입니다. 패널 C는 배선 2 차원 레이아웃에서 SIGFRIED 매핑 결과를 보여줍니다 : 각 디스크의 크기와 빨갛게은 기준선에 상대적인 작업에서 각 전극의 참여의 중요성을 나타냅니다. 패널 D에서 동일한 통계는 입체적인 두뇌 모델 rende에 색상에 매핑됩니다환자의 MRI에서 빨간색.

<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>
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</ol>

관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.

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...

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

neuroscientific 연구 및 실시간 기능성 두피 매핑을위한 인적 electrocorticographic (ecog) 신호를 녹음하기

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

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 &lt;1 cm/&lt;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.

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.

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

인간의 인지, 감각 및 운동 과정에 대한 신경영상 연구는 일반적으로 뇌파(EEG)와 같은 비침습적 기술을 기반으로 하며, ...

본 절차의 목적은 임상 뇌전증 모니터링을 받는 환자로부터 연구 수준의 뇌전도(electro cortico graphic) 데이터를 얻고, 이를 사용하여 실시간 기능 매핑을 수행하는 것입니다. 이를 위해 먼저 임상 모니터링을 저해하거나 중단시키지 않고 임상 뇌전증 모니터링 시스템에 연결할 수 있는 연구 수준의 신호 획득 시스템을 구축합니다. 기능 매핑의 두 번째 단계는 환자가 깨어 있는 상태에서 조용히 휴식을 취하는 동안 기저 신호를 기록하는 것입니다.다음으로, 고감마 주파수 범위의 뇌 활동을 나타내는 특징을 추출하기 위해 신호를 처리하며, 이를 사용하여 환자의 기저 뇌 상태 모델을 구축합니다. 마지막 단계에서는 환자가 단순한 인지 또는 운동 과제를 수행하는 동안 Siegfried 시스템의 신규성 검출 알고리즘이 고감마 활동이 기저 상태와 유의미하게 다른 피질 영역을 강조하도록 합니다. 최종적으로, 각 전극 위치에서의 결정 계수를 통해 과제 수행 중에 유의미한 활성화를 보이는 피질 영역을 확인할 수 있습니다.그 후 전기 피질 자극 매핑을 통해 이들의 관여도를 확인하며, 뇌파 기록 결과는 보완적인 정보를 제공함으로써 자극 매핑 절차를 더 쉽고 효율적으로 만들어 줍니다. 전기피질촬영(Electrocorticography, ECOG)은 경막하 그리드 및 스트립 전극을 사용하여 환자의 평상시 발작을 기록하는 것으로 정의됩니다. 이러한 전극을 한 번에 하나 또는 두 개씩 전기적으로 자극하여 운동 기능이나 언어 기능과 같은 특정 기능의 방해 여부를 확인하며, 이를 통해 절제 시 보존해야 할 뇌의 기능적 영역(eloquent cortex) 지도를 작성합니다.ECOG는 EEG나 기능적 MRI(fMRI)와 같은 다른 측정 기술에서는 찾아볼 수 없는 높은 시간 해상도와 공간 해상도를 동시에 갖추고 있습니다. 특히, 광범위한 뇌 기능의 매우 유용한 상관 관계인 고주파 감마 대역의 뇌 전기 활동을 정밀하게 기록할 수 있는 유일한 방법입니다. ECOG는 그리드를 뇌 표면에 직접 배치하는 침습적 기록 기술이므로 수술이 필요하며, 수술이 필요한 임상 상황에서만 시행됩니다.환자들은 일반적으로 임상의가 발작 초점을 국소화하는 데 필요한 충분한 정보를 얻을 때까지 약 일주일 동안 뇌전증 모니터링 유닛에 머뭅니다. 환자가 동의하는 경우 연구에 참여할 수 있으며, 임상적 모니터링을 방해하지 않는 범위 내에서 이는 연구자가 실제 작동 중인 인간의 뇌를 기록할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. 이 영상에서는 수술 전 MRI와 수술 후 CT를 공동 등록하여 ECoG 전극의 위치를 국소화하는 방법을 시연하겠습니다. 또한, ECoG 신호의 감마 특징에 기반한 새로운 형태의 기능적 매핑을 시연하겠습니다. 수술 전, 슬라이스당 256 x 256 픽셀, 전체 시야, 보간 없음, 1 mm 슬라이스 두께 및 가급적 시상면 슬라이스로 설정하여 환자 머리의 수술 전 T1 가중 구조적 MRI를 획득하십시오.그 후 수술 당일에 그리드 및 스트립 전극의 외과적 삽입 과정을 관찰하고, 제자리에 배치된 전극의 디지털 사진과 삽입 위치에 관한 신경외과 의사의 기록을 수집합니다. 수술 후에는 수술 후 두개골 X선 영상과 뇌 CT 스캔 영상을 확보하며, CT 영상은 피부에서 피부까지 고해상도로 1 mm 슬라이스 두께 및 각도 없이 획득해야 합니다. 다음으로, curry 소프트웨어 패키지를 사용하여 수술 전 MRI로부터 환자 뇌의 3차원 피질 모델을 생성한 후, 이를 그리드 삽입 후 CT 영상에 공동 등록합니다.그런 다음 각 전극 위치를 순서대로 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 'export cursor to localize'를 선택합니다. 전극의 3D 좌표를 등록하려면 피험자의 3D 피질 구조와 전극 좌표를 MATLAB 형식으로 내보냅니다. 그 다음, 뇌 표면에 매핑된 전극을 보여주는 동영상을 생성하여 내보냅니다.또한, 자동 랙 아틀라스를 사용하여 전극 좌표를 표준 브로드만 영역(broadman areas)에 매핑하십시오. 3D 모델, X선 이미지, 사진 및 기록의 정보를 검토하십시오. 전극의 번호 부여 체계를 확정하고, 병원 기술진과 협력하여 전극이 스플리터 박스에 제대로 연결되었는지 확인하십시오.이 번호를 정확히 따르십시오. 또한, 모든 전극 위치가 겹치지 않고 명확하게 구별될 수 있도록 전극 플로싱(flossing)을 위한 도식적 레이아웃을 작성하십시오. 추정되는 웅변성 피질(eloquent cortex)에서 벗어나 전기피질도상(electro cortico graphically)으로 침묵할 가능성이 높은 두 곳의 전극 위치를 선택하여 초기 접지와 참조 전극으로 사용하십시오.다음으로, GUSB 앰프를 연결된 스택으로 준비합니다. 하나를 선택하여 동기화합니다. 이를 마스터로 연결하고, 마스터의 sink out을 다른 S sink in에 연결한 후 BCI 2000의 일련번호를 마스터에 입력합니다.장치 ID 마스터 파라미터입니다. 스택의 맨 오른쪽에 있는 파란색 기준 소켓들을 서로 연결하고, 노란색 접지 소켓들을 서로 연결하십시오. 세션이 시작되기 전, 선택한 기준선을 파란색에, 접지선을 노란색에 패치하는 곳이 여기입니다.Siegfried 소프트웨어가 모델을 구축하는 데 사용할 신호 처리 설정이 포함된 모델 .inni 파일을 준비하십시오. 또한 BCI 2000 시스템이 데이터 수집 및 실시간 시각화에 사용할 파라미터가 포함된 .PRM 파일 또는 개별 .PRM 프래그먼트를 준비하십시오. Siegfried의 두 가지 핵심 파라미터는 환자의 전극에 대해 선택된 2D 레이아웃을 지정하는 전극 위치와 어떤 작업이 어떤 조건 하에 매핑될지를 지정하는 전극 조건입니다.환자와 함께할 수 있는 시간이 제한적이라는 점에 유의하십시오. 따라서 모든 절차는 견고하고 최적화되어야 하며, 사전에 충분히 검증되어야 합니다. 환자에게 실험적 기록을 제안하기에 적절한 시점을 선택하되, 당일 이른 시간과 세션 시작 15분 전에 미리 고지하십시오.장비를 환자의 침대 옆에 배치한 후, 환자용 비디오 모니터의 전원을 연결하고 켭니다. 또한 컴퓨터의 절전 모드를 해제하십시오. 데이터 수집 시스템을 스플리터 커넥터를 통해 ECOG 그리드에 연결합니다. BCI 2000 소프트웨어를 실행하십시오.그 다음, 소스 파라미터 시각화가 활성화된 상태에서 'set config'를 선택하고 뷰어에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 하이패스 필터의 컷오프 주파수를 5 Hz로 설정하십시오. 이때, 이 설정은 시각화에만 영향을 미치며 데이터 수집에는 영향을 주지 않는다는 점에 유의하십시오. 뷰어에서 노치 필터를 활성화했을 때 신호에 큰 차이가 발생하는지 확인하여 60 Hz 전원 노이즈로 인한 간섭이 있는지 점검하십시오.만약 그렇다면, 사용하지 않는 크로스토크 케이블과 같이 전원 간섭을 일으키는 요인들을 제거하여 이를 줄여보십시오. 필요한 경우 참조 전극과 접지 전극을 변경하십시오. 아이트래커를 사용하는 경우, 주의 분산 및 중단을 방지하고 가능한 신호 간섭을 최소화하기 위해 제조사에서 제공하는 보정 소프트웨어를 사용하여 보정하십시오.실내의 TV, 라디오 및 휴대전화가 모두 꺼져 있는지 확인하십시오. 먼저 기저선 활동(baseline activity)을 기록하여 실험 세션을 시작하십시오. 피험자에게 긴장을 풀고 눈을 뜬 상태로 움직이지 말고 가만히 있도록 안내하십시오.그런 다음 GUSB amp 소스 더미 신호 처리 및 자극 제시를 시작합니다. 작업 모듈입니다. 조용한 환경에서 편안한 조명 하에 6분 동안 기저선 활성도를 기록합니다.다음으로, 70~110 hertz 범위에서 5 hertz 빈으로 특징을 추출하도록 설정된 data to model GUI 툴을 실행하며, 데이터 500 milliseconds마다 최대 엔트로피법(maximum entropy method)을 사용합니다. build model을 눌러 가우시안 혼합 모델(gaussian mixtures)을 이용해 선택한 스펙트럼 특징의 확률 모델을 구축합니다. 이제 환자에게 이 과정에서 수행할 실험 과제에 대해 정확한 지침을 전달하십시오.피험자는 5회 반복하여 각 과제를 한 번에 10초 동안 수행합니다. GUSB 앰프 소스 Siegfried Sig Pro lava 및 자극 제시 과제 모듈을 시작하고, 운영자 설정을 통해 확률 모델, 피질 모델, 그리고 2차원 및 3차원 전극 좌표를 로드하도록 구성합니다. 운영자의 시작 버튼을 눌러 실험을 시작하고 매핑 프로세스를 개시합니다.정지 버튼을 누르거나 실험 실행이 종료될 때까지 raw data가 이벤트 마커와 함께 자동으로 스트리밍되며, 시작 또는 재개 버튼을 누를 때마다 각 태스크 동안 이전 데이터가 덮어씌워지는 것을 방지하기 위해 새 파일이 생성됩니다. Siegfried 소프트웨어는 태스크와 관련된 ECOG 활동을 감지하며, 이는 지속적으로 업데이트되는 피질의 2차원 및 3차원 맵으로 표시됩니다. 각 원의 크기와 붉은 정도는 진행 중인 태스크에서의 중요도를 나타냅니다.세션 전반에 걸쳐 슬라이더를 사용하여 원의 크기를 최대 R squared 값에 맞게 조정할 수 있습니다. 환자의 행동과 ECOG 신호를 모니터링하여 발작 의심 징후가 있는지 확인하고, 의료진의 지시에 즉시 알리고 대응할 수 있도록 준비하십시오. 여기 대표 환자의 측면 X선 촬영 예시가 있습니다.노란색 원은 이후 전기 피질 자극 매핑을 통해 수용성 언어와 관련이 있는 것으로 확인된 전극을 표시합니다. 여기에는 이 환자의 임플란트 수술 중에 촬영한 사진이 나와 있습니다. 이 도식은 Siegfried 매핑 결과를 2차원 레이아웃으로 보여줍니다.각 디스크의 크기와 붉은 정도는 기저치 대비 작업 수행 시 각 전극의 관여도의 유의성을 나타내며, 여기서는 동일한 통계치가 환자의 MRI로 렌더링된 3차원 뇌 모델의 색상으로 매핑되어 있습니다. 본 영상에서는 연구 목적으로 인간의 ECOG 데이터를 기록하고 BCI 2000 소프트웨어 제품군을 사용하여 실시간으로 처리하는 방법을 시연하였습니다. BCI 2000 실시간 애플리케이션의 한 예는 기능적 매핑 도구입니다.Siegfried 매핑은 수행되는 작업 수에 따라 10분 이내에 완료할 수 있습니다. 예비 결과는 수초 이내에 확인할 수 있으며, 각 10초가 소요되는 과정을 5~10회 반복하면 안정적인 결과를 얻을 수 있습니다. Siegfried 매핑의 장점은 전체 그리드에 걸쳐 기능적 관련성을 동시에 파악할 수 있다는 점인 반면, 전기 자극은 각 전극 부위마다 전류 자극이 필요하여 시간이 훨씬 더 많이 소요되며 잠재적으로 발작을 유발할 수 있습니다.여전히 전기적 매핑을 수행하지만, 초기 단계에서 Siegfried를 사용하면 처리 과정을 크게 단축하는 신속한 예비 매핑 결과를 얻을 수 있습니다. 향후 그리드 설계가 개선된다면 뇌전증 모니터링 외에도 뇌졸중 환자의 기능 회복, 의수 및 의족의 움직임 제어, 그리고 성대 근육 마비나 ALS 유형의 질환을 가진 환자의 의사소통 강화와 같은 분야로 응용 범위가 확대될 수 있을 것으로 기대됩니다.시청해 주셔서 감사합니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

출처: Fehér, K. D. et. al., 경두개 교류 자극(tACS) 중 동시 뇌파 기록. J. Vis. 경험. (2016년)이 비디오는 뇌 활동을 기록하면서 리드미컬한 전기 신호를 뇌에 전달하기 위한 동시 경두개 교류 자극(tACS) 및 뇌파 검사(EEG) 실험의 설정을 보여줍니다. 이 절차는 전극 분리를 보장하고 정확한 자극과 깨끗한 EEG 신호를 위해 겔 브리징을 방지합니다.

인간의 뇌 활동 기록을 위한 동시 경두개 교류 자극 및 뇌파 검사 구축

이 비디오는 주의력 기반 시각 자극 테스트 중에 뇌파검사(EEG) 및 뇌심부 자극(DBS) 전극을 사용하여 피질 및 피질하 신경 활동을 기록하는 과정을 보여줍니다.

전극 시스템을 사용하여 피질 및 피질하 신경 활동을 기록하다

우리는 여기서 인간의 간질 대뇌 피질 조직의 다중 전극 배열 녹음을 수행하는 방법에 대해 설명합니다. 간기 및 발작 사건의 간질 조직 절제술, 슬라이스 준비 및 다중 전극 배열 기록은 구체적으로 입증된다.

인간의 간질 수술 후 두피 조직의 다중 전극 어레이 레코딩

본 프로토콜은 국소장전위와 비침습적 뇌피질 활동(EEG)의 신경생리학적 기록을 동시에 통해 기저핵의 인지적-정서적 기능을 평가하는 것을 목표로 합니다. 이 절차는 감정적 의미를 지닌 언어 자극을 포함하는 패러다임 또는 인지 통제를 포함하는 플랭커 작업(Flanker task)의 사용에 의해 예시됩니다.

인간의 결합 침략 피질과인지의 평가를위한 비 침습적 표면 신경 생리학 녹음과 정서적 기능

표준 뇌파 분석 기술은 신경계 기능에 대한 제한된 통찰력을 제공합니다. 피질 연결의 통계 모델을 도출하면 기본 네트워크 역학을 조사할 수 있는 훨씬 더 큰 기능을 제공합니다. 향상된 기능 평가는 신경계 질병에 있는 진단, 예후 및 결과 예측을 위한 새로운 가능성을 엽니다.

비침습적 뇌전도를 이용한 피질 연결의 통계적 모델링

여기서 Ti3C2 MXene 마이크로 전극 어레이를 제조하고 생체 내 신경 기록용으로 활용하는 방법을 설명합니다.

생체 내 신경 녹음을 위한 Ti3C2 MXene 마이크로 전극 어레이 의 제조

이 문서에서는 동시 EEG 및 기능성 자기 공명 영상 동안 양질의 뇌전도(EEG) 데이터를 쉽게 사용할 수 있는 의료 제품을 활용하여 획득하기 위한 간단한 프로토콜을 제공합니다.

동시 뇌전도 및 기능 MRI 중 뇌전도 데이터의 신뢰할 수 있는 획득

여기에서는 수술 방법 및 도구, 수술 후 자기 공명 영상, 청각 피질의 전기 생리학, 임플란트의 전기 화학적 특성 및 사후 면역 화학을 설명하는 minipig 모델에서 연질 경막하 전극 어레이의 장기 성능 및 안전성 평가 방법을 제시합니다.

경막하 연피질검사(ECoG) 어레이 이식 및 Minipig의 장기 피질 기록

다중 자기 공명 영상(MRI) 데이터 양식에 의해 정보를 얻은 대뇌파 네트워크의 뇌파검사(TMS-EEG) 매핑과 결합된 맞춤형 경두개 자기 자극을 위한 새로운 프로토콜입니다.

실시간 피질 네트워크 매핑을 위한 신경영상 유도 TMS-EEG

여기에서는 쥐와 생쥐의 고밀도 마이크로 전기 피질 검사(μEcoG) 기록을 위한 수술, 이식 및 기록 방법을 포함한 두 가지 프로토콜을 제시합니다. μECoG 기록은 쥐의 청각 피질에서 층류 다원(laminar polytrode) 기록 또는 쥐의 체성 감각 피질(somatosensory cortex)에서 신경 활동의 광유전학적 조작과 함께 수행됩니다.

설치류의 미세 전기 피질 조영술과 층류 폴리트로드 및 광유전학을 통합하여 피질 처리의 멀티스케일 조사

학습하세요 BCI2000 소프트웨어를 활용한 전기피질도법 신호 수집 및 실시간 기능성 뇌 매핑 방법을. 이 기술은 뇌전증 환자의 고품질 뇌 활동 데이터를 분석하여 인지 과제 수행 시 활성화된 피질 영역을 식별합니다.

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

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