Нейровизуализационные исследования когнитивных, сенсорных и моторных процессов человека обычно основаны на неинвазивных методах, таких как электроэнцефалография (ЭЭГ), магнитоэнцефалография или функциональная магнитно-резонансная томография. Эти методы характеризуются либо изначально низким временным, либо низким пространственным разрешением, а также низким соотношением сигнал/шум и/или плохой чувствительностью к высокочастотным сигналам. Таким образом, они являются субоптимальными для изучения кратковременной пространственно-временной динамики многих базовых процессов мозга. Напротив, инвазивный метод электрокортикографии (ЭКоГ) позволяет получать сигналы мозга с исключительно высоким соотношением сигнал/шум, меньшей подверженностью артефактам по сравнению с ЭЭГ, а также высоким пространственным и временным разрешением (т. е. <1 cm/<1 millisecond соответственно). ЭКоГ предполагает измерение электрических сигналов мозга с помощью электродов, имплантированных субдурально на поверхность коры головного мозга. Недавние исследования показали, что амплитуды ЭКоГ в определенных частотных диапазонах содержат значительный объем информации о связанной с задачей активности, такой как выполнение и планирование движений1, слуховая обработка2 и зрительно-пространственное внимание3. Большая часть этой информации регистрируется в высокочастотном гамма-диапазоне (около 70-110 Hz). Таким образом, гамма-активность была предложена в качестве надежного и общего индикатора локальной функции коры1-5. ЭКоГ также может выявить функциональную связность и разрешить более тонкую пространственно-временную динамику, связанную с выполнением задач, тем самым расширяя наше понимание крупномасштабных корковых процессов. Этот метод оказался особенно полезным для развития технологии интерфейсов мозг-компьютер (ИМК) с целью декодирования намерений пользователя для усиления или улучшения коммуникации6 и управления7. Тем не менее, данные ЭКоГ человека часто трудно получить из-за рисков и ограничений, связанных с инвазивными процедурами, а также необходимости записи в условиях клинических ограничений. Тем не менее, клинический мониторинг для локализации эпилептических очагов предоставляет уникальную и ценную возможность сбора данных ЭКоГ человека. Мы описываем наши методы сбора и записи ЭКоГ и демонстрируем, как использовать эти сигналы для важных приложений реального времени, таких как клиническое картирование и создание интерфейсов мозг-компьютер. В нашем примере используется программная платформа BCI20008,9 и метод SIGFRIED10 — приложение для картирования функций мозга в режиме реального времени. Эта процедура дает информацию, которую клиницисты в дальнейшем могут использовать для управления сложным и трудоемким процессом функционального картирования с помощью электрической стимуляции.
Предварительные условия и планирование:
Пациенты с фармакорезистентной парциальной эпилепсией могут быть кандидатами на резекцию эпилептогенного очага для снижения частоты приступов. Перед резекцией пациентам проводится мониторинг с использованием субдуральных электродов с двумя целями: во-первых, для локализации эпилептогенного очага и, во-вторых, для выявления близлежащих критических зон мозга (т. е. функционально значимых областей коры или «элоквентной коры»), резекция которых может привести к стойкому функциональному дефициту. Для имплантации электродов выполняется краниотомия для вскрытия черепа. Затем на кору, обычно под твердую мозговую оболочку, помещают электродные решетки и/или ленты. Типичная решетка представляет собой набор платиново-иридиевых электродов размером 8 x 8 с диаметром 4 mm (открытая поверхность 2.3 mm), встроенных в силикон с межэлектродным расстоянием 1 cm. Лента обычно содержит 4 или 6 таких электродов, расположенных в одну линию. Места размещения этих решеток/лент определяются группой неврологов и нейрохирургов на основании данных предыдущего ЭЭГ-мониторинга, структурной МРТ головного мозга пациента и соответствующих факторов анамнеза. Непрерывная запись в течение 5-12 дней служит для локализации эпилептогенных очагов, а электрическая стимуляция через имплантированные электроды позволяет клиницистам картировать элоквентную кору. По окончании периода мониторинга эксплантация электродов и терапевтическая резекция выполняются совместно в ходе одной операции.
Помимо основной клинической цели, инвазивный мониторинг предоставляет уникальную возможность получения данных ЭКоГ человека для нейробиологических исследований. Решение о включении потенциального пациента в исследование основывается на планируемом расположении электродов, результатах нейропсихологического обследования пациента и его информированном согласии, которое базируется на понимании того, что участие в исследовании является добровольным и не связано с его лечением. Как и при всех исследованиях с участием людей, протокол исследования должен быть одобрен институциональным наблюдательным советом больницы. Решение о проведении отдельных экспериментальных заданий принимается ежедневно и зависит от выносливости и готовности пациента к участию. Проведению некоторых или всех экспериментов могут помешать проблемы с клиническим состоянием пациента, такие как послеоперационный отек лица, временная афазия, частые приступы, пост-иктальная усталость и спутанность сознания, а также общая боль или дискомфорт.
В отделении мониторинга эпилепсии Медицинского центра Олбани в Олбани, штат Нью-Йорк, клинический мониторинг осуществляется круглосуточно с использованием 192-канальной системы мониторинга Nihon-Kohden Neurofax. Исследовательские записи производятся в сотрудничестве с Центром Уодсворта Департамента здравоохранения штата Нью-Йорк в Олбани. Сигналы с электродов ЭКоГ одновременно подаются на исследовательскую и клиническую системы через разделительные коннекторы (сплиттеры). Чтобы клиническая и исследовательская системы не создавали взаимных помех, они обычно используют раздельное заземление. В частности, для обеспечения заземления клинической системы иногда имплантируют эпидуральную полоску электродов. Независимо от того, используется исследовательская или клиническая система записи, заземляющий электрод выбирается таким образом, чтобы он находился вдали от предполагаемого эпилептического очага и областей коры, представляющих интерес для исследования. Наша исследовательская система состоит из восьми синхронизированных 16-канальных блоков-усилителей/оцифровщиков g.USBamp (g.tec, Грац, Австрия). Данные устройства были выбраны, так как они имеют соответствующий рейтинг безопасности и одобрение FDA для инвазивной записи, обладают очень низким уровнем шума в высокочастотном диапазоне, в котором находятся интересующие нас сигналы, и поставляются с SDK, что позволяет интегрировать их в специализированное исследовательское программное обеспечение. Для точной регистрации высокочастотного гамма-сигнала мы осуществляем сбор данных с частотой дискретизации 1200Hz, что значительно выше, чем в типичных ЭЭГ-экспериментах или во многих клинических системах мониторинга. Встроенный фильтр низких частот автоматически предотвращает алиасинг (наложение частот) сигналов, частота которых превышает возможности оцифровщика. Направление взгляда пациента отслеживается с помощью монитора со встроенной системой айтрекинга Tobii T-60 (Tobii Tech., Стокгольм, Швеция). В зависимости от требований конкретного эксперимента подключаются дополнительные аксессуары, такие как джойстик, Bluetooth-пульт Wiimote (Nintendo Co.), перчатка для сбора данных (5th Dimension Technologies), клавиатура, микрофон, наушники или видеокамера.
Сбор данных, предъявление стимулов, синхронизация с различными устройствами ввода-вывода, а также анализ и визуализация в реальном времени осуществляются с помощью нашего программного обеспечения BCI20008,9. BCI2000 представляет собой общедоступную программную систему общего назначения для сбора, обработки и обеспечения обратной связи по биосигналам в режиме реального времени. Она включает в себя набор готовых модулей, которые могут быть гибко настроены для различных целей и расширены исследователями с помощью собственного кода на C++, MATLAB или Python. BCI2000 состоит из четырех модулей, взаимодействующих друг с другом посредством сетевого протокола: модуля Source, который отвечает за регистрацию сигналов мозга с одной из 19 различных аппаратных систем разных производителей; модуля Signal Processing, который извлекает релевантные признаки ЭКоГ и преобразует их в выходные сигналы; модуля Application, который подает стимулы и обеспечивает обратную связь для субъекта; и модуля Operator, предоставляющего графический интерфейс для исследователя.
С любым конкретным пациентом может быть проведено несколько различных экспериментов. Приоритетность экспериментов определяется расположением электродов у данного пациента. Однако обычно мы начинаем исследования с использования метода картирования SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection), который обнаруживает и отображает значимую активность, связанную с выполнением задачи, в режиме реального времени. Полученная функциональная карта позволяет нам дополнительно адаптировать последующие экспериментальные протоколы, а также может служить полезной отправной точкой для традиционного картирования с помощью электрокортикальной стимуляции (ЭКС).
Хотя картирование методом электрокорковой стимуляции (ECS) остается «золотым стандартом» для прогнозирования клинического исхода резекции, этот процесс занимает много времени и сопряжен с определенными проблемами, такими как послеоперационные разряды или судорожные приступы. Таким образом, метод пассивного функционального картирования может оказаться ценным для получения предварительной оценки локализации элоквентной коры, которая затем может быть подтверждена и уточнена с помощью ECS. Было показано, что результаты нашего метода пассивного картирования SIGFRIED демонстрируют значительное совпадение с результатами, полученными при использовании ECS-картирования10.
Протокол, описанный в данной работе, устанавливает общую методологию сбора данных ЭКоГ человека, после чего демонстрируется порядок запуска экспериментов с использованием программной платформы BCI2000. В заключение, в качестве конкретного примера, мы описываем выполнение пассивного функционального картирования с помощью системы SIGFRIED на базе BCI2000.