Name: Rejestrowanie ludzkich sygnałów elektrokortykograficznych (ECoG) do badań neuronaukowych i funkcjonalnego mapowania kory mózgowej w czasie rzeczywistym (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-06-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: Poznaj metodę rejestracji sygnałów ECoG u pacjentów z epilepsją przy użyciu platformy BCI2000. Technika ta umożliwia mapowanie funkcjonalne kory mózgowej w czasie rzeczywistym poprzez analizę aktywności w zakresie wysokiej częstotliwości gamma.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Niniejsza praca została sfinansowana z grantów wspieranych przez US Army Research Office (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) oraz NIH/NIBIB (EB006356 (GS) oraz EB00856 (JRW i GS)). Autorzy dziękują Seanowi Austinowi za moduł SigfriedSigProcLAVA oraz Griffinowi Milsapowi za pomoc techniczną.

1. Lokalizacja elektrod
<ol>
	<li>Wykonaj przedoperacyjny strukturalny obraz MRI głowy pacjenta w obrazowaniu T1-zależnym (1.5T lub 3T): 256 x 256 pikseli na warstwę, pełne pole widzenia, bez interpolacji, szerokość warstwy 1 mm, najlepiej w przekrojach strzałkowych.</li>
	<li>Obserwuj chirurgiczną implantację siatek i pasków elektrod. Wykonaj cyfrowe fotografie elektrod in situ oraz zbierz notatki neurochirurga dotyczące lokalizacji wszczepionych siatek i pasków.</li>
	<li>Zbierz pooperacyjne obrazy rentgenowskie czaszki oraz skany CT mózgu w wysokiej rozdzielczości (szerokość warstwy 1 mm, od skóry do skóry, bez kąta nachylenia).</li>
	<li>Stwórz trójwymiarowy model kory mózgowej pacjenta na podstawie przedoperacyjnego MRI i zarejestruj go wspólnie z obrazami CT wykonanymi po implantacji siatek. W tym celu używamy pakietu oprogramowania CURRY, a następnie eksportujemy strukturę kory 3D oraz współrzędne elektrod w formacie MATLAB. Z programu MATLAB eksportujemy film pokazujący elektrody odwzorowane na mózgu. Mapujemy również współrzędne elektrod na standardowe pola Brodmanna, korzystając z automatycznego atlasu Talairacha.</li>
	<li>Przeanalizuj informacje z modelu 3D, obrazów rentgenowskich, fotografii i notatek. Ustal ostateczny schemat numeracji elektrod i współpracuj z technikami szpitalnymi, aby upewnić się, że elektrody są podłączone do skrzynek rozdzielczych zgodnie z tą numeracją. Stwórz również schematyczny układ do odwzorowania elektrod w dwóch wymiarach, tak aby wszystkie pozycje elektrod były wyraźnie rozróżnialne i nie nakładały się na siebie. Jeśli planujesz uruchomić SIGFRIED (patrz sekcja 4), zapisz te dwuwymiarowe współrzędne jako fragment parametrów BCI2000 w formacie wymaganym przez parametr ElectrodeLocations. Na koniec wybierz dwie lokalizacje elektrod, które prawdopodobnie będą „ciche” elektrokortykograficznie, tzn. nie znajdują się w pobliżu domniemanego obszaru kory elokwentnej, aby użyć ich jako początkowego uziemienia i referencji (przygotuj g.USBamps, podłączając referencję do niebieskich gniazd, a uziemienie do żółtych gniazd, znajdujących się po prawej stronie każdej jednostki).</li>
</ol>
2. Konfiguracja sprzętu i oprogramowania
<ol>
	<li>Należy upewnić się, że specyfikacja komputera jest odpowiednia do wymogów przetwarzania danych w eksperymencie. Prawdopodobnie konieczny będzie procesor wielordzeniowy, aby sprostać wymaganiom dotyczącym akwizycji i przetwarzania danych w czasie rzeczywistym, nagrywania wideo oraz innych niezbędnych zadań. Do rejestracji i analizy w czasie rzeczywistym 128 kanałów przy częstotliwości 1200 Hz używamy maszyny z procesorem quad-core 3-GHz i 4 GB pamięci RAM. Wzmacniacze powinny być podłączone do dedykowanego kontrolera USB, oddzielnego od kontrolera(ów) używanych przez inne urządzenia o dużym zapotrzebowaniu na przepustowość, takie jak dyski zewnętrzne i kamery (można to zweryfikować w Menedżerze urządzeń systemu). Na koniec, musi być dostępna wystarczająca przestrzeń dyskowa do przechowywania do 5 MB danych eksperymentalnych na sekundę oraz system ich archiwizacji i tworzenia kopii zapasowych.</li>
	<li>Należy ustawić sprzęt badawczy (wzmacniacze, komputer, ekran eksperymentatora, klawiaturę, głośniki, mikrofon i kamerę) na jednym wózku, który można szybko wjechać i wyjechać z pokoju pacjenta, z tylko jednym przewodem zasilającym do podłączenia do gniazdka ściennego. Aby przenieść komputer z pokoju do pokoju, należy użyć funkcji Hibernate (Hibernacja) przed odłączeniem zasilania. Ekran wideo pacjenta powinien znajdować się na oddzielnym stoliku pomocniczym lub ramieniu monitora. Biorąc pod uwagę, że pacjent jest podatny na napady drgawek, należy upewnić się, że cały sprzęt można szybko odsunąć, w przypadku gdy personel medyczny będzie potrzebował natychmiastowego dostępu do pacjenta. Sprzęt powinien być również dezynfekowany chusteczkami antyseptycznymi przed i po użyciu w pokoju pacjenta.</li>
	<li>Czas spędzony z pacjentem jest ograniczony, a wszystkie procedury muszą być niezawodne i zoptymalizowane, aby jak najlepiej wykorzystać ten czas. W tym względzie elastyczność i niezawodność BCI2000 są nieocenionymi cechami. Należy upewnić się, że eksperymenty można uruchomić za pomocą jednego przycisku. W przypadku BCI2000 należy użyć pliku wsadowego (batch file), aby automatycznie uruchomić odpowiednią kombinację modułów BCI2000 z wymaganymi opcjami wiersza poleceń. Wymagane są moduły Operator oraz gUSBampSource, wraz z odpowiednimi modułami SignalProcessing i Application dla danego eksperymentu. Należy wykorzystać funkcję skryptowania Operatora w BCI2000, aby upewnić się, że wszystkie wymagane pliki parametrów są ładowane automatycznie – w tym te specyficzne dla danego pacjenta, takie jak liczba elektrod, ich nazwy i pozycje. Celem tej automatyzacji jest zminimalizowanie liczby kroków wykonywanych ręcznie przez eksperymentatora, a tym samym ograniczenie możliwości wystąpienia błędów. Oprogramowanie i jego parametry muszą zostać sfinalizowane i przetestowane (np. na osobie badanej z EEG) co najmniej jeden lub dwa tygodnie przed implantacją. Wysoce zalecane jest również przeprowadzenie „próby na sucho” w dniu poprzedzającym pierwszą sesję eksperymentalną, z uwzględnieniem wszystkich nowych parametrów specyficznych dla pacjenta.</li>
</ol>
3. Przygotowanie sesji eksperymentalnej
<ol>
	<li>Wybierz odpowiedni moment na zaproponowanie pacjentowi nagrań eksperymentalnych, informując go o tym wcześniej w ciągu dnia, a następnie ponownie na 15 minut przed rozpoczęciem. Dostosuj harmonogram do wizyt gości, posiłków, drzemek, procedur medycznych oraz stanu fizycznego, emocjonalnego i poznawczego pacjenta. Ważne jest nawiązanie dobrej relacji z personelem medycznym na oddziale, aby pomóc w optymalizacji czasu i czasu trwania nagrań.</li>
	<li>Wwieź sprzęt na miejsce, podłącz go do gniazdka zasilającego, włącz ekran wideo pacjenta i podłącz go do komputera, a następnie wybudź komputer z trybu hibernacji.</li>
	<li>Uruchom BCI2000. Przy włączonym parametrze VisualizeSource naciśnij Set Config. Otworzy się podgląd sygnału, który pozwoli ocenić jakość sygnału ECoG. Kliknij prawym przyciskiem myszy w oknie podglądu i ustaw filtr górnoprzepustowy na częstotliwość odcięcia 5 Hz. (To ustawienie filtra wpłynie jedynie na wizualizację, a nie na gromadzenie danych).</li>
	<li>Sprawdź występowanie zakłóceń z sieci elektrycznej: czy aktywacja filtra notch w podglądzie (przy 50 Hz lub 60 Hz, w zależności od kraju) znacząco zmienia sygnał? Jeśli tak, spróbuj to zredukować, usuwając nieużywane kable powodujące przesłuchy lub identyfikując i eliminując inne źródła zakłóceń zasilania. W razie potrzeby zmień elektrody używane jako referencyjne i uziemiające.</li>
	<li>Jeśli używasz eyetrackera, skalibruj go za pomocą oprogramowania kalibracyjnego dostarczonego przez producenta. Moduł źródłowy BCI2000 powinien być skompilowany z dołączonym rozszerzeniem EyetrackerLogger i uruchomiony z włączoną flagą --LogEyetracker=1, aby dane z eyetrackera mogły być pozyskiwane w synchronizacji z sygnałami ECoG.</li>
	<li>Aby uniknąć rozproszeń i przerwań oraz zminimalizować możliwe zakłócenia sygnału, upewnij się, że telewizory, radia i telefony komórkowe są wyłączone.</li>
	<li>Przekaż pacjentowi precyzyjne instrukcje dotyczące eksperymentu, który zamierzasz przeprowadzić. W zależności od zadania pacjenta pomocne mogą okazać się przygotowane slajdy Powerpoint prezentujące zadanie, sugerowaną postawę ciała itp.</li>
	<li>Naciśnij Start w oknie Operator, aby rozpocząć eksperyment. Za każdym razem, gdy naciśniesz Start lub Resume, zostanie utworzony nowy plik, aby uniknąć nadpisania poprzednich danych, a plik zostanie zainicjowany kopią wszystkich wartości parametrów. Surowe dane będą następnie automatycznie przesyłane do pliku wraz z markerami zdarzeń, aż do momentu naciśnięcia przycisku Suspend lub zakończenia serii eksperymentalnej.</li>
	<li>Przez cały czas trwania sesji monitoruj zachowanie pacjenta oraz sygnały ECoG pod kątem podejrzenia napadów i bądź gotowy do reagowania na instrukcje personelu medycznego.</li>
</ol>
4. Przykładowa sesja eksperymentalna: Mapowanie kliniczne SIGFRIED z wykorzystaniem BCI2000
<ol>
	<li>Przygotowanie: Przed rozpoczęciem sesji należy przygotować plik model.ini zawierający ustawienia przetwarzania sygnału, których SIGFRIED użyje do zbudowania modelu, oraz plik .prm (lub oddzielne fragmenty .prm) zawierający parametry BCI2000, których moduł SigfriedSigProc użyje do wizualizacji w czasie rzeczywistym. Dwiema kluczowymi parametrami są ElectrodeLocations, określający wybrany dla konkretnych elektrod danego pacjenta układ 2D, oraz ElectrodeCondition, który określa, które zadania zostaną przypisane do których warunków. W tym przykładzie używamy prostego modułu StimulusPresentation do przekazywania instrukcji pacjentowi, dlatego parametr Stimuli również musi zostać dostosowany do zadań, które zamierzamy przeprowadzić.</li>
	<li>Krok baseline: Uruchom moduły gUSBampSource, DummySignalProcessing oraz StimulusPresentationTask, skonfigurowane do próbkowania aktywności ECoG ze wszystkich siatek i pasków z częstotliwością 1200Hz, z filtrem górnoprzepustowym ustawionym na 0.1 Hz. Poleć badanemu rozluźnienie się i pozostanie w bezruchu z otwartymi oczami. Nagraj 6 minut aktywności baseline w komfortowym oświetleniu i cichym otoczeniu.</li>
	<li>Krok modelowania: Uruchom narzędzie data2model_gui i wyodrębnij cechy w przedziałach 5 Hz od 70 do 110 Hz, stosując metodę maksymalnej entropii dla każdych 500 ms danych. Naciśnij Build Model, aby zbudować probabilistyczny model wybranych cech spektralnych z wykorzystaniem mieszanek Gaussa.</li>
	<li>Krok mapowania: Uruchom moduły gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA oraz StimulusPresentationTask i skonfiguruj Operator tak, aby załadował model probabilistyczny, model kory oraz 2- i 3-wymiarowe współrzędne elektrod. Po poinstruowaniu badanego rozpocznij proces mapowania. W procesie tym badany wykonuje każde zadanie przez 10 sekund, w 5 powtórzeniach. Podczas każdego zadania SIGFRIED wykrywa powiązaną z zadaniem aktywność ECoG, która jest prezentowana na stale aktualizowanych 2- i 3-wymiarowych mapach kory elokwentnej. Na mapach 2-wymiarowych rozmiar i czerwień każdego okręgu reprezentują jego istotność w danym zadaniu. Konkretnie, rozmiar każdego okręgu jest proporcjonalny do ułamka całkowitej wariancji sygnału w paśmie gamma, który jest wyjaśniany przez zadanie. Statystyka ta jest znana jako współczynnik determinacji, czyli r2. Mieści się on w przedziale (0,1) i w obecnej konfiguracji wartość 0.1 może być zazwyczaj uznana za istotną. Skalowanie okręgów do maksymalnych wartości r2 można kontrolować za pomocą suwaków (patrz Rysunek 1C). Na mapach 3-wymiarowych wartości r2 są przypisane do różnych kolorów zamiast rozmiarów okręgów.</li>
</ol>
5. Reprezentatywne wyniki
Rysunek 1 przedstawia reprezentatywne wyniki jednej sesji mapowania SIGFRIED u jednego pacjenta. Pacjentką była 28-letnia praworęczna kobieta z oporną na leczenie epilepsją o charakterze lokalizacyjnym z początkiem w lewym płacie skroniowym i wtórną generalizacją. Podtwardówkowo, nad lewą korą czołową, ciemieniową i skroniową, wszczepiono 120 elektrod elektrokortykograficznych. Zdjęcie rentgenowskie boczne (panel A) oraz fotografia śródoperacyjna (panel B) przedstawiają konfigurację jednej siatki czołowej z 40 elektrodami, jednej siatki skroniowej o większej gęstości z 68 elektrodami oraz trzech pasków po 4 elektrody każdy. Na podstawie zarejestrowanych napadów neurolog neurolog zlokalizował ogniska padaczkowe i uznał za konieczne przeprowadzenie chirurgicznej resekcji lewego płata skroniowego z oszczędzeniem elokwentnej kory językowej. Zabieg zakończył się sukcesem: 8 miesięcy po resekcji pacjentka została oceniona jako wolna od napadów i bez deficytów neurologicznych. Procedura pasywnego mapowania SIGFRIED zidentyfikowała korę zaangażowaną w funkcje językowe poprzez zestawienie zmian związanych z zadaniem podczas zadań słuchowych. Wyniki przedstawiono w dwóch interfejsach: dwuwymiarowym (panel C), który jasno ukazuje układ elektrod, oraz trójwymiarowym, anatomicznie poprawnym interfejsie (panel D). Panele od lewej do prawej kontrastują słuchanie mowy względem stanu spoczynkowego (VOICE), słuchanie tonów względem stanu spoczynkowego (TONES) oraz słuchanie mowy względem słuchania tonów (LANGUAGE). Ten ostatni zestaw został dołączony jako przybliżony obraz funkcji słuchowej specyficznej dla języka odbiorczego. Wyniki w warunku VOICE wykazały dobrą zgodność z lokalizacjami, w których ECS zaburzała funkcję języka odbiorczego u tej pacjentki (oznaczone żółtymi okręgami w panelu A).
<img alt="Proces mapowania mózgu z użyciem elektrod; diagram i analiza skanu mózgu; badanie aktywności neuronalnej." src="/files/ftp_upload/3993/3993fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Przykładowe wyniki jednego pacjenta. Panel A przedstawia zdjęcie rentgenowskie w projekcji bocznej. Żółte okręgi zaznaczają elektrody zaangażowane w rozumienie języka, zidentyfikowane następnie za pomocą mapowania poprzez stymulację elektrokortykalną. Panel B to fotografia wykonana podczas implantacji. Panel C pokazuje wyniki mapowania SIGFRIED w schematycznym układzie dwuwymiarowym: wielkość i czerwień każdego dysku reprezentują istotność zaangażowania danej elektrody w zadanie w stosunku do poziomu bazowego. W panelu D ta sama statystyka jest przypisana do koloru na trójwymiarowym modelu mózgu wygenerowanym z rezonansu magnetycznego (MRI) pacjenta.

<ol><li>Miller, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectral+Changes+in+Cortical+Surface+Potentials+during+Motor+Movement%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement.</a> Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).</li>
<li>Chang, E. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Categorical+speech+representation+in+human+superior+temporal+gyrus%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Categorical speech representation in human superior temporal gyrus.</a> Nature Neuroscience. 13, 1428-1428 (2010).</li>
<li>Gunduz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neural+correlates+of+visual-spatial+attention+in+electrocorticographic+signals+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Neural correlates of visual-spatial attention in electrocorticographic signals in humans.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 5, (2011).</li>
<li>Pei, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatiotemporal+dynamics+of+electrocorticographic+high+gamma+activity+during+overt+and+covert+word+repetition%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Spatiotemporal dynamics of electrocorticographic high gamma activity during overt and covert word repetition.</a> NeuroImage. 54, 2960(2010).</li>
<li>Crone, N. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-frequency+gamma+oscillations+and+human+brain+mapping+with+electrocorticography%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Brain+Research%22%5BJournal%5D)">High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography.</a> Progress in Brain Research. 159, 275(2006).</li>
<li>Brunner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+communication+with+a+%22P300%22+matrix+speller+using+electrocorticographic+signals+%28ECoG%29%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroprosthetics%22%5BJournal%5D)">Rapid communication with a "P300" matrix speller using electrocorticographic signals (ECoG).</a> Frontiers in Neuroprosthetics. 5, (2010).</li>
<li>Leuthardt, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+brain-computer+interface+using+electrocorticographic+signals+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans.</a> Journal of Neural Engineering. 1, (2004).</li>
<li>Schalk, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((BCI2000%3A+A+General-Purpose+Brain-Computer+Interface+%28BCI%29+System%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+in+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">BCI2000: A General-Purpose Brain-Computer Interface (BCI) System.</a> IEEE Transactions in Biomedical Engineering. 51, 1034(2004).</li>
<li>Schalk, G., Mellinger, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSchalk%2C+G+%22A+Practical+Guide+to+Brain-Computer+Interfacing+with+BCI2000%22">A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000</a>. , Springer. London. (2010).</li>
<li>Brunner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+practical+procedure+for+real-time+functional+mapping+of+eloquent+cortex+using+electrocorticographic+signals+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Epilepsy+and+Behavior%22%5BJournal%5D)">A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans.</a> Epilepsy and Behavior. 15, 278(2009).</li>
</ol>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Gromadzenie danych ECoG do celów badawczych wymaga ścisłej współpracy między klinicystami a naukowcami, przy udziale wysoce multidyscyplinarnego zespołu rozwiązującego problemy z zakresu neurologii klinicznej, neurochirurgii, podstaw neuronauki, informatyki oraz inżynierii elektrycznej. Nagrodą jest fakt, że sygnały ECoG, a w szczególności amplitudy w zakresie wysokich częstotliwości gamma (70-110Hz), są niezwykle cenne. Nie tylko dostarczają one naukowych informacji o neuronalnych korelatach procesów poznawczych, sensor...

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;ol&gt; &lt;li&gt;8 x 16-kanałowe wzmacniacze g.USBamp ( &lt;a href=&quot;http://gtec.at&quot; target=&quot;_blank">http://gtec.at&lt;/a&gt; )&lt;/li&gt; &lt;li&gt;2 x 64-kanałowa skrzynka rozdzielcza (splitter head-box)&lt;/li&gt; &lt;li&gt;2 x kabel połączeniowy ze splittera do systemu klinicznego&lt;/li&gt; &lt;li&gt;2 x kabel połączeniowy ze splittera do czterech wzmacniaczy g.USBamp&lt;/li&gt; &lt;li&gt;2 x czterokierunkowy adapter zasilania dla czterech wzmacniaczy g.USBamp&lt;/li&gt; &lt;li&gt;2 x czterokierunkowy adapter synchronizacji do synchronizacji czterech wzmacniaczy g.USBamp&lt;/li&gt; &lt;li&gt;1 x kabel synchronizacyjny do synchronizacji dwóch zestawów po cztery wzmacniacze g.USBamp&lt;/li&gt; &lt;li&gt;1 x zacisk wyrównujący potencjał + kabel dla g.USBamp&lt;/li&gt; &lt;li&gt;18 x bezpieczne kable połączeniowe (z jumperami)&lt;/li&gt; &lt;li&gt;2 x czteroportowe huby USB 2.0&lt;/li&gt; &lt;li&gt;Listwa zasilająca&lt;/li&gt; &lt;li&gt;Laptop lub komputer stacjonarny (patrz sekcja 2.1)&lt;/li&gt; &lt;li&gt;Stabilny, mobilny wózek na wszystkie powyższe elementy&lt;/li&gt; &lt;li&gt;Okulograf (lub zwykły monitor LCD) dla pacjenta&lt;/li&gt; &lt;li&gt;Mobilny stolik z tacką pod monitor pacjenta&lt;/li&gt; &lt;li&gt;Inne urządzenia peryferyjne (joysticki itp.) do rejestracji reakcji behawioralnych pacjenta&lt;/li&gt; &lt;li&gt;Oprogramowanie BCI2000&lt;/li&gt; &lt;li&gt;Oprogramowanie CURRY&lt;/li&gt; &lt;li&gt;Oprogramowanie MATLAB&lt;/li&gt; &lt;/ol&gt;</td></tr></tbody></table>

rejestracja ludzkich sygnałów elektrokortykograficznych (ecog) w badaniach neuronaukowych i funkcjonalnym mapowaniu kory mózgowej w czasie rzeczywistym

Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Badania neuroobrazowe ludzkich procesów poznawczych, sensorycznych i motorycznych opierają się zazwyczaj na technikach nieinwazyjnych, takich jak elektroencefalografia (EEG), magnetoencefalografia lub funkcjonalny rezonans magnetyczny. Techniki te charakteryzują się albo immanentnie niską rozdzielczością czasową, albo niską rozdzielczością przestrzenną, a ponadto cierpią z powodu niskiego stosunku sygnału do szumu i/lub słabej czułości na wysokie częstotliwości. W związku z tym są one suboptimalne do badania krótkotrwałej dynamiki czasowo-przestrzennej wielu podstawowych procesów mózgowych. W przeciwieństwie do nich, inwazyjna technika elektrokortykografii (ECoG) dostarcza sygnałów mózgowych o wyjątkowo wysokim stosunku sygnału do szumu, mniejszej podatności na artefakty niż EEG oraz wysokiej rozdzielczości przestrzennej i czasowej (tj. odpowiednio &lt;1 cm/&lt;1 millisecond). ECoG polega na pomiarze elektrycznych sygnałów mózgowych przy użyciu elektrod implantowanych podtwardówkowo na powierzchni mózgu. Niedawne badania wykazały, że amplitudy ECoG w określonych pasmach częstotliwości niosą istotne informacje o aktywności związanej z zadaniem, takiej jak wykonanie i planowanie ruchowe1, przetwarzanie słuchowe2 oraz uwaga wizualno-przestrzenna3. Większość tych informacji jest rejestrowana w wysokim zakresie gamma (około 70-110 Hz). W związku z tym aktywność gamma została zaproponowana jako wiarygodny i ogólny wskaźnik lokalnej funkcji kory1-5. ECoG może również ujawniać łączność funkcjonalną i rozdzielać subtelniejszą dynamikę czasowo-przestrzenną związaną z zadaniem, poszerzając tym samym naszą wiedzę na temat wielkoskalowych procesów korowych. Okazało się to szczególnie przydatne w rozwoju technologii interfejsów mózg-komputer (BCI) do dekodowania intencji użytkownika w celu usprawnienia lub poprawy komunikacji6 oraz kontroli7. Niemniej jednak, ludzkie dane ECoG są często trudne do uzyskania ze względu na ryzyko i ograniczenia związane z inwazyjnymi procedurami oraz konieczność rejestracji w warunkach klinicznych. Mimo to, monitorowanie kliniczne w celu lokalizacji ognisk epileptycznych stwarza wyjątkową i cenną okazję do gromadzenia ludzkich danych ECoG. Opisujemy nasze metody rejestracji ECoG i demonstrujemy, jak wykorzystać te sygnały w ważnych zastosowaniach w czasie rzeczywistym, takich jak mapowanie kliniczne i interfejsy mózg-komputer. Nasz przykład wykorzystuje platformę programową BCI20008,9 oraz metodę SIGFRIED10, aplikację do mapowania funkcji mózgu w czasie rzeczywistym. Procedura ta dostarcza informacji, które klinicyści mogą następnie wykorzystać do prowadzenia złożonego i żmudnego procesu mapowania funkcjonalnego za pomocą stymulacji elektrycznej.
Wymagania wstępne i planowanie:
Pacjenci z lekooporną padaczką częściową mogą być kandydatami do chirurgicznej resekcji ogniska padaczkowego w celu zminimalizowania częstotliwości napadów. Przed resekcją pacjenci poddawani są monitorowaniu za pomocą elektrod podtwardówkowych w dwóch celach: po pierwsze, aby zlokalizować ognisko padaczkowe, a po drugie, aby zidentyfikować pobliskie krytyczne obszary mózgu (tj. korę elokwentną), w których resekcja mogłaby doprowadzić do trwałych deficytów funkcjonalnych. W celu implantacji elektrod przeprowadza się kraniotomię w celu otwarcia czaszki. Następnie siatki i/lub paski elektrod są umieszczane na korze, zazwyczaj pod oponą twardą. Typowa siatka składa się z zestawu 8 x 8 elektrod platynowo-irydowych o średnicy 4 mm (powierzchnia eksponowana 2,3 mm) zatopionych w silikonie, z odległością międzyelektrodową wynoszącą 1 cm. Pasek zazwyczaj zawiera 4 lub 6 takich elektrod w jednej linii. Lokalizacja tych siatek/pasków jest planowana przez zespół neurologów i neurochirurgów na podstawie wcześniejszego monitorowania EEG, strukturalnego MRI mózgu pacjenta oraz istotnych czynników z historii choroby pacjenta. Ciągły zapis w okresie od 5 do 12 dni służy do lokalizacji ognisk padaczkowych, a stymulacja elektryczna za pomocą implantowanych elektrod pozwala klinicystom na mapowanie kory elokwentnej. Po zakończeniu okresu monitorowania eksplantacja elektrod oraz resekcja terapeutyczna są przeprowadzane wspólnie w ramach jednego zabiegu.
Poza głównym celem klinicznym, monitorowanie inwazyjne stwarza również wyjątkową okazję do pozyskiwania ludzkich danych ECoG na potrzeby badań neuronaukowych. Decyzja o włączeniu potencjalnego pacjenta do badania opiera się na planowanej lokalizacji elektrod, wynikach neuropsychologicznych pacjenta oraz jego świadomej zgodzie, która wynika ze zrozumienia, że udział w badaniach jest opcjonalny i nie jest powiązany z leczeniem. Jak w przypadku wszystkich badań z udziałem ludzi, protokół badawczy musi zostać zatwierdzony przez szpitalną komisję bioetyczną. Decyzja o przeprowadzeniu poszczególnych zadań eksperymentalnych jest podejmowana każdego dnia i zależy od wytrzymałości oraz chęci pacjenta do udziału. Niektóre lub wszystkie eksperymenty mogą zostać uniemożliwione przez problemy związane ze stanem klinicznym pacjenta, takie jak pooperacyjny obrzęk twarzy, przejściowa afazja, częste napady, zmęczenie i splątanie po napadzie oraz ogólny ból lub dyskomfort.
W Oddziale Monitorowania Padaczki w Albany Medical Center w Albany w stanie Nowy Jork monitorowanie kliniczne jest prowadzone całą dobę z wykorzystaniem 192-kanałowego systemu monitorującego Nihon-Kohden Neurofax. Nagrania badawcze są realizowane we współpracy z Wadsworth Center Departamentu Zdrowia Stanu Nowy Jork w Albany. Sygnały z elektrod ECoG są przesyłane jednocześnie do systemów badawczych i klinicznych za pomocą rozdzielaczy. Aby zapewnić brak zakłóceń między systemem klinicznym a badawczym, oba systemy zazwyczaj wykorzystują oddzielne uziemienia. W rzeczywistości czasami implantuje się epiduralny pasek elektrod w celu zapewnienia uziemienia dla systemu klinicznego. Niezależnie od tego, czy stosowany jest system rejestracji badawczej, czy klinicznej, elektrodę uziemiającą wybiera się w taki sposób, aby znajdowała się ona w odległości od przewidywanego ogniska padaczkowego oraz od obszarów kory istotnych dla badania. Nasz system badawczy składa się z ośmiu zsynchronizowanych 16-kanałowych jednostek wzmacniająco-cyfryzujących g.USBamp (g.tec, Graz, Austria). Wybrano je ze względu na certyfikację bezpieczeństwa oraz zatwierdzenie przez FDA do rejestracji inwazyjnych, bardzo niski poziom szumów w zakresie wysokich częstotliwości, w którym znajdują się interesujące nas sygnały, a także dzięki dostarczonemu zestawowi SDK, który umożliwia ich integrację z autorskim oprogramowaniem badawczym. Aby dokładnie zarejestrować sygnał wysokiej gamma, sygnały są nabywane z częstotliwością próbkowania 1200Hz, co jest wartością znacznie wyższą niż w typowym badaniu EEG lub w wielu systemach monitorowania klinicznego. Wbudowany filtr dolnoprzepustowy automatycznie zapobiega powstawaniu aliasingu sygnałów o częstotliwości wyższej, niż jest w stanie zarejestrować cyfryzer. Kierunek spojrzenia pacjenta jest śledzony za pomocą monitora z wbudowanym systemem eye-trackingowym Tobii T-60 (Tobii Tech., Sztokholm, Szwecja). Dodatkowe akcesoria, takie jak joystick, bluetooth Wiimote (Nintendo Co.), rękawica danych (5th Dimension Technologies), klawiatura, mikrofon, słuchawki lub kamera wideo, są podłączane w zależności od wymagań konkretnego eksperymentu.
Gromadzenie danych, prezentacja bodźców, synchronizacja z różnymi akcesoriami wejścia/wyjścia oraz analiza i wizualizacja w czasie rzeczywistym są realizowane przy użyciu naszego oprogramowania BCI20008,9. BCI2000 to ogólnodostępny, ogólnego przeznaczenia system programistyczny do akwizycji, przetwarzania i sprzężenia zwrotnego danych biosygnałów w czasie rzeczywistym. Zawiera on zestaw gotowych modułów, które można elastycznie konfigurować dla wielu różnych celów oraz rozszerzać o własny kod badaczy napisany w językach C++, MATLAB lub Python. BCI2000 składa się z czterech modułów komunikujących się ze sobą za pomocą protokołu sieciowego: modułu Source (źródło), który odpowiada za akwizycję sygnałów mózgowych z jednego z 19 różnych systemów sprzętowych od różnych producentów; modułu Signal Processing (przetwarzanie sygnałów), który wyodrębnia istotne cechy ECoG i przekształca je w sygnały wyjściowe; modułu Application (aplikacja), który dostarcza bodźce i sprzężenie zwrotne do badanego; oraz modułu Operator (operator), który zapewnia interfejs graficzny dla badacza.
U danego pacjenta można przeprowadzić szereg różnych eksperymentów. Priorytet poszczególnych badań będzie zależał od lokalizacji elektrod u konkretnego pacjenta. Zazwyczaj jednak rozpoczynamy eksperymenty od zastosowania metody mapowania SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection), która w czasie rzeczywistym wykrywa i wyświetla istotną aktywność związaną z wykonywanym zadaniem. Powstała mapa funkcjonalna pozwala na dalsze dostosowanie kolejnych protokołów eksperymentalnych, a także może stanowić przydatny punkt wyjścia dla tradycyjnego mapowania za pomocą elektrokortykalnej stymulacji (ECS).
Chociaż mapowanie za pomocą elektrycznej stymulacji kory (ECS) pozostaje złotym standardem w przewidywaniu wyniku klinicznego resekcji, proces ten jest czasochłonny i wiąże się z innymi problemami, takimi jak wyładowania pooperacyjne lub napady drgawek. W związku z tym pasywna technika mapowania funkcjonalnego może okazać się cenna w dostarczeniu wstępnej oceny lokalizacji kory elokwentnej, która może być następnie potwierdzona i doprecyzowana za pomocą ECS. Wykazano, że wyniki uzyskane dzięki naszej pasywnej technice mapowania SIGFRIED wykazują znaczną zgodność z wynikami uzyskanymi za pomocą mapowania ECS10.
Protokół opisany w niniejszej pracy ustanawia ogólną metodologię gromadzenia ludzkich danych ECoG, a następnie ilustruje, w jaki sposób można uruchamiać eksperymenty z wykorzystaniem platformy programistycznej BCI2000. Na koniec, jako konkretny przykład, opisujemy sposób przeprowadzania pasywnego mapowania funkcjonalnego z wykorzystaniem systemu SIGFRIED opartego na BCI2000.

Przedstawiamy metodę pozyskiwania sygnałów elektrokortykograficznych do celów badawczych u ludzi poddawanych inwazyjnemu monitorowaniu epilepsji. Pokazujemy, jak wykorzystać platformę programową BCI2000 do zbierania danych, przetwarzania sygnałów oraz prezentacji bodźców. W szczególności prezentujemy SIGFRIED, narzędzie oparte na BCI2000 służące do funkcjonalnego mapowania mózgu w czasie rzeczywistym.

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

Badania neuroobrazowe ludzkich procesów poznawczych, sensorycznych i motorycznych opierają się zazwyczaj na technikach nieinwazyjnych, takich jak elektroencefalografia (EEG), ...

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 wyko

recording-human-electrocorticographic-ecog-signals-for

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Rejestrowanie ludzkich sygnałów elektrokortikograficznych (ECoG) w badaniach neuronaukowych i w czasie rzeczywistym mapowanie funkcjonalne kory mózgowej

Źródło: Fehér, K. D. et al., Jednoczesne nagrywanie elektroencefalografii podczas przezczaszkowej stymulacji prądem przemiennym (tACS). J. Vis. Exp. (2016)Ten film demonstruje konfigurację jednoczesnej przezczaszkowej stymulacji prądem przemiennym (tACS) i eksperymentów elektroencefalografii (EEG) w celu dostarczania rytmicznych sygnałów elektrycznych do mózgu podczas rejestrowania aktywności mózgu. Procedura zapewnia izolację elektrod i zapobiega mostkowaniu żelu, zapewniając dokładną...

Ustanowienie jednoczesnej przezczaszkowej stymulacji prądem przemiennym i elektroencefalografii do rejestrowania aktywności ludzkiego mózgu

Ten film pokazuje proces rejestrowania aktywności neuronalnej kory mózgowej i podkorowej za pomocą elektrod elektroencefalograficznych (EEG) i głębokiej stymulacji mózgu (DBS) podczas testu stymulacji wzrokowej opartej na uwadze.

Rejestrowanie aktywności neuronalnej kory mózgowej i podkorowej za pomocą systemów elektrod

Tutaj opisujemy, jak wykonywać zapisy wieloelektrodowe tkanki ludzkiej kory padaczkowej. Szczegółowo zademonstrowano resekcję tkanki padaczkowej, przygotowanie plastrów i zapisy wieloelektrodowe zdarzeń międzynapadowych i ictalowych.

Wieloelektrodowe zapisy pooperacyjnej tkanki korowej ludzkiego epilepsji

Niniejszy protokół ma na celu ocenę funkcji poznawczo-emocjonalnych w zwojach podstawy poprzez jednoczesny neurofizjologiczny zapis lokalnych potencjałów pola i nieinwazyjną aktywność kory mózgowej (EEG). Przykładem procedury jest zastosowanie paradygmatów obejmujących bodźce mowy o konotacji emocjonalnej lub zadania Flankera polegającego na kontroli poznawczej.

Połączone inwazyjne podkorowe i nieinwazyjne powierzchniowe zapisy neurofizjologiczne do oceny funkcji poznawczych i emocjonalnych u ludzi

Metoda obrazowania multimodalnego EEG-fMRI, znana jako metoda obrazowania źródła EEG ograniczona czasoprzestrzennie za pomocą fMRI, jest opisana tutaj. Przedstawiona metoda wykorzystuje warunkowo aktywne submapy fMRI lub wcześniejsze mapy, aby pokierować lokalizacją źródła EEG w sposób, który poprawia specyficzność przestrzenną i ogranicza błędne wyniki.

Jednoczesny zapis EEG i funkcjonalny rezonans magnetyczny oraz analiza integracji w celu dynamicznego obrazowania aktywności kory mózgowej

Opracowaliśmy całokorową matrycę elektrokortykograficzną dla marmozety pospolitej, która nieprzerwanie pokrywa prawie całą boczną powierzchnię kory, od bieguna potylicznego do bieguna skroniowego i czołowego. Protokół ten opisuje przewlekłą procedurę implantacji matrycy w przestrzeni zewnątrzoponowej mózgu marmozety.

Przewlekła implantacja całej korowej matrycy elektrokortykograficznej u marmozety zwyczajnej

Opisujemy tutaj metodę wytwarzania matryc mikroelektrod Ti3C2 MXene i wykorzystywania ich do rejestracji neuronowej in vivo.

Produkcja matryc mikroelektrod Ti3C2 MXene do rejestracji neuronowej in vivo

Tutaj prezentujemy metodę długoterminowej oceny wydajności i bezpieczeństwa miękkich matryc elektrod podtwardówkowych w modelu minipig, opisując metodę i narzędzia chirurgiczne, pooperacyjny rezonans magnetyczny, elektrofizjologię kory słuchowej, właściwości elektrochemiczne implantu oraz immunochemię pośmiertną.

Implantacja matrycy podtwardówkowej miękkiej elektrokortykografii (ECoG) i długotrwała rejestracja kory mózgowej u świnek miniaturowych

Nowatorski protokół spersonalizowanej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej w połączeniu z mapowaniem sieci korowych za pomocą elektroencefalografii (TMS–EEG), oparty na wielu modalnościach obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI).

Neuroobrazowanie TMS-EEG do mapowania sieci korowej w czasie rzeczywistym

Tutaj prezentujemy dwa protokoły do rejestracji mikro-elektrokortykografii o wysokiej gęstości (μEcoG) u szczurów i myszy, w tym metody chirurgiczne, implantacyjne i rejestracyjne. Zapisy μECoG są wykonywane w połączeniu z zapisem laminarnej politrody w korze słuchowej szczura lub z optogenetycznym manipulowaniem aktywnością neuronalną w korze somatosensorycznej myszy.

Wieloskalowe badania przetwarzania kory mózgowej poprzez integrację politrod laminarnych i optogenetyki z mikroelektrokortykografią u gryzoni

Poznaj metodę rejestracji sygnałów ECoG u pacjentów z epilepsją przy użyciu platformy BCI2000. Technika ta umożliwia mapowanie funkcjonalne kory mózgowej w czasie rzeczywistym poprzez analizę aktywności w zakresie wysokiej częstotliwości gamma.

Rejestrowanie ludzkich sygnałów elektrokortykograficznych (ECoG) do badań neuronaukowych i funkcjonalnego mapowania kory mózgowej w czasie rzeczywistym (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów