Interictale High Frequency Trillingen gedetecteerd met gelijktijdige magneto en elektro zo Biomarker of Pediatric Epilepsie
6 december 2016
High Frequency Trillingen (HFO) naar voren zijn gekomen als prechirurgische biomarkers voor de identificatie van de epileptogene zone bij pediatrische patiënten met medisch refractaire epilepsie. Een methodologie voor de niet-invasieve opname, detectie en lokalisatie van HFO met gelijktijdige hoofdhuid elektro-encefalogram (EEG) en magneto (MEG) wordt gepresenteerd.
Het algemene doel van dit protocol is om een gestandaardiseerde methodologie te bieden voor de betrouwbare niet-invasieve registratie, detectie en lokalisatie van interictale hoogfrequente oscillaties bij pediatrische patiënten met medisch refractaire epilepsie, met behulp van gelijktijdig geregistreerd schedelelektro-encefalografie en magneto-encefalografie. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in pediatrische epilepsie, zoals welk hersengebied epileptogeen is en tijdens de operatie zou moeten worden verwijderd. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het de niet-invasieve lokalisatie van het gebied mogelijk maakt dat hoogfrequente oscillaties genereert in de hersenen van kinderen met epilepsie.
Verschillende studies hebben aangetoond dat hoogfrequente oscillaties niet-invasief kunnen worden gedetecteerd met behulp van schedel EEG en MEG, maar slechts enkele studies lokaliseren hun generatoren op het bronniveau. We presenteren de lokalisatie van de onderliggende generatoren van hoogfrequente oscillaties verkregen door het oplossen van het inverse probleem en vergelijken deze met die bepaald door de epileptoloog. Begin met het plaatsen van de elektro-encefalografie of EEG-dop op het hoofd van de patiënt volgens het internationale 10-20 systeem.
Reinig de huid waar elke elektrode zich bevindt, verplaats het haar en breng vervolgens gel aan voor elke elektrode. Plaats vervolgens de grond- en referentie-elektroden op het hoofd van de patiënt. Sluit extra elektroden aan voor het meten van horizontale en verticale elektrocochleografie, EOG, elektrocardiografie, ECG, elektromyografie, EMG en extra EEG-elektroden op locaties die de temporale regio's dekken.
Gebruik vervolgens een EEG-o-meter om de impedantie voor elke elektrode te meten. Als de impedantie boven de 10 kiloohm ligt, reinig de huid opnieuw en zorg ervoor dat deze daalt onder de 10 kiloohm. Plaats vier HPI-spoelen op de EEG-dop.
Gebruik de digitizer om de locaties van de fiduciale punten te verkrijgen, inclusief links/rechts pre-aurale punten en de nasion, evenals de locatie van de HPI-spoelen en de EEG-elektroden. Digitiseer extra hoofdpunten om een nauwkeurige hoofdvorm te verkrijgen. Breng vervolgens de patiënt over in de magnetisch afgeschermde ruimte, of MSR, waar het magneto-encefalografie, MEG, systeem zich bevindt.
Leg de patiënt op bed. Plaats hun hoofd in de MEG-helm en breng geschikte kussens onder het hoofd van de patiënt voor comfort. Pas de koppositie van de patiënt in de scanner aan en zorg ervoor dat deze zo diep mogelijk in de helm is geplaatst.
Sluit ten slotte de deur naar de MSR en communiceer met de patiënt via een intercomsysteem. Start de opnames door op de startknop in de MEG-opnamesoftware te klikken. Controleer online alle geregistreerde signalen en repareer slechte MEG-kanalen met behulp van een sensortuner.
Meet vervolgens de hoofdpositie van de patiënt door op de meetknop in de MEG-opnamesoftware te klikken. Als het hoofd van de patiënt niet goed bedekt is door de sensorarray, vraag de patiënt om zijn of haar hoofd dieper in de helm te bewegen. Klik vervolgens in de MEG-opnamesoftware op de opnameknop om MEG, EEG en perifere opnames gedurende 60 minuten te registreren.
Nadat de opname is voltooid, opent u de MSR en haalt u de patiënt uit de MSR-ruimte. Verwijder voorzichtig alle tapes, elektroden, HPI-spoelen en de EEG-dop. Ten slotte, na het begeleiden van de patiënt uit de testruimte, registreert u de magnetische signalen van de lege MSR gedurende twee minuten zonder de patiënt aanwezig.
Begin met het openen van de gegevens in de analysesoftware. Geef EEG- en MEG-gegevens weer met twee verticaal uitgelijnde vensters van 10 seconden per pagina. Ga naar het filtertabblad en stel de hoogdoorlaatfilter in op één hertz, de laagdoorlaatfilter op 70 hertz en de notchfilter op 50 of 60 hertz.
Bekijk de gegevens en identificeer delen met interictale epileptische ontladingen of IED's. Markeer het piek van elke IED die voorkomt in zowel de EEG- als MEG-gegevens. Voer het algoritme uit voor de automatische detectie van HFOs op de delen van EEG-gegevens met IED's en importeer de gedetecteerde HFOs in de software voor gegevensvisualisatie.
Om de gedetecteerde HFO-gebeurtenissen te beoordelen, toont u EEG, MEG en perifere opnames weer met verticaal uitgelijnde vensters van twee seconden per pagina. Ga naar het filtertabblad en stel de laagdoorlaatfilter in op 250 hertz en de hoogdoorlaatfilter op 80 hertz. Om ervoor te zorgen dat de gedetecteerde HFOs niet het gevolg zijn van artefacten, controleert u of er geen gelijktijdige activiteit is in de perifere opnames.
Beschouw bovendien alleen de HFO-gebeurtenissen die voorkomen in zowel EEG- als MEG-signalen en negeer HFOs die niet overlappen met de gemarkeerde IED's. Segmenteer vervolgens de MRI van de patiënt en verkrijg het corticale oppervlak met behulp van software voor hersenbeeldanalyse en schat het voorwaartse model met de grenselementmethode. Voer voor elke HFO-gebeurtenis de bronlocalisatie uit op zowel EEG- als MEG-gegevens met behulp van de wavelet maximum entropy on the mean of WMEM-methode.
Gemiddel de lokalisatieresultaten over de duur van het evenement om een bronlocalisatiemap te verkrijgen. Visualiseer ten slotte de HFO-zone over het corticale oppervlak, met toepassing van een drempel van 60%van de maximale activeringsamplitude met behulp van zowel EEG- als MEG-gegevens. In deze patiëntvoorbeelden werden HFOs geïdentificeerd in de ripple-frequentieband bij 80 tot 150 hertz, zowel in EEG als MEG en bovenliggende IED's.
Het tijdfrequentievlak van twee representatieve EEG- en MEG-kanalen toont de typische geïsoleerde piek op het moment van de HFO. Hier worden HFO-lokalisatieresultaten getoond van zowel schedel EEG als MEG voor een 15-jarig meisje met encefalomalacie van het gebied van de rechtermiddelste hersenslagader. Beide technieken lokaliseren de HFOs in de buurt van
Overzicht
Dit artikel presenteert een gestandaardiseerde methodologie voor de niet-invasieve registratie, detectie en lokalisatie van hoogfrequente oscillaties (HFOs) bij pediatrische patiënten met medisch refractaire epilepsie. De techniek maakt gebruik van gelijktijdige scalp elektro-encefalografie (EEG) en magneto-encefalografie (MEG) om de epileptogene zone te identificeren vóór chirurgische interventie.
Belangrijkste onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Elektrofysiologie
- Klinische Epileptologie
Achtergrond
- Hoogfrequente oscillaties (HFOs) zijn mogelijke biomarkers voor epilepsie.
- Niet-invasieve technieken zijn cruciaal voor pediatrische patiënten.
- Vorige studies hebben HFOs gedetecteerd, maar weinigen hebben hun bronnen gelokaliseerd.
- Het begrijpen van HFOs kan chirurgische beslissingen bij epilepsiebehandeling begeleiden.
Doel van het onderzoek
- Om een betrouwbare methode te vestigen voor het niet-invasief detecteren en lokaliseren van HFOs.
- Om het epileptogene hersengebied te bepalen voor mogelijke chirurgische resectie.
- Om lokalisatieresultaten van EEG en MEG te vergelijken.
Gebruikte methoden
- Gelijketijdige registratie van EEG en MEG bij pediatrische patiënten.
- Toepassing van een gestandaardiseerd protocol voor elektrodenplaatsing en huidvoorbereiding.
- Gebruik van geavanceerde data-analysetechnieken om HFOs te identificeren en visualiseren.
- Bronlokalisatie uitgevoerd met behulp van de wavelet maximum entropy on the mean (WMEM) methode.
Belangrijkste resultaten
- HFOs werden geïdentificeerd in de ripple frequentieband (80-150 Hz).
- De lokalisatieresultaten vertoonden overeenstemming tussen EEG en MEG bevindingen.
- Case studies illustreerden de effectiviteit van de techniek in het identificeren van epileptogene zones.
- Resultaten werden gevalideerd tegen invasieve registraties waar beschikbaar.
Conclusies
- De methodologie biedt een niet-invasieve aanpak voor het lokaliseren van HFOs bij kinderen.
- Het verbetert het begrip van de epileptogene zone bij pediatrische epilepsie.
- Deze techniek kan chirurgische resultaten verbeteren voor patiënten met refractaire epilepsie.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Non-invasive detection and localization of high-frequency oscillations (HFOs) using simultaneous EEG and MEG offers a biomarker strategy to improve presurgical evaluation in pediatric epilepsy. This approach supports target validation by providing electrophysiological evidence of epileptogenic zones without requiring invasive intracranial recordings. Enhanced mechanistic de-risking through non-invasive HFO mapping can inform surgical planning and reduce reliance on long-term monitoring.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by localizing HFO generators concordant with interictal epileptiform discharges and seizure onset zones.
- Operational Value: Provides a reproducible method for source localization using wavelet maximum entropy on the mean (WMEM) on simultaneous EEG and MEG data.
- Predictive Value: Supports biomarker validation by demonstrating concordance between non-invasive scalp recordings and invasive intracranial EEG in pediatric patients.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Facilitates preparation of validated biological systems through standardized skin preparation, electrode placement, and impedance monitoring below 10 kiloohms.
- Quantitative Outputs: Enables detection of HFOs in the ripple band (80–150 Hz) that co-occur with interictal epileptiform discharges in both EEG and MEG signals.
- Reproducibility: Supports cross-platform validation by requiring HFO events to be present in both EEG and MEG and time-locked to marked interictal discharges.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Demonstrates how non-invasive HFO localization aligns with invasive intracranial recordings, supporting translation from discovery to preclinical validation.
- Disease-Relevant System: Applies to pediatric refractory epilepsy models where HFOs serve as biomarkers of epileptogenic tissue.
- Mechanistic De-risking: Reduces ambiguity in target identification by localizing HFO generators via inverse solutions and comparing them to clinically defined seizure onset zones.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by providing electrophysiological data that inform target identification and validation prior to lead optimization.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by localizing high-frequency oscillations to specific cortical regions using source imaging.
- Screening: Enables assay standardization through filtering (1 Hz high-pass, 70 Hz low-pass, 50/60 Hz notch) and artifact rejection via peripheral channel monitoring.
- Analytics: Generates source localization maps averaged over HFO event duration, visualized at 60% of maximum activation amplitude on cortical surfaces.
- Translational Research: Connects non-invasive scalp recordings to invasive validation, showing spatial concordance between HFO zones, interictal discharges, and intracranial electrode locations.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable protocol for multi-site studies requiring synchronized EEG-MEG acquisition and standardized source localization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by providing non-invasive electrophysiological correlates of epileptogenic zones.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized electrode placement, impedance control, and dual-modality (EEG/MEG) signal requirements.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing dependence on invasive monitoring and enabling earlier target confirmation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by offering a non-invasive biomarker that aligns with surgical outcomes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrophysiology, neuroimaging, and source localization techniques such as WMEM.
- Dependent on magnetoencephalography systems in magnetically shielded rooms and simultaneous EEG acquisition capabilities.
- Necessitates cross-team standardization between neurology, neurophysiology, and imaging groups for fiducial digitization and head shape modeling.
- Adaptation across model systems must account for developmental differences in head size and conductivity when applying the international 10-20 system.
- Practical limitations include the low amplitude of HFOs, susceptibility to noise, and the need for artifact rejection using peripheral channels (EOG, ECG, EMG).
