Gravação Humanos eletrocorticográfica (ECOG) Sinais para pesquisa neurocientífica e mapeamento em tempo real Funcional Cortical

Resumo

Nós apresentamos um método de coleta de sinais eletrocorticográfica para fins de pesquisa de seres humanos que são submetidos a monitorização invasiva epilepsia. Nós mostramos como usar a plataforma de software BCI2000 para coleta de dados, processamento de sinal e apresentação do estímulo. Especificamente, nós demonstramos Sigfried, uma ferramenta BCI2000 baseado em tempo real de mapeamento cerebral funcional.

Resumo

Estudos de neuroimagem dos processos cognitivos, sensoriais e motores humanos geralmente são baseados em técnicas não invasivas, como eletroencefalografia (EEG), magnetoencefalografia ou imagem por ressonância magnética funcional. Essas técnicas possuem, inerentemente, baixa resolução temporal ou espacial, e sofrem com baixa relação sinal-ruído e/ou sensibilidade deficiente a altas frequências. Assim, são subótimas para explorar a dinâmica espaço-temporal de curta duração de muitos dos processos cerebrais subjacentes. Em contraste, a técnica invasiva de eletrocorticografia (ECoG) fornece sinais cerebrais com uma relação sinal-ruído excepcionalmente alta, menor suscetibilidade a artefatos do que o EEG e alta resolução espacial e temporal (ou seja, <1 cm/<1 milissegundo, respectivamente). A ECoG envolve a medição de sinais elétricos cerebrais por meio de eletrodos implantados subduralmente na superfície do cérebro. Estudos recentes mostraram que as amplitudes da ECoG em certas bandas de frequência carregam informações substanciais sobre atividades relacionadas a tarefas, como execução e planejamento motores¹, processamento auditivo² e atenção visuoespacial³. A maior parte dessas informações é capturada na faixa gama alta (cerca de 70-110 Hz). Assim, a atividade gama tem sido proposta como um indicador robusto e geral da função cortical local^1-5. A ECoG também pode revelar conectividade funcional e resolver dinâmicas espaço-temporais mais refinadas relacionadas a tarefas, avançando, assim, nosso entendimento sobre processos corticais em larga escala. Tem sido especialmente útil para o avanço da tecnologia de interfaces cérebro-computador (BCI, na sigla em inglês) para decodificar as intenções do usuário, a fim de aprimorar ou melhorar a comunicação⁶ e o controle⁷. No entanto, os dados de ECoG humanos são frequentemente difíceis de obter devido aos riscos e limitações dos procedimentos invasivos envolvidos e à necessidade de realizar registros dentro das restrições de ambientes clínicos. Ainda assim, o monitoramento clínico para localizar focos epilépticos oferece uma oportunidade única e valiosa para coletar dados de ECoG humanos. Descrevemos nossos métodos para coletar gravações de ECoG e demonstramos como usar esses sinais em aplicações importantes em tempo real, como mapeamento clínico e interfaces cérebro-computador. Nosso exemplo utiliza a plataforma de software BCI2000^8,9 e o método SIGFRIED¹⁰, uma aplicação para mapeamento em tempo real das funções cerebrais. Esse procedimento fornece informações que clínicos podem posteriormente utilizar para orientar o processo complexo e trabalhoso de mapeamento funcional por estimulação elétrica.

Pré-requisitos e Planejamento:

Pacientes com epilepsia parcial resistente a medicamentos podem ser candidatos à cirurgia ressecional de um foco epiléptico para minimizar a frequência das crises. Antes da ressecção, os pacientes são submetidos a monitorização com eletrodos subdurais com dois objetivos: primeiro, localizar o foco epiléptico, e segundo, identificar áreas cerebrais críticas próximas (isto é, córtex eloquente), onde a ressecção poderia resultar em déficits funcionais de longo prazo. Para implantar os eletrodos, realiza-se uma craniotomia para abrir o crânio. Em seguida, grades e/ou fitas de eletrodos são posicionadas sobre o córtex, geralmente sob a dura-máter. Uma grade típica possui um conjunto de 8 x 8 eletrodos de platina-irídio com diâmetro de 4 mm (2,3 mm de superfície exposta), embutidos em silicone, com distância intereletrodos de 1 cm. Uma fita geralmente contém 4 ou 6 desses eletrodos dispostos em linha única. Os locais para essas grades/fitas são planejados por uma equipe de neurologistas e neurocirurgiões, com base em monitorizações prévias de EEG, em ressonância magnética estrutural do cérebro do paciente e em fatores relevantes do histórico clínico. A gravação contínua durante um período de 5 a 12 dias serve para localizar focos epilépticos, e a estimulação elétrica por meio dos eletrodos implantados permite aos clínicos mapear o córtex eloquente. Ao final do período de monitorização, a explantação dos eletrodos e a ressecção terapêutica são realizadas conjuntamente em um único procedimento.

Além de sua finalidade clínica principal, o monitoramento invasivo também oferece uma oportunidade única para obter dados de ECoG humanos para pesquisas neurocientíficas. A decisão de incluir um paciente em potencial na pesquisa baseia-se na localização planejada de seus eletrodos, nos escores de desempenho do paciente em avaliações neuropsicológicas e em seu consentimento informado, o qual depende da compreensão de que a participação na pesquisa é opcional e não está relacionada ao seu tratamento. Como em todas as pesquisas envolvendo seres humanos, o protocolo de pesquisa deve ser aprovado pelo comitê de ética em pesquisa do hospital. A decisão de realizar tarefas experimentais individuais é tomada dia a dia e depende da resistência e da disposição do paciente em participar. Alguns ou todos os experimentos podem ser impedidos por problemas no estado clínico do paciente, tais como inchaço facial pós-operatório, afasia temporária, crises frequentes, fadiga e confusão pós-ictais, e dor ou desconforto mais generalizados.

Na Unidade de Monitoramento de Epilepsia do Albany Medical Center em Albany, Nova York, o monitoramento clínico é realizado continuamente utilizando um sistema de monitoramento Neurofax de 192 canais da Nihon-Kohden. As gravações de pesquisa são realizadas em colaboração com o Wadsworth Center do Departamento de Saúde do Estado de Nova York em Albany. Os sinais dos eletrodos de ECoG são enviados simultaneamente aos sistemas de pesquisa e clínico por meio de conectores divisores. Para garantir que os sistemas clínico e de pesquisa não interfiram um no outro, os dois sistemas geralmente utilizam terras separadas. De fato, às vezes é implantada uma tira epidural de eletrodos para fornecer uma terra para o sistema clínico. Tanto no sistema de gravação clínica quanto no de pesquisa, o eletrodo de terra é escolhido de forma a ficar distante do foco epiléptico previsto e das áreas corticais de interesse para a pesquisa. Nosso sistema de pesquisa é composto por oito unidades amplificadoras/digitalizadoras g.USBamp sincronizadas de 16 canais (g.tec, Graz, Áustria). Essas unidades foram escolhidas porque possuem certificação de segurança e aprovação da FDA para gravações invasivas, apresentam um ruído de fundo muito baixo na faixa de alta frequência onde os sinais de interesse são encontrados e vêm com um SDK que permite sua integração com software de pesquisa desenvolvido especialmente. Para capturar com precisão o sinal gama-alto, adquirimos os sinais com uma taxa de amostragem de 1200 Hz — consideravelmente mais alta do que a de um experimento típico de EEG ou de muitos sistemas de monitoramento clínico. Um filtro passa-baixa embutido impede automaticamente o aliasing de sinais superiores à capacidade de captura do digitalizador. O olhar do paciente é rastreado utilizando um monitor com um sistema integrado de rastreamento ocular Tobii T-60 (Tobii Tech., Estocolmo, Suécia). Acessórios adicionais, como joystick, Wiimote Bluetooth (Nintendo Co.), luva de dados (5^th Dimension Technologies), teclado, microfone, fones de ouvido ou câmera de vídeo, são conectados conforme as necessidades do experimento específico.

A coleta de dados, apresentação de estímulos, sincronização com os diferentes acessórios de entrada/saída e análise e visualização em tempo real são realizadas utilizando nosso software BCI2000^8,9. O BCI2000 é um sistema de software de propósito geral, gratuitamente disponível, para aquisição, processamento e realimentação de dados de biossinais em tempo real. Ele inclui uma variedade de módulos pré-construídos que podem ser configurados flexivelmente para diversas finalidades e que podem ser expandidos com código próprio dos pesquisadores em C++, MATLAB ou Python. O BCI2000 é composto por quatro módulos que se comunicam entre si por meio de um protocolo compatível com rede: um módulo Fonte que gerencia a aquisição de sinais cerebrais a partir de um dos 19 diferentes sistemas de hardware de diversos fabricantes; um módulo de Processamento de Sinal que extrai características relevantes de ECoG e as traduz em sinais de saída; um módulo de Aplicação que fornece estímulos e realimentação ao sujeito; e o módulo Operador que oferece uma interface gráfica ao pesquisador.

Vários experimentos diferentes podem ser realizados com qualquer paciente específico. A prioridade dos experimentos será determinada pela localização dos eletrodos do paciente em questão. No entanto, geralmente iniciamos nossos experimentos utilizando o método de mapeamento SIGFRIED (Modelagem de Sinal para Identificação em Tempo Real e Detecção de Eventos), que detecta e exibe atividade significativa relacionada à tarefa em tempo real. O mapa funcional resultante permite-nos ajustar ainda mais os protocolos experimentais subsequentes e também pode servir como um ponto de partida útil para o mapeamento tradicional por estimulação eletrocortical (ECS).

Embora o mapeamento por ECS permaneça o padrão ouro para prever o resultado clínico da ressecção, o processo de mapeamento por ECS é demorado e apresenta outros problemas, como descargas pós-epilépticas ou convulsões. Assim, uma técnica passiva de mapeamento funcional pode ser valiosa para fornecer uma estimativa inicial do locus da córtex eloquente, que então pode ser confirmada e refinada pelo ECS. Os resultados obtidos com nossa técnica passiva de mapeamento SIGFRIED demonstraram apresentar concordância substancial com os resultados derivados do mapeamento por ECS¹⁰.

O protocolo descrito neste artigo estabelece uma metodologia geral para a coleta de dados de ECoG humanos, antes de ilustrar como os experimentos podem ser iniciados usando a plataforma de software BCI2000. Por fim, como exemplo específico, descrevemos como realizar mapeamento funcional passivo utilizando o sistema SIGFRIED baseado no BCI2000.

Protocolo

1. Localização eletrodo

1. Coletar uma pré-operatório T1 ressonância magnética estrutural (1.5T ou 3T) da cabeça do paciente: 256 x 256 pixels por fatia, campo de visão completo, sem interpolação, 1 fatia de largura mm, de preferência sagitais secções transversais.
2. Observe a implantação cirúrgica das grades e fitas. Recolha de fotografias digitais dos eletrodos in situ, e notas do neurocirurgião sobre os locais das redes implantadas e tiras.
3. Colete os pós-operatórios crânio radiografias e tomografias cerebrais TC em alta resolução (1 fatia largura mm, pele a pele, sem ângulo).
4. Criar um modelo tridimensional cortical do cérebro do paciente utilizando a ressonância magnética pré-operatória, e co-registrá-lo com os pós-grid imagens de implantação do CT. Nós usamos o pacote de software CURRY para este fim, e exportar a estrutura 3D cortical e eletrodo coordenadas em formato MATLAB. De MATLAB, nós exportamos um filme que mostra os eletrodos mapeados para o cérebro. Nós também map o eletrodo coordena a áreas de Brodmann padrão utilizando um sistema automatizado Talairach atlas.
5. Revise as informações a partir do modelo 3D, X-ray imagens, fotografias e notas. Finalize um esquema de numeração para os eletrodos, e trabalho com os técnicos do hospital para garantir que os eletrodos são corrigidas para o divisor de caixas seguindo esta numeração exata. Também criar um layout esquemático para traçar os eletrodos em duas dimensões, de tal forma que todas as posições de eletrodos pode ser claramente distinguido sem sobreposição. Se você está indo para executar Sigfried (ver secção 4), salvar essas coordenadas bidimensionais como um fragmento parâmetro BCI2000, no formato exigido pelo parâmetro ElectrodeLocations. Finalmente, selecione dois locais de eletrodos que são susceptíveis de ser electrocorticographically "silenciosa", ou seja, eles não estão perto do córtex eloqüente presumida, para usar como um solo inicial e de referência (preparar os g.USBamps por remendar a referência para os soquetes azuis, e no soloàs tomadas de amarelo, da extrema direita de cada unidade).

2. Hardware e Configuração do Software

1. Garantir que as especificações do computador são adequados para lidar com os requisitos de processamento do experimento. Um processador multi-core vai provavelmente ser necessário para acomodar as exigências de tempo real de aquisição e processamento de dados, gravação de vídeo, e outras tarefas necessárias. Para a gravação e análise em tempo real de 128 canais em 1200 Hz, usamos uma máquina 3-GHz quad-core com 4 GB de RAM. Os amplificadores devem ser ligados a um controlador USB dedicado, distinto do controlador (s) utilizado por outros de largura de banda periféricos, como discos externos e câmaras (isto pode ser verificado por meio do Gerenciador de Dispositivos do sistema). Finalmente, deve haver espaço em disco suficiente para armazenar até 5 MB por segundo de dados experimentais, e um sistema de arquivamento e backup-lo.
2. Configure o equipamento de pesquisa (amplificadores, computador, tela experimentador, keyboard, alto-falantes, microfone e câmera) em um carro único, que pode ser rapidamente rolou dentro e fora do quarto do paciente, com apenas um único cabo de alimentação para ligar na parede. Para mover o computador de sala para sala, use a função de hibernação antes de desligar. A tela do paciente vídeo deve estar em uma mesa bandeja separada ou braço monitor. Considerando que o paciente está propenso a convulsões, certifique-se que todo o equipamento pode ser rolada para fora do caminho rapidamente no caso de pessoal médico precisa ter acesso imediato ao paciente. O equipamento também deve ser desinfectado com toalhetes anti-sépticas antes e após a sua utilização no quarto do paciente.
3. Tempo com o paciente é limitado, e todos os procedimentos precisam ser robusta e otimizada para fazer o melhor uso desse tempo. A este respeito, a flexibilidade e robustez do BCI2000 são características valiosas. Certifique-se que os experimentos podem ser lançados com o toque de um botão. No caso de BCI2000, use um arquivo de lote para iniciar a combinação certa deBCI2000 módulos automaticamente, com as necessárias de linha de comando. O operador e módulos gUSBampSource são necessárias, juntamente com o SignalProcessing apropriado e módulos de aplicativos para a sua experiência particular. Use o recurso de scripts BCI2000 operador para garantir que todos os arquivos de parâmetros necessários são carregados automaticamente, incluindo os que são específicos para esse paciente, tais como o número de eletrodos e os respectivos nomes e posições. O objectivo da presente automação é o de minimizar o número de passos manuais pelo experimentador, e, assim, as possibilidades de erro. O software e os seus parâmetros precisam ter sido concluído e testado (talvez com um assunto EEG), pelo menos, uma ou duas semanas antes da implantação. Também é altamente recomendável realizar uma "seca" correria do dia antes da primeira sessão experimental, incluindo todos os novos pacientes parâmetros específicos.

3. Sessão Experimental Set-up

1. Escolha o seu momento parasugerindo gravações experimentais para o paciente, dando-lhes notar no início do dia, e novamente 15 minutos antes de começar. Contornar Visitantes, refeições, sonecas, procedimentos médicos, e estado do paciente, físico, emocional e cognitivo. É importante estabelecer um relacionamento com o pessoal médico no chão, para ajudar a otimizar o tempo e duração das gravações.
2. Roda o equipamento em local, conectar-se à tomada, vire na tela do sujeito de vídeo e conectá-lo ao computador, e não-hibernar o computador.
3. Lançamento BCI2000. Com o parâmetro VisualizeSource habilitado, pressione Definir Config. O espectador sinal abre, permitindo-lhe avaliar a qualidade do sinal ECoG. Botão direito do mouse sobre o espectador e definir o filtro passa-alta para um corte de 5 Hz. (Essa configuração filtro afetará somente a visualização, e não uma coleção de dados.)
4. Verifique se há interferência de ruído na linha de alimentação: A ativação de um filtro de entalhe no visualizador (a 50 Hz ou 60 Hz,dependendo de qual país você está) fazer uma grande diferença para o sinal? Se for assim, tentar reduzir esta removendo os não utilizados cabos cross-falantes, ou na identificação e remoção de outras fontes de interferência de poder. Altere os eletrodos usados ​​para referência e terra se necessário.
5. Se você estiver usando um olho-tracker, calibrá-lo usando o software de calibração fornecido pelo fabricante. O módulo de fonte BCI2000 deve ser compilado com a extensão EyetrackerLogger incluído, e deve ser lançado com o - LogEyetracker = 1 flag ativado, de forma que o olho de rastreamento de dados podem ser adquiridos em sincronia com os sinais ECOG.
6. Para evitar distrações e interrupções, e para minimizar a interferência de sinal possível, garantir que TVs, rádios e telefones celulares estão desligados.
7. Dê instruções precisas ao paciente para a experiência que você está prestes a ser executado. Dependendo da tarefa do sujeito, preparado slides do PowerPoint que mostram a tarefa, a postura sugerida, etc, pode ser útil.
8. Pressione Iniciar no operador para iniciar o experimento. Cada vez que você pressionar iniciar ou retomar, um novo arquivo será criado para evitar a substituição de dados anteriores, eo arquivo será inicializado com uma cópia de todos os valores dos parâmetros. Os dados brutos, então, ser transmitidos automaticamente para o arquivo, juntamente com os marcadores de eventos, até que você pressione suspender ou os acabamentos de execução experimentais.
9. Durante toda a sessão, monitorar o comportamento do paciente e os sinais ECOG para convulsões suspeitos, e estar pronto para responder às instruções do pessoal médico.

4. Sessão Experimental Exemplo: Mapeamento Clínica Sigfried com BCI2000

1. Preparação: Antes do início da sessão, você terá de ter preparado um arquivo model.ini que contém as configurações de processamento de sinais Sigfried usará para construir um modelo e um arquivo prm (ou fragmentos separados com mobilidade reduzida.) Que contém os parâmetros que BCI2000. o módulo SigfriedSigProcserá utilizado para visualização em tempo real. Dois parâmetros principais são ElectrodeLocations, especificando o layout 2-D que você escolheu para eletrodos especiais deste paciente, e ElectrodeCondition, que especifica qual diferentes tarefas serão mapeados em que condições. Neste exemplo, estamos usando o módulo StimulusPresentation simples para comunicar instruções ao paciente, de modo que o parâmetro de estímulos também precisa ser adaptada para as tarefas que pretende executar.
2. Passo Base: Iniciar os módulos DummySignalProcessing gUSBampSource e StimulusPresentationTask, configurados para a atividade da amostra ECOG de todas as grades e as tiras em 1200Hz, passa-alta-filtrada em 0,1 Hz. Instrua o assunto para relaxar e permanecer imóvel com os olhos abertos. Grave 6 minutos de atividade de base, sob iluminação confortável em um ambiente silencioso.
3. Passo de modelagem: Inicie a ferramenta data2model_gui e extrair características em 5 caixas Hz from Hz 70-110 utilizando o método de entropia máxima para cada 500 ms de dados. Pressione Montar o Modelo para construir um modelo probabilístico das características espectrais selecionados utilizando misturas Gaussianas.
4. Mapeamento Passo: Inicie o gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA e módulos StimulusPresentationTask e configurar o Operador para carregar o modelo probabilístico, o modelo cortical, e 2 - e as coordenadas 3-dimensionais do eletrodo. Depois de instruir o assunto, iniciar o processo de mapeamento. Neste processo, um sujeito irá executar cada tarefa durante 10 segundos de cada vez, em cada um dos 5 repetições. Durante cada tarefa, Sigfried detecta tarefa relacionada à atividade ECoG que é apresentado em 2 continuamente actualizada - e 3-dimensionais mapas do córtex eloqüente. Nos mapas de 2-dimensionais, o tamanho e vermelhidão de cada círculo representa a sua importância neste tarefa específica. Especificamente, o tamanho de cada círculo é proporcional à fracção da variância total de sinal na ba gamand que seja contabilizada pela tarefa. Esta estatística é conhecido como o coeficiente de determinação, ou r ^2. É no intervalo (0,1) e na configuração de corrente um valor de 0,1 podem ser geralmente considerada significativa. A escala dos círculos a um máximo de valores de r ² pode ser controlado usando os controles deslizantes (ver Figura 1C). Nos mapas 3-dimensional, os valores de r ² são mapeados para diferentes cores, em vez de tamanhos de círculos.

5. Os resultados representativos

A Figura 1 mostra resultados representativos, a partir de uma sessão de mapeamento Sigfried em um paciente. O paciente era um 28-year-old mulher destro que tinha epilepsia localização-relacionada intratável de esquerda-temporal início, com generalização secundária. 120 eletrodos foram implantados eletrocorticográfica subdurally sobre o lado esquerdo frontal, parietal e córtex temporal. Um laterais de raios-x (painel A) e uma fotografia intra-operatória (painel B) ilustram oconfiguração de uma grade frontal com 40 eletrodos, uma grade maior densidade temporal com 68 eletrodos, e três faixas cada uma das 4 eletrodos. A partir das apreensões registradas, um neurologista localizados os focos epilépticos e determinou que era necessária a ressecção cirúrgica do lobo temporal esquerdo, poupando córtex linguagem eloquente. Isto foi realizado com sucesso: em 8 meses após a ressecção, o paciente foi avaliado como livre de crises e sem déficits neurológicos. O procedimento de mapeamento passivo Sigfried córtex identificou envolvidos em função da linguagem, contrastando tarefa mudanças relacionadas durante tarefas auditivas. Os resultados foram apresentados em duas interfaces: uma interface de 2-dimensional (painel C), o que torna a disposição dos eléctrodos clara, e uma interface de 3-dimensional anatomicamente correcta-(painel D). Da esquerda para a direita o contraste painéis ouvir falado base vs linguagem (voz), ouvindo tons vs basais (tons), e ouvir a língua falada vs lisaperto, para tons (idioma). A última delas é incluído como um esboço da função auditiva que é específico para a linguagem receptiva. Os resultados da condição VOZ mostrou boa concordância com os locais em que a ECS interromperam a função da linguagem receptiva neste paciente (marcado como círculos amarelos no painel A).

Figura 1. Resultados exemplo de um paciente. O painel A mostra um lateral x-ray. Círculos amarelos marcar os eletrodos envolvidos na linguagem receptiva, posteriormente identificados por mapeamento estimulação electrocortical. O painel B é uma fotografia tirada durante a implantação. O painel C mostra os resultados de mapeamento Sigfried em um esquema bidimensional esquemática: o tamanho e vermelhidão de cada disco representa o significado do envolvimento de cada eléctrodo na tarefa, em relação à linha de base. Em painel D, a mesma estatística é mapeado para cor em um Rende modelo tridimensional do cérebrovermelhos de ressonância magnética do paciente.

Discussão

A coleta de dados para a pesquisa ECOG requer uma estreita colaboração entre clínicos e pesquisadores, com uma grande equipe multi-disciplinar a resolução de problemas em neurologia clínica, neurocirurgia, neurociência básica, ciência da computação e engenharia elétrica. A recompensa é que os sinais ECOG, e em amplitudes particular na gama de alta gama de frequências (70-110Hz), são altamente valiosos. Não só eles fornecem uma visão científica sobre os correlatos neurais da cognitiva, sensorial e motor processa ^1-4...

Materiais

1. 8 x 16 canais de amplificadores g.USBamp ( http://gtec.at )
2. 2 x canal 64-caixa break-out (divisor cabeça-box)
3. Cabo de conexão 2 x de divisor para sistema de clínica
4. Cabo de conexão 2 x de divisor de quatro g.USBamps
5. 2 x adaptador de energia de quatro vias para quatro g.USBamps
6. 2 x adaptador de sincronização de quatro vias para sincronizar quatro g.USBamps
7. 1 x cabo de sincronização para sincronizar dois conjuntos de quatro g.USBamps
8. 1 x braçadeira equalização Potencial + cabo para g.USBamp
9. 18 x Touchproof cabos jumper
10. 2 x Quatro vias Hubs USB 2.0
11. Filtro de linha
12. Laptop ou computador de mesa (ver secção 2.1)
13. Carrinho, seguro móvel para todos os acima
14. Eyetracker (ou ordinário monitor LCD) para o paciente
15. Mesa bandeja móvel para o monitor de pacientes
16. Outros periféricos (joysticks etc) para as respostas comportamentais do paciente
17. BCI2000 software
18. CUrry software
19. Software MATLAB