Rejestracja ludzkich sygnałów elektrokortykograficznych (ECoG) w badaniach neuronaukowych i funkcjonalnym mapowaniu kory mózgowej w czasie rzeczywistym

Celem niniejszej procedury jest uzyskanie danych z elektrokortykografii o jakości badawczej od pacjentów poddawanych klinicznemu monitorowaniu epilepsji i wykorzystanie ich do mapowania funkcjonalnego w czasie rzeczywistym. Osiąga się to najpierw poprzez skonfigurowanie systemu akwizycji sygnałów o jakości badawczej, który może zostać podłączony do klinicznego systemu monitorowania epilepsji bez upośledzania lub przerywania monitorowania klinicznego. Drugim krokiem w mapowaniu funkcjonalnym jest rejestracja sygnałów bazowych w stanie, gdy pacjent jest rozbudzony, ale odpoczywa w spokoju.

Następnie sygnały są przetwarzane w celu wyodrębnienia cech reprezentujących aktywność mózgu w zakresie częstotliwości wysokiej gamma, które są wykorzystywane do zbudowania modelu bazowego stanu mózgu pacjenta. Ostatnim krokiem jest polecenie pacjentowi wykonania prostych zadań poznawczych lub motorycznych, podczas gdy algorytmy detekcji nowości systemu Siegfried wskazują obszary kory, w których aktywność wysokiej gamma znacząco odbiega od poziomu bazowego. W końcowym etapie współczynnik determinacji dla każdego położenia elektrody wskazuje, które obszary kory wykazują istotną aktywację podczas wykonywania zadania.

Ich zaangażowanie jest następnie potwierdzane za pomocą mapowania z użyciem elektrokortykalnej stymulacji; wyniki badania fMRI ułatwiają procedurę mapowania stymulacyjnego, czyniąc ją mniej czasochłonną dzięki dostarczeniu uzupełniających informacji. Elektrokortyko-grafia lub ECoG polega na zastosowaniu podtwardówkowych elektrod siatkowych i paskowych, które służą również do rejestracji napadów typowych dla pacjenta. Elektrody te stymuluje się elektrycznie, pojedynczo lub po dwie jednocześnie, aby spróbować zakłócić określone funkcje, takie jak funkcje motoryczne lub językowe, w celu sporządzenia mapy kory elokwentnej, która powinna zostać oszczędzona podczas resekcji.

ECOG charakteryzuje się połączeniem wysokiej rozdzielczości czasowej i przestrzennej, czego nie oferują inne techniki pomiarowe, takie jak EEG czy funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI). W szczególności jest to jedyny sposób na uzyskanie wysokiej jakości zapisów aktywności elektrycznej mózgu w zakresie wysokich częstotliwości gamma, które stanowią bardzo informatywny korelat szerokiego spektrum funkcji mózgu. ECOG jest inwazyjną techniką rejestracji, w której siatki elektrod umieszcza się bezpośrednio na powierzchni mózgu, co wymaga przeprowadzenia operacji i jest stosowane wyłącznie w sytuacjach klinicznych wymagających interwencji chirurgicznej.

Pacjenci zazwyczaj przebywają w oddziale monitorowania epilepsji przez około tydzień, dopóki klinicyści nie zgromadzą wystarczających informacji, aby zlokalizować ognisko napadowe. Jeśli pacjent wyrazi zgodę, może wziąć udział w badaniach, a pod warunkiem, że nie zakłóci to monitorowania klinicznego, daje to badaczom wyjątkową okazję do rejestracji pracy ludzkiego mózgu. W tym filmie zaprezentuję sposób lokalizacji elektrod ECOG poprzez korejestrację przedoperacyjnego obrazu MRI oraz pooperacyjnego obrazu CT, a także zaprezentuję nową formę mapowania funkcjonalnego opartego na cechach gamma w sygnałach ECOG. Przed operacją należy wykonać przedoperacyjny strukturalny obraz MRI głowy pacjenta w sekwencji T1-weighted, z rozdzielczością 256 x 256 pikseli na warstwę, pełnym polem widzenia (FOV), bez interpolacji, grubością warstwy 1 mm i najlepiej w przekrojach strzałkowych.

Następnie w dniu operacji należy obserwować chirurgiczną implantację elektrod siatkowych i paskowych oraz wykonać cyfrowe zdjęcia elektrod in situ, a także zebrać notatki neurochirurga dotyczące miejsc implantacji. Po operacji należy pozyskać pooperacyjne obrazy rentgenowskie czaszki oraz skany tomografii komputerowej (CT) mózgu, które powinny zostać wykonane w wysokiej rozdzielczości, z grubością warstwy 1 mm, bez kąta nachylenia, w rzucie skin-to-skin. Następnie należy wykorzystać pakiet oprogramowania Curry do stworzenia trójwymiarowego modelu kory mózgowej pacjenta na podstawie przedoperacyjnego MRI, a następnie przeprowadzić korejestrację tego modelu z obrazami CT wykonanymi po implantacji siatki elektrod.

Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy kolejno na każdą pozycję elektrody i wybierz opcję export cursor to localize. Aby zarejestrować współrzędne 3D elektrod, wyeksportuj strukturę korową 3D badanego oraz współrzędne elektrod w formacie MATLAB. Następnie utwórz eksport w postaci filmu, który przedstawia elektrody naniesione na powierzchnię mózgu.

Należy również przypisać współrzędne elektrod do standardowych pól Brodmanna, korzystając z zautomatyzowanego atlasu ramowego. Przejrzyj informacje z modelu 3D, obrazów rentgenowskich, fotografii oraz notatek. Ustal ostateczny schemat numeracji elektrod i współpracuj z technikami szpitalnymi, aby upewnić się, że elektrody zostały podłączone do skrzynek rozdzielczych.

Należy ściśle przestrzegać tej numeracji. Należy również opracować schemat rozmieszczenia elektrod w taki sposób, aby wszystkie ich pozycje były wyraźnie rozróżnialne i nie nakładały się na siebie. Wybrać dwa miejsca rozmieszczenia elektrod, które prawdopodobnie będą elektro-kortykograficznie nieme i oddalone od domniemanej kory elokwentnej, aby wykorzystać je jako początkową elektrodę uziemiającą oraz referencyjną.

Następnie należy przygotować połączony stos wzmacniaczy GUSB. Zsynchronizuj je, wybierając jeden z nich. Jako urządzenie nadrzędne (master), połącz jego wyjście sink z wejściem S sink pozostałych wzmacniaczy i wprowadź numer seryjny urządzenia nadrzędnego jako BCI two thousand's.

Główny parametr identyfikatora urządzenia (Device ID). Połącz ze sobą niebieskie gniazda referencyjne oraz żółte gniazda uziemienia znajdujące się po prawej stronie stosu. W tym miejscu należy podłączyć wybrany punkt odniesienia do niebieskiego gniazda oraz masę do żółtego gniazda przed rozpoczęciem sesji.

Przygotuj plik modelu .inni zawierający ustawienia przetwarzania sygnałów, których oprogramowanie Siegfried będzie używać do budowy modelu. Przygotuj również plik .prm lub oddzielne fragmenty plików .prm zawierające parametry, których system BCI 2000 będzie używać do akwizycji i wizualizacji w czasie rzeczywistym. Dwoma kluczowymi parametrami dla Siegfried są lokalizacje elektrod, określające wybrany układ 2D dla elektrod pacjenta, oraz warunek elektrody, który określa, które zadania zostaną przypisane do których warunków.

Należy pamiętać, że czas poświęcony pacjentowi jest ograniczony. W związku z tym wszystkie procedury muszą być niezawodne, zoptymalizowane i sprawdzone wcześniej. Należy wybrać odpowiedni moment na zaproponowanie pacjentowi nagrań eksperymentalnych, informując go o tym odpowiednio wcześnie w ciągu dnia, a następnie na 15 minut przed rozpoczęciem sesji.

Ustaw sprzęt przy łóżku pacjenta, następnie podłącz do zasilania i włącz monitor wideo pacjenta oraz wybudź komputer z trybu hibernacji. Połącz system akwizycji danych z siatkami ECOG za pomocą rozdzielaczy. Uruchom oprogramowanie BCI 2000.

Następnie, przy włączonym parametrze wizualizacji źródła, wybierz konfigurację zestawu, kliknij prawym przyciskiem myszy na podglądzie i ustaw filtr górnoprzepustowy na częstotliwość odcięcia 5 Hz. Należy pamiętać, że to ustawienie wpłynie jedynie na wizualizację, a nie na zbieranie danych. Sprawdź występowanie zakłóceń z sieci elektrycznej, obserwując, czy aktywacja filtra notch w podglądzie powoduje znaczną różnicę w sygnale.

Jeśli tak się dzieje, należy spróbować ograniczyć to zjawisko poprzez usunięcie wszelkich źródeł zakłóceń zasilania, takich jak nieużywane kable powodujące przesłuchy. W razie potrzeby należy zmienić elektrody użyte jako referencyjne i masowe. W przypadku korzystania z eye trackera należy go skalibrować, używając oprogramowania kalibracyjnego dostarczonego przez producenta, aby uniknąć rozproszeń i przerw oraz zminimalizować możliwe zakłócenia sygnału.

Upewnij się, że wszystkie telewizory, radia i telefony komórkowe w pomieszczeniu są wyłączone. Sesję eksperymentalną rozpocznij od zarejestrowania aktywności bazowej. Poleć badanemu relaks i pozostanie w bezruchu z otwartymi oczami.

Następnie uruchom przetwarzanie sygnału pozornego źródła wzmacniacza GUSB oraz prezentację bodźców. Moduły zadań. Zarejestruj sześć minut aktywności bazowej przy komfortowym oświetleniu w cichym otoczeniu.

Następnie uruchom narzędzie GUI do konwersji danych na model, skonfigurowane do ekstrakcji cech w pasmach 5 Hz w zakresie od 70 do 110 Hz, wykorzystując metodę maksymalnej entropii dla każdych 500 ms danych. Naciśnij przycisk „build model”, aby zbudować model probabilistyczny wybranych cech spektralnych przy użyciu mieszanin galiumu. Teraz przekaż pacjentowi precyzyjne instrukcje dotyczące zadania eksperymentalnego, które zostanie przeprowadzone w ramach tego etapu.

Badany będzie wykonywał każde zadanie przez 10 sekund podczas każdej z pięciu powtórzeń. Uruchom moduły źródła wzmocnienia GUSB amp Siegfried Sig Pro lava oraz prezentacji bodźców, a następnie skonfiguruj operatora tak, aby załadował model probabilistyczny, model korowy oraz dwu- i trójwymiarowe współrzędne elektrod. Naciśnij start w programie operatora, aby rozpocząć eksperyment i zainicjować proces mapowania.

Surowe dane są przesyłane automatycznie wraz z markerami zdarzeń do momentu naciśnięcia przycisku wstrzymaj (suspend) lub zakończenia przebiegu eksperymentalnego; każde naciśnięcie przycisku start lub wznowij (resume) spowoduje utworzenie nowego pliku, aby uniknąć nadpisania poprzednich danych podczas każdego zadania. Oprogramowanie Siegfried wykrywa aktywność ECOG związaną z zadaniem, która jest prezentowana na stale aktualizowanych dwu- i trójwymiarowych mapach kory mózgowej. Wielkość i czerwień każdego okręgu reprezentują jego znaczenie w aktualnie wykonywanym zadaniu.

Skalowanie okręgów do maksymalnych wartości R kwadrat można kontrolować za pomocą suwaków przez cały czas trwania sesji. Należy monitorować zachowanie pacjenta oraz sygnały ECOG pod kątem podejrzenia napadów i być w gotowości do natychmiastowego powiadomienia oraz reagowania na instrukcje personelu medycznego. Tutaj widzimy przykładowy obraz RTG w projekcji bocznej reprezentatywnego pacjenta.

Żółte okręgi zaznaczają elektrody zaangażowane w rozumienie języka, zidentyfikowane następnie podczas mapowania za pomocą elektrokortykalnej stymulacji. Przedstawiono tutaj zdjęcie wykonane podczas implantacji u tego pacjenta. Te schematy pokazują wyniki mapowania Siegfrieda w schematycznym układzie dwuwymiarowym.

Rozmiar i czerwień każdego dysku reprezentują istotność udziału każdej elektrody w zadaniu w stosunku do poziomu bazowego, a tutaj ta sama statystyka jest odwzorowana kolorystycznie na trójwymiarowym modelu mózgu wygenerowanym z obrazu MRI pacjenta. Niniejszy film zademonstrował, w jaki sposób dane ECOG od ludzi mogą być rejestrowane do celów badawczych i przetwarzane w czasie rzeczywistym przy użyciu pakietu oprogramowania BCI 2000. Przykładem aplikacji czasu rzeczywistego BCI 2000 jest narzędzie do mapowania funkcjonalnego.

Mapowanie Siegfrieda można przeprowadzić w ciągu 10 minut, w zależności od liczby wykonywanych zadań. Wstępne wyniki są widoczne w ciągu kilku sekund, a stabilne rezultaty można uzyskać w ciągu od pięciu do 10 powtórzeń, z których każde trwa 10 sekund. Zaletą mapowania Siegfrieda jest funkcjonalna istotność w całej siatce jednocześnie, podczas gdy stymulacja elektryczna wymaga podania prądu w każdym miejscu elektrody, co jest znacznie bardziej czasochłonne i może potencjalnie wywołać napady drgawkowe.

Nadal wykonujemy mapowanie elektryczne, jednak dzięki zastosowaniu Siegfrieda otrzymujemy początkowo szybką mapę wstępną, co znacznie usprawnia cały proces. W przyszłości udoskonalenie konstrukcji siatki pozwoli prawdopodobnie na zastosowania wykraczające poza monitorowanie epilepsji, na przykład u pacjentów po udarach, w celu przywrócenia funkcji, sterowania protezami kończyn, a także usprawnienia komunikacji u osób z porażeniem mięśni krtani lub chorobami typu ALS.

Dziękujemy za oglądanie.