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

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.