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Research Article
Hui Ming Khoo1, Yuya Fujita1, Naoki Tani1, Tetsuya Shimokawa2, Natalja Zazubovits3, Satoru Oshino1, Jean Gotman3, Haruhiko Kishima1
1Department of Neurosurgery,Osaka University Graduate School of Medicine, 2Center for Information and Neural Networks,National Institute of Information and Communications Technology, 3Montreal Neurological Institute and Hospital,McGill University
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Este artigo fornece um protocolo simples para a aquisição de dados de eletroencefalografia de boa qualidade (EEG) durante o EEG simultâneo e ressonância magnética funcional utilizando produtos médicos prontamente disponíveis.
A eletroencefalografia simultânea (EEG) e a ressonância magnética funcional (fMRI), EEG-fMRI, combina as propriedades complementares do EEG do couro cabeludo (boa resolução temporal) e fMRI (boa resolução espacial) para medir a atividade neuronal durante um evento eletrográfico, através de respostas hemodinâmicas conhecidas como alterações dependentes do nível de oxigênio do sangue (BOLD). É uma ferramenta de pesquisa não invasiva que é utilizada em pesquisas de neurociência e é altamente benéfica para a comunidade clínica, especialmente para o manejo de doenças neurológicas, desde que equipamentos e protocolos adequados sejam administrados durante a aquisição de dados. Embora a gravação do EEG-fMRI seja aparentemente simples, a preparação correta, especialmente na colocação e proteção dos eletrodos, não é apenas importante para a segurança, mas também é fundamental para garantir a confiabilidade e a análise dos dados do EEG obtidos. Esta também é a parte mais exigente da preparação. Para resolver essas questões, foi desenvolvido um protocolo simples que garanta a qualidade dos dados. Este artigo fornece um guia passo-a-passo para a aquisição de dados EEG confiáveis durante o EEG-fMRI usando este protocolo que utiliza produtos médicos prontamente disponíveis. O protocolo apresentado pode ser adaptado a diferentes aplicações do EEG-fMRI em pesquisas e ambientes clínicos, podendo ser benéfico tanto para operadores inexperientes quanto para especialistas.
A ressonância magnética funcional (fMRI) fornece uma medida da atividade neuronal através de respostas hemodinâmicas medindo alterações dependentes do nível de oxigênio do sangue (BOLD) durante um evento eletrográfico. A eletroencefalografia simultânea (EEG) e fMRI (EEG-fMRI) é uma ferramenta de pesquisa não invasiva que combina as propriedades sinérgicas do EEG do couro cabeludo (boa resolução temporal) e fMRI (boa resolução espacial), permitindo uma melhor localização do local responsável pela geração de eventos eletrográficos detectáveis no EEG. Foi desenvolvido pela primeira vez na década de 1990 para uso no campo da epilepsia1,2 e posteriormente tem sido usado em pesquisas de neurociência desde os anos 20003,4. Com o aumento do conhecimento sobre a segurança5 e o desenvolvimento contínuo de técnicas para a remoção de artefatos induzidos por Ressonância Magnética no EEG3,6,7,8,9,10, é atualmente uma ferramenta amplamente utilizada tanto na neurociência quanto na pesquisa clínica11.
O EEG-fMRI é adquirido em repouso ou durante uma tarefa, dependendo da questão da pesquisa. Em geral, a aquisição do estado de repouso permite a identificação de estruturas envolvidas na geração de um determinado recurso de EEG (por exemplo, forma de onda, ritmo, frequências, potência) e ajuda na compreensão das atividades cerebrais espontâneasvariáveis 11. Uma série de estudos de neurociência e a maioria dos estudos clínicos, especialmente aqueles sobre epilepsia12,adquirem EEG-fMRI no repouso11. A aquisição baseada em tarefas permite a identificação de áreas cerebrais e atividades elétricas cerebrais atribuídas ou relacionadas a uma tarefa específica e ajuda a estabelecer a ligação entre as atividades elétricas e as áreas cerebrais associadas à tarefa. A aquisição baseada em tarefas é utilizada principalmente em estudos de neurociência11 e alguns estudos clínicos13. A maioria das aquisições de EEG-fMRI baseadas em tarefas usam um design relacionado a eventos. O tipo de modelagem usada para integrar dados de EEG e fMRI determina se a eficiência ou a energia de detecção devem ser maximizadas na concepção da tarefa14. Consulte os estudos de Menon et al.14 e Liu et al.15,16 para obter detalhes sobre o desenho da tarefa.
Embora a aquisição de dados durante o EEG-fMRI possa parecer simples, a preparação é exigente. Um protocolo para orientar a preparação adequada para a aquisição de dados é importante para garantir tanto a segurança quanto o rendimento (ou seja, dados analisadores e confiáveis). Apesar da existência de várias técnicas para remover artefatos de EEG induzidos por Ressonância Magnética, artefatos inconsistentes no EEG registrados, especialmente aqueles relacionados à vibração induzida por máquinas dos fios e movimentos brutos dos sujeitos, ainda são difíceis de remover completamente; portanto, esses artefatos precisam ser minimizados durante a aquisição de dados.
Este artigo apresenta um protocolo simples que utiliza produtos médicos prontamente disponíveis compatíveis com ressonância magnética. O protocolo fornece passos importantes que garantem a qualidade dos dados de dados de EEG, que são fundamentais para o sucesso de um estudo EEG-fMRI. Este protocolo foi desenvolvido com base na experiência de 20 anos da equipe de pesquisa EEG-fMRI do Instituto Neurológico de Montreal12,17 e foi modificado para uso na Universidade de Osaka, o que beneficia tanto operadores inexperientes quanto especialistas.
O comitê de ética em pesquisa do Hospital Universitário de Osaka e o comitê de segurança do Centro de Informações e Redes Neurais (CiNET) aprovaram o protocolo (Aprovação do Hospital Universitário de Osaka nº 18265 e 19259; Aprovação cinet no. 2002210020 e 2002120020). Todos os sujeitos forneceram consentimento por escrito informado para sua participação.
1. Preparação da configuração experimental
2. Aplicando a tampa EEG e o eletrodo ECG
3. Aplique o laço do fio de carbono (se um amplificador bipolar estiver disponível)
4. Fixar a tampa e os laços de fio de carbono
5. Colocar o assunto no scanner mr
6. Configuração dos fios e amplificadores
7. Aquisição de dados EEG-fMRI
Ao colocar a tampa EEG usando este protocolo, a impedância de cada eletrodo geralmente cai abaixo de 20 kΩ (Figura 1). Sinais de EEG representativos obtidos de um sujeito (homem de 20 anos) que participou de um estudo neurocognitivo, e um sujeito diferente (mulher de 19 anos) que participou de um estudo de epilepsia usando este protocolo no mesmo scanner de Ressonância Magnética são mostrados na Figura 2 e Figura 3, respectivamente. O sujeito submetido a testes neurocognitivos foi instruído a manter os olhos abertos, mas ficar parado enquanto realizava uma tarefa visual como instruído. O sujeito do estudo da epilepsia foi instruído a fechar os olhos e dormir, pois as atividades epilépticas são tipicamente mais frequentes durante o sono. Os sinais de EEG adquiridos de ambos os estudos foram semelhantes antes do processamento (Figura 2); o artefato de gradiente de ressonância magnética obscureceu os sinais reais de EEG. Os sinais de EEG de ambos os estudos foram processados offline da seguinte forma: os artefatos de ressonância magnética foram removidos usando o método de subtração24; e BCG, movimentos e artefatos da bomba de hélio foram removidos usando a regressão de sinais registrados a partir das alças de fio de carbono7,9. Os sinais de EEG resultantes (Figura 3B) de ambos os estudos foram de qualidade analisável sem contaminação visível de artefatos BCG(Figura 3A). As atividades epilépticas foram claramente observadas no EEG durante o estudo de epilepsia (Figura 3B). No EEG adquirido durante o estudo neurocognitivo, foram observados pisca-pisca, movimento ocular e artefatos musculares, especialmente nos condutores frontais (Fp1 e Fp2) após a remoção do artefato(Figura 3B)devido à natureza do estudo, podendo ser posteriormente removido usando outros métodos dependendo da necessidade. Nenhum artefato originário de vibrações de máquinas foi visto em sinais de EEG pós-processados adquiridos durante ambos os estudos (Figura 3B comparável aos sinais de EEG adquiridos fora da Ressonância Magnética, como mostrado na Figura 3C). Nenhum artefato originário dos eletrodos EEG foi visto nas imagens mr adquiridas simultaneamente(Figura 4).

Figura 1: Impedância de eletrodos EEG representativa que caiu abaixo de 5 kΩ após a aplicação de um limite de EEG de 32 canais sobre um sujeito que participou de um estudo neurocognitivo. Cada círculo colorido redondo representa um eletrodo EEG, com o nome do eletrodo escrito dentro do círculo; a posição de cada círculo representa a posição de cada eletrodo na tampa EEG. A barra de cor e os números à direita representam o intervalo da impedância que está sendo medida (0-5 kΩ neste caso); a cor verde indica que o valor de impedância é menor do que o valor do nível bom, e a cor vermelha indica nível ruim. Neste exemplo, os eletrodos CP1, O1, Oz, O2 e ECG são indicados em verde claro, o que significa que as impedâncias desses eletrodos foram de 2 kΩ; o resto dos eletrodos são indicados em verde escuro, o que significa que as impedâncias desses eletrodos foram de 0 kΩ. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Sinal EEG antes do processamento. Note que o artefato de gradiente de ressonância magnética obscureceu os sinais reais de EEG. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Sinais representativos de EEG de indivíduos que participaram de estudos neurocognitivos e de epilepsia. Os sinais de EEG na linha superior eram de um estudo neurocognitivo e os da linha inferior eram de um estudo de epilepsia. Os sinais de EEG foram processados offline. (A) Sinais de EEG após a remoção do artefato de gradiente de ressonância magnética. As caixas em azul claro indicam artefatos BCG. (B) Sinais de EEG após a remoção de artefatos usando regressão de sinais registrados a partir das alças de fio de carbono. (C) Sinais de EEG registrados fora da ressonância magnética utilizando o mesmo equipamento EEG. Os sinais de EEG foram mostrados em montagem referencial (referência no FCz); EEG na montagem bipolar (cada canal representa a diferença de tensão entre um par de eletrodos adjacentes) do mesmo segmento também é mostrado para EEG adquirido durante um estudo de epilepsia para facilitar a visualização de atividades epilépticas. As pontas de flecha azul (B e C, linha superior) indicam piscar (deflexões lentas de alta amplitude/potenciais diphasicos em Fp1 e Fp2), a ponta da seta preta (B, linha superior) indica movimento dos olhos resultante de uma saccade ou uma mudança espontânea de olhar (pequenas e rápidas deflexões em Fp1 e Fp2), e os retângulos verdes (B, linha superior) indicam o ritmo alfa visto no EEG adquirido durante um estudo neurocognitivo. As atividades de baixa amplitude e alta frequência predominantemente em Fp1 e Fp2 são artefatos musculares (espessamento do rastreamento EEG, linha superior). As pontas das flechas vermelhas (B e C, linha inferior) indicam os pontos de tempo em que as atividades epilépticas foram identificadas no EEG adquiridos durante um estudo de epilepsia (deflexões acentuadas para baixo ou para cima que às vezes são seguidas por uma onda lenta). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Dados representativos de ressonância magnética adquiridos de um sujeito usando este protocolo. Note que os eletrodos EEG não causaram artefatos visíveis nas imagens mr adquiridas simultaneamente. (A) magnetização preparada aquisição rápida com imagem de eco gradiente; (B) imagem de eco planar. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores não relatam divulgações relevantes para o manuscrito.
Este artigo fornece um protocolo simples para a aquisição de dados de eletroencefalografia de boa qualidade (EEG) durante o EEG simultâneo e ressonância magnética funcional utilizando produtos médicos prontamente disponíveis.
Este estudo foi patrocinado pelo Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicações do Japão (NICT).
Os autores agradecem aos físicos e tecnólogos do Centro de Informação e Redes Neurais por sua dedicação na aquisição de dados de ressonância magnética de boa qualidade.
Dr. Khoo é financiado pela Grant-in-Aid for Scientific Research (Nos. 18H06261, 19K21353, 20K09368) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão e uma bolsa do Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicações do Japão (NICT), e foi apoiada por Mark Rayport e Shirley Ferguson Rayport em cirurgia de epilepsia e a bolsa Preston Robb do Instituto Neurológico de Montreal (Canadá), uma bolsa de pesquisa da Fundação Memorial Uehara (Japão). Ela recebeu um prêmio patrocinado pela Sociedade Japonesa de Epilepsia, apoio do programa American Epilepsy Society (AES) Fellows e bolsa de viagens da Liga Internacional Contra a Epilepsia (ILAE).
Dr. Tani é financiado pela Grant-in-Aid for Scientific Research (No. 17K10895) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão e recebeu apoio de pesquisa da Fundação Mitsui-Kousei, financiamento para uma viagem da Medtronic, royalties da publicação de artigos (Gakken Medical Shujunsha, Igaku-shoin), e honoraria de servir como palestrante (Medtronic, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, Eisai Pharmaceuticals).
Dr. Oshino é financiado pelo Grant-in-Aid for Scientific Research (nº 17K10894) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão. Recebeu royalties da publicação de artigos (Medicalview, Igaku-shoin), e honoraria de servir como palestrante (Insightec, Eisai Pharmaceuticals, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, UCB, Otsuka Pharmaceuticals, Teijin Pharma, Yamasa Corporation).
Fujita é financiado pelo Grant-in-Aid for Scientific Research (nº 19K18388) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão.
Gotman é financiado pelo Instituto Canadense de Pesquisa em Saúde (No. FDN 143208).
Dr. Kishima é financiado pelo Grant-in-Aid for Scientific Research (Nos. 18H04085, 18H05522, 16K10212, 16K10786) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão, Programa de Promoção da Inovação Estratégica Cross-ministerial (Nº. SIPAIH18E01), Agência do Japão para Pesquisa e Desenvolvimento Médico, e Japan Epilepsy Research Foundation.
| BrainAmp EXG MR | Brain Products, GmBH, Alemanha | Amplificador bipolar compatível com ressonância magnética | |
| BrainAmp MR Plus | Brain Products, GmBH, Alemanha | Amplificador de EEG compatível com ressonância magnética | |
| BrainCap MR | Brain Products, GmBH, Alemanha | Touca de EEG compatível com ressonância magnética | |
| Bandagem elástica ESPA | Toyobo co., Ltd. | bandagem elástica para envolver a cabeça do sujeito | |
| One Shot Plus P EL-II cotonete com álcool | Shiro Jyuji, Inc. | Cotonete com álcool para preparar a pele | |
| Power Pack | Brain Products, GmBH, Alemanha | Bateria compatível com ressonância magnética para alimentação elétrica dos amplificadores | |
| SyncBox | Brain Products, GmBH, Alemanha | Sincronização de fase entre o equipamento de EEG e o scanner de ressonância magnética | |
| Adaptador USB 2 (BUA) | Brain Products, GmBH, Alemanha | Adaptador USB para conectar os amplificadores ao computador de gravação | |
| V19 gel condutor abrasivo | Brain Products, GmBH, Alemanha | Gel abrasivo para a aplicação da tampa de EEG | |
| Yu-ki Ban GS Fita adesiva médica | Nitoms, Inc. | fita adesiva médica para prender o eletrodo de ECG e as alças de fio de carbono |