$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Elektroencefalografia (EEG) mierzy aktywność elektryczną mózgu na skórze głowy, ale surowe nagrania mieszają sygnały z wielu źródeł mózgowych i niemózgowych. Lokalizacja źródła odnosi się do obliczeniowego oszacowania, skąd w mózgu pochodzą zmierzone sygnały EEG, skutecznie "mapując" napięcia na skórze głowy z powrotem do obszarów korowych1. Metody te pozwalają naukowcom łączyć aktywność oscylacyjną EEG lub odpowiedzi związane z wydarzeniami z konkretnymi obszarami mózgu, znacznie poprawiając interpretowalność EEG. Osiągnięcie dokładnej lokalizacji źródła zależy od dokładnej znajomości, gdzie każda elektroda znajduje się na głowie względem anatomii. Musimy zdigitalizować pozycje elektrud, aby rejestrować ich dokładne 3D położenie na głowie. Współrzędne te są następnie współrejestrowane lub wyrównywane z modelem głowy badanego z MRI do rozwiązywania problemów EEG forward (prognozowanie napięć na skórze głowy) i inverse (szacowanie źródeł mózgowych). Precyzyjne rozmieszczenie elektrod jest kluczowe: nawet drobne błędy cyfryzacji mogą przesunąć szacowane źródło nawet o kilka centymetrów lub więcej w mózgu.
Nowoczesne obrazowanie źródłowe EEG to wieloetapowy proces, który integruje informacje anatomiczne i funkcjonalne. Zaczyna się od digitalizacji elektrod, gdzie na skórze głowy zapisywane są dokładne współrzędne 3D każdego czujnika EEG. Następnie wykonuje się obrazowanie anatomiczne, zazwyczaj poprzez wykonanie strukturalnego MRI badanego; jeśli nie jest dostępny, można użyć standardowego modelu głowy2. Pozycje zdigitalizowanych elektrod są następnie współrejestrowane z geometrią głowicy MRI, dopasowując je do anatomii osoby. Z tego etapu wyprowadza się macierz transformacji, która mapuje położenie elektrod z przestrzeni głowy do przestrzeni MRI. Następnie strukturalny rezonans magnetyczny jest segmentowany na tkanki (skóra głowy, czaszka, mózg) za pomocą narzędzia do segmentacji MRI, takiego jak Freesurfer3 , aby stworzyć realistyczny model przewodnika objętości. W tym modelu obliczany jest model do przodu, łączący pozycje elektrod, geometrię głowy oraz przewodność tkanek, aby przewidzieć potencjały skóry głowy dla dowolnego hipotetycznego źródła kory4. Na koniec odwrotne rozwiązanie jest szacowane za pomocą metod takich jak obrazowanie źródła rozproszone czy dopasowanie dipola, aby oszacować rozkład prądu korowego, który najlepiej wyjaśnia zmierzone dane EEG5. Każdy etap jest kluczowy: model głowy zapewnia anatomicznie wiarygodne przewodności, roztwór przedni łączy źródła z potencjałami skóry głowy, a roztwór odwrotny odwzorowuje zarejestrowane sygnały z powrotem na korę. Z kolei błędy w digitalizacji elektrod, współrejestracji lub segmentacji MRI mogą rozprzestrzeniać się w potoku, prowadząc do niedokładnych szacunków źródeł.
Obecnie dostępnych jest kilka metod digitalizacji, w tym ultradźwięki, system elektromagnetyczny6, skanowanie 3D ze światłem strukturalnym lub podczerwieni7, fotogrametria8 oraz przechwytywanie ruchu z sondą9 lub bez niej. Chociaż technologie różnią się sprzętem i procedurą, ich dokładność w lokalizowaniu elektrod jest w dużej mierze porównywalna. Najnowsze badania porównujące te metody pokazują, że wszystkie podejścia osiągają precyzję lokalizacji elektrod wystarczającą do wiarygodnego oszacowania źródła. Na przykład wszystkie testowane metody osiągały średnią dokładność identyfikacji obszaru Brodmanna powyżej 80%, podczas gdy poleganie wyłącznie na pozycjach elektrod szablonowych obniżyło dokładność do około 50%10. Pokazuje to, że pomimo różnic w implementacji, nowoczesne techniki cyfryzacji zapewniają porównywalną niezawodność, znacząco zmniejszając niepewność lokalizacji źródła względem użycia szablonów generycznych oraz umożliwiając pewne mapowanie aktywności korowej.
Atrakcyjną alternatywą dla laboratoriów wyposażonych w systemy przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) jest wykorzystanie sprzętu do digitalizacji elektrod (nawigowana stymulacja mózgu) (NBS)11 . NBS, znany również jako neuronawigacja, zazwyczaj łączy optyczny tracker i cewkę TMS, aby rejestrować głowę osoby za pomocą MRI i stymulować konkretny cel korowy. Optyczne nadajniki (np. Polaris Vicra) składają się z kamery śledzącej na podczerwień oraz markerów odblaskowych umieszczonych na głowicy, wskaźniku nawigacyjnym i cewce TMS. Podczas digitalizacji eksperymentator najpierw umieszcza śledznik głowy na głowie uczestnika, następnie dotyka każdej elektrody EEG wskaźnikiem nawigacyjnym, a system rejestruje jej pozycję 3D, która może być później eksportowana i wykorzystana do lokalizacji źródła, np. w MNE-Python12. Ten workflow jest analogiczny do innych digitalizatorów, ale wykorzystuje istniejący sprzęt: jeśli laboratorium posiada już nawigowany system TMS (np. Nexstim eXimia NBS lub podobny), nie jest potrzebny osobny zakup cyfrowego systemu.
Zaletą tego podejścia są integracja i precyzja. Ta sama przestrzeń współrzędnych może być wykorzystywana zarówno do celowania TMS, jak i modelowania źródeł EEG. W laboratoriach wykonujących jednoczesne lub sekwencyjne TMS-EEG ta metoda upraszcza przygotowanie: digitalizacja elektrod jest po prostu częścią procesu neuronawigacji TMS. Dla laboratoriów, które nie korzystają głównie z metod lokalizacji źródeł EEG, ale mają już dostęp do neuronawigacji TMS, ta metoda oferuje prosty sposób na zwiększenie precyzji szacunków źródeł.
Na koniec warto zauważyć, że ta koncepcja cyfrowej nawigacji dotyczy także innych matryc czujników skóry głowy. Na przykład podobna procedura mogłaby zlokalizować optodyfNIRS 13 lub inne czujniki, dotykając każdego optody wskaźnikiem śledzonym. We wszystkich przypadkach korzyścią jest jednolita rama współrzędnych między czujnikami skóry głowy a MRI badanego, co poprawia dokładność anatomiczną każdego kolejnego modelowania źródłowego (czy to EEG, czy fNIRS).
Kilka publikacji wyraźnie opisuje użycie systemu NBS do cyfryzacji elektrod 14,15,16,17,18. Dla porównania, wiele badań wykorzystujących zarówno TMS (NBS), jak i EEG lub fNIRS nie opisywało żadnej procedury cyfryzacji 19,20,21,22,23. To pominięcie sugeruje, że dostępna funkcjonalność NBS do digitalizacji elektrod lub optody mogła być niedostatecznie wykorzystana, co potencjalnie wpływa na dokładność lokalizacji czujników, a w konsekwencji wiarygodność raportowanych wyników. Zakładamy, że wielu badaczy może nie wiedzieć, że system NBS może również służyć jako narzędzie do współrejestracji, ponieważ producent nie podkreśla tej funkcji konsekwentnie. Na koniec zauważamy, że NBS może być stosowany do digitalizacji czujników w każdym badaniu z elektrodami lub optodami montowanymi na głowie, niezależnie od tego, czy stosuje się TMS.