Artigo de método
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.
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 local1-5. 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 BCI20008,9 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 (5th 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 BCI20008,9. 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.
1. Localização eletrodo
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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.......
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Não há conflitos de interesse declarados.
Este trabalho foi possível graças a doações apoiados pelo EUA Escritório de Pesquisa do Exército (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) eo (NIH / NIBIB EB006356 (GS) e EB00856 ( JRW e GS)). Os autores agradecem Sean Austin para o módulo SigfriedSigProcLAVA, e Griffin Milsap para assistência técnica.
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