Het opnemen van de Mens electrocorticografische (ECOG) Signalen voor neurowetenschappelijk onderzoek en Real-time Functioneel Cortical Mapping

Het doel van deze procedure is om elektrocorticografische gegevens van onderzoekskwaliteit te verkrijgen van patiënten die klinische epilepsiemonitoring ondergaan, om deze vervolgens te gebruiken voor real-time functionele mapping. Dit wordt bereikt door eerst een signaalacquisitiesysteem van onderzoekskwaliteit op te zetten dat kan worden aangesloten op het klinische epilepsiemonitoringsysteem zonder de klinische monitoring in gevaar te brengen of te onderbreken. De tweede stap in de functionele mapping is het registreren van baseline-signalen terwijl de patiënt wakker is maar rustig ontspant.

Vervolgens worden de signalen verwerkt om kenmerken te extraheren die de hersenactiviteit in het hoge gamma-frequentiebereik vertegenwoordigen, en deze worden gebruikt om een model van de baseline-hersentoestand van de patiënt op te stellen. De laatste stap is dat de patiënt eenvoudige cognitieve of motorische taken uitvoert, terwijl de algoritmen voor noviteitsdetectie van het Siegfried-systeem delen van de cortex markeren waar de hoge gamma-activiteit significant afwijkt van de baseline. Uiteindelijk laat de determinatiecoëfficiënt bij elke elektrodepositie zien welke corticale gebieden een significante activatie vertonen tijdens de uitvoering van de taak.

Hun betrokkenheid wordt vervolgens bevestigd door middel van elektrocorticale stimulatiemapping; de resultaten van de zieke voeding maken de stimulatiemappingprocedure eenvoudiger en minder tijdrovend door aanvullende informatie te verschaffen. ELEKTROCORTICOGRAFIE of ECOG wordt gedefinieerd door het gebruik van subdurale grid- en strookelektroden om ook de gebruikelijke aanvallen van de patiënt te registreren. Deze elektroden worden elektrisch gestimuleerd, één of twee tegelijk, om te proberen bepaalde functies, zoals een motorische functie of linguïstische functie, te verstoren, om zo een kaart van de eloquente cortex op te stellen die tijdens de resectie gespaard moet blijven.

ECOG combineert een hoge temporele en hoge spatiale resolutie die simpelweg niet wordt gevonden bij andere meettechnieken zoals EEG of functionele MRI. In het bijzonder is het de enige manier om kwalitatieve opnames te maken van elektrische hersenactiviteit in het hoge gamma-frequentiebereik, wat een zeer informatieve correlaat is van een breed scala aan hersenfuncties. ECOG is een invasieve registratietechniek waarbij grids direct op het hersenoppervlak worden geplaatst, waardoor een operatie noodzakelijk is; het wordt daarom alleen toegepast in klinische situaties waarin chirurgie vereist is.

Patiënten verblijven doorgaans ongeveer een week in de epilepsie-monitoringunit, totdat clinici gedurende deze tijd voldoende informatie hebben om de focus van de aanval te lokaliseren. Indien de patiënt hiermee instemt, kunnen zij deelnemen aan onderzoek en, mits de klinische monitoring niet wordt verstoord, biedt dit een unieke kans voor onderzoekers om het menselijk brein in actie vast te leggen. In deze video zal ik demonstreren hoe de ECOG-elektroden gelokaliseerd kunnen worden door middel van coregistratie van een preoperatieve MRI en een postoperatieve CT, en ik zal een nieuwe vorm van functionele mapping demonstreren op basis van gamma-kenmerken in de ECOG-signalen. Verkrijg vóór de operatie een preoperatieve T1-gewogen structurele MRI van het hoofd van de patiënt met 256 bij 256 pixels per slice, een volledig gezichtsveld (field of view), zonder interpolatie, een plakdikte van 1 mm en bij voorkeur sagittale coupes.

Observe vervolgens op de dag van de operatie de chirurgische implantatie van de grid- en strip-elektroden en maak digitale foto's van de elektroden in situ, en verzamel de aantekeningen van de neurochirurg over de geïmplanteerde locaties. Verkrijg na de operatie postoperatieve röntgenfoto's van de schedel, evenals CT-scans van de hersenen, die huid-op-huid met een hoge resolutie moeten worden gemaakt met een coupesnelheid van 1 mm, een breedte en zonder hoek. Gebruik vervolgens het Curry-softwarepakket om op basis van de preoperatieve MRI een driedimensionaal corticaal model van de hersenen van de patiënt te maken en coregistreer dit vervolgens met de CT-beelden na de grid-implantatie.

Klik vervolgens met de rechtermuisknop op elke elektrodepositie in de juiste volgorde en selecteer 'export cursor to localize'. Om de 3D-coördinaten van de elektroden te registreren, exporteert u de 3D-corticale structuur van het subject en de elektrodecoördinaten in MATLAB-formaat. Maak vervolgens een export in de vorm van een film waarin de elektroden op het breinoppervlak zijn geprojecteerd.

Koppel daarnaast de electrode-coördinaten aan standaard Brodmann-gebieden met behulp van een geautomatiseerde rack-atlas. Beoordeel de informatie uit het 3D-model, de röntgenfoto's, de foto's en de aantekeningen. Stel een definitief nummeringsschema voor de elektroden vast en werk samen met de ziekenhuisbeheerders om te garanderen dat de elektroden zijn aangesloten op de splitterboxen.

Volg deze nummering exact. Maak daarnaast een schematische weergave van het plaatsen van de elektroden, zodat alle elektrodeposities duidelijk van elkaar te onderscheiden zijn zonder overlap. Selecteer twee elektrodeposities die waarschijnlijk elektrocorticografisch stil zijn, buiten de vermoedelijke eloquente cortex, om als initiële aarding en referentie te gebruiken.

Bereid vervolgens een gekoppelde stapel GUSB-versterkers voor. Synchroniseer deze door er één te selecteren. Verbind de sink-uitgang van deze master met de S-sink-ingang van de andere versterker en voer het serienummer van de master in als BCI 2000.

Masterparameter voor apparaat-ID. Verbind de blauwe referentieklemmen met elkaar en de gele aardklemmen met elkaar aan de uiterste rechterkant van de stapel. Hier patcht u uw gekozen referentie naar blauw en de aarding naar geel voordat de sessie begint.

Bereid een model .inni-bestand voor met de signaalverwerkingsinstellingen die de Siegfried-software zal gebruiken om een model te bouwen. Bereid daarnaast een .PRM-bestand of afzonderlijke .PRM-fragmenten voor met de parameters die het BCI 2000-systeem zal gebruiken voor acquisitie en real-time visualisatie. Twee belangrijke parameters voor Siegfried zijn de elektrodeposities, waarin de gekozen 2D-indeling voor de elektroden van de patiënt wordt gespecificeerd, en de elektrodeconditie, waarin wordt gespecificeerd welke taken onder welke condities worden toegewezen.

Houd er rekening mee dat de tijd met de patiënt beperkt is. Daarom moeten alle procedures robuust en geoptimaliseerd zijn en vooraf worden uitgeprobeerd. Kies een geschikt moment om experimentele opnames aan de patiënt voor te stellen, waarbij u zowel vroeg op de dag als 15 minuten voor de sessie bericht geeft.

Plaats de apparatuur naast het bed van de patiënt, sluit vervolgens de videomonitor van de patiënt aan en schakel deze in, en haal de computer uit de sluimerstand. Verbind daarnaast het gegevensacquisitiesysteem via de splitter-connectoren met de ECOG-grids. Start de BCI 2000-software op.

Selecteer vervolgens 'set config' met de gevisualiseerde bronparameter ingeschakeld, klik met de rechtermuisknop op de viewer en stel het hoogpassfilter in op een afsnijfrequentie van 5 Hz. Let op: deze instelling heeft alleen invloed op de visualisatie en niet op de gegevensverzameling. Controleer op interferentie door netruis door te kijken of het activeren van een notchfilter in de viewer een groot verschil in het signaal veroorzaakt.

Indien dit het geval is, probeer dit te verminderen door alle bronnen van stroominterferentie, zoals ongebruikte kabels die overspraak veroorzaken, te verwijderen. Wijzig indien nodig de elektroden die worden gebruikt voor de referentie en de aarde. Als u een eye-tracker gebruikt, kalibreer deze dan met de door de fabrikant geleverde kalibratiesoftware om afleidingen en onderbrekingen te voorkomen en mogelijke signaalinterferentie te minimaliseren.

Zorg ervoor dat alle televisies, radio's en mobiele telefoons in de kamer zijn uitgeschakeld. Begin de experimentele sessie door eerst de baseline-activiteit te registreren. Instrueer de proefpersoon om te ontspannen en bewegingsloos te blijven met de ogen open.

Start vervolgens de dummy-signaalverwerking van de GUSB-amp bron en de presentatie van de stimulus. Taakmodules. Registreer zes minuten aan baseline-activiteit met comfortabele verlichting in een rustige omgeving.

Start vervolgens de 'data to model' GUI-tool, geconfigureerd om kenmerken te extraheren in bins van vijf hertz van 70 tot 110 hertz, waarbij de maximum entropy-methode wordt gebruikt voor elke 500 milliseconden aan data. Druk op 'build model' om een probabilistisch model van de geselecteerde spectrale kenmerken te bouwen met behulp van galiummengsels. Geef nu nauwkeurige instructies aan de patiënt voor de experimentele taak die bij deze stap zal worden uitgevoerd.

De proefpersoon voert elke taak telkens 10 seconden lang uit over vijf herhalingen. Start de GUSB amp-bron Siegfried Sig Pro lava en de stimuluspresentatiemodules, en configureer de operator om het probabilistische model, het corticale model en de twee- en driedimensionale elektrodecoördinaten te laden. Druk op start bij de operator om het experiment te beginnen en het mappingproces te initiëren.

Ruwe gegevens worden automatisch gestreamd samen met gebeurtenismarkers totdat op pauze wordt gedrukt of de experimentele run is voltooid; elke keer dat op start of hervatten wordt gedrukt, wordt er een nieuw bestand aangemaakt om te voorkomen dat vorige gegevens tijdens elke taak worden overschreven. De Siegfried-software detecteert taakgerelateerde ECOG-activiteit, die wordt weergegeven in continu bijgewerkte twee- en driedimensionale kaarten van de cortex. De grootte en roodheid van elke cirkel representeren het belang ervan voor de lopende taak.

De schaling van de cirkels naar maximale R-kwadraatwaarden kan gedurende de sessie worden geregeld met de schuifregelaars. Houd het gedrag van de patiënt en de ECOG-signalen nauwlettend in de gaten op vermoedelijke insulten en wees bereid om medisch personeel onmiddellijk te waarschuwen en te reageren op hun instructies. Hier zien we een voorbeeld van een laterale röntgenfoto van een representatieve patiënt.

De gele cirkels markeren de elektroden die betrokken zijn bij het receptieve taalvermogen, zoals vervolgens geïdentificeerd door elektrocorticale stimulatiemapping. Hier is een foto te zien die tijdens de implantatie bij deze patiënt is gemaakt. Deze schema's tonen de Siegfried-mappingresultaten in een schematische tweedimensionale lay-out.

De grootte en roodheid van elke schijf vertegenwoordigen de significantie van de betrokkenheid van elke elektrode bij de taak ten opzichte van de baseline, waarbij hier dezelfde statistiek is gekoppeld aan de kleur op een driedimensionaal hersenmodel dat is gegenereerd op basis van de MRI van de patiënt. Deze video heeft gedemonstreerd hoe menselijke ECOG-data kunnen worden geregistreerd voor onderzoeksdoeleinden en in real-time kunnen worden verwerkt met behulp van de BCI 2000 software suite. Een voorbeeld van een real-time applicatie van BCI 2000 is de tool voor functionele mapping.

Siegfried-mapping kan binnen 10 minuten worden uitgevoerd, afhankelijk van het aantal uitgevoerde taken. Voorlopige resultaten zijn binnen enkele seconden zichtbaar en stabiele resultaten kunnen worden verkregen binnen vijf tot 10 herhalingen, die elk 10 seconden duren. De voordelen van Siegfried-mapping zijn de functionele relevantie over het gehele raster tegelijk, terwijl elektrische stimulatie stroomstimulatie op elke elektrodeplaats vereist, wat veel tijdrovender is en potentieel epileptische aanvallen kan opwekken.

We voeren nog steeds elektrische mapping uit, maar door aanvankelijk Siegfried te gebruiken, verkrijgen we een snelle voorlopige kaart die het proces aanzienlijk versnelt. In de toekomst zal de verbetering van het gridontwerp hopelijk toepassingen mogelijk maken buiten de monitoring van epilepsie, bijvoorbeeld bij patiënten met een beroerte, voor het herstellen van functies, voor het aansturen van prothetische ledematen, en ook voor het verbeteren van de communicatie bij mensen met een verlamming van de vocale musculatuur of ziekten van het type ALS.

Bedankt voor het kijken.