Запись Electrocorticographic человека (ЭГ) Сигналы для Neuroscientific исследований и в реальном времени функциональных корковых карт

Целью данной процедуры является получение электрокортикографических данных исследовательского качества от пациентов, проходящих клинический мониторинг эпилепсии, и их использование для выполнения функционального картирования в режиме реального времени. Это достигается сначала путем настройки системы сбора сигналов исследовательского качества, которая может быть подключена к клинической системе мониторинга эпилепсии без ущерба для клинического мониторинга или его прерывания. Вторым этапом функционального картирования является запись исходных сигналов, когда пациент находится в состоянии бодрствования, но спокойно отдыхает.

Затем сигналы обрабатываются для извлечения признаков, представляющих активность мозга в диапазоне высоких гамма-частот, которые используются для построения модели базового состояния мозга пациента. На заключительном этапе пациент выполняет простые когнитивные или двигательные задачи, в то время как алгоритмы обнаружения новизны системы Siegfried выделяют участки коры, где активность в высоком гамма-диапазоне значительно отличается от базового уровня. В конечном итоге коэффициент детерминации в каждой точке расположения электродов показывает, в каких областях коры наблюдается значимая активация во время выполнения задачи.

Затем их участие подтверждается электрокортикальным стимуляционным картированием; результаты функциональной диагностики упрощают процедуру картирования и сокращают время ее проведения, предоставляя дополнительные сведения. Электрокอร์тикография или ЭКоГ определяется использованием субдуральных сеточных и полосковых электродов, которые также используются для регистрации спонтанных приступов пациента. Эти электроды стимулируют электрически, по одному или по два одновременно, чтобы попытаться вызвать нарушение определенных функций, таких как моторные или лингвистические, для создания карты элоквентной коры, которую необходимо сохранить при резекции.

ЭКоГ сочетает в себе высокое временное и высокое пространственное разрешение, которые попросту недостижимы при использовании других методов измерения, таких как ЭЭГ или функциональная МРТ. В частности, это единственный способ получить качественные записи электрической активности мозга в высокочастотном гамма-диапазоне, который является очень информативным коррелятом широкого спектра функций мозга. ЭКоГ представляет собой инвазивный метод регистрации, при котором электроды-сетки размещаются непосредственно на поверхности мозга, поэтому данный метод требует проведения операции и применяется только в клинических ситуациях, требующих хирургического вмешательства.

Пациенты обычно находятся в отделении мониторинга эпилепсии около недели, пока клиницисты не соберут достаточно информации для локализации очага приступов. Если пациент дает согласие, он может принять участие в исследовании, и при условии, что это не нарушит клинический мониторинг, перед исследователями открывается уникальная возможность записать работу человеческого мозга в реальном времени. В этом видео я продемонстрирую, как локализовать электроды ЭКоГ путем совмещения предоперационной МРТ и послеоперационной КТ, а также представлю новый метод функционального картирования, основанный на гамма-признаках в сигналах ЭКоГ. Перед операцией необходимо получить предоперационную структурную Т1-взвешенную МРТ головы пациента с разрешением 256 на 256 пикселей на срез, полным полем обзора, без интерполяции, толщиной среза 1 мм и, предпочтительно, в сагиттальной плоскости.

Затем в день операции пронаблюдайте за хирургической имплантацией сеточных и ленточных электродов и сделайте цифровые фотографии электродов in situ, а также соберите заметки нейрохирурга о местах имплантации. После операции получите послеоперационные рентгенограммы черепа, а также снимки КТ головного мозга, которые должны быть выполнены в режиме «кожа-кpreparing-кожа» с высоким разрешением, толщиной среза 1 mm, без смещения по ширине и без наклона. Затем с помощью программного пакета CURRY создайте трехмерную модель коры головного мозга пациента на основе предоперационной МРТ, после чего выполните корегистрацию этой модели с КТ-снимками, полученными после имплантации сетки.

Затем поочередно щелкните правой кнопкой мыши на каждой позиции электрода и выберите «export cursor to localize» (экспортировать курсор для локализации). Для регистрации 3D-координат электродов экспортируйте 3D-структуру коры головного мозга субъекта и координаты электродов в формате MATLAB. После этого создайте экспорт в виде видеоролика, демонстрирующего расположение электродов на поверхности мозга.

Также сопоставьте координаты электродов со стандартными полями Бродмана, используя автоматизированный атлас. Ознакомьтесь с информацией из 3D-модели, рентгеновских снимков, фотографий и заметок. Определите окончательную схему нумерации электродов и совместно с техниками больницы обеспечьте их подключение к разветвителям.

Точно следуйте этой нумерации. Также создайте схематичный план размещения электродов таким образом, чтобы все позиции электродов были четко различимы и не перекрывали друг друга. Выберите два расположения электродов, которые, вероятно, будут электрокортикографически «молчаливыми» и удалены от предполагаемой функционально значимой коры, чтобы использовать их в качестве начального заземления и референса.

Затем подготовьте связанный стек усилителей GUSB. Синхронизируйте их, выбрав один из них. В качестве главного устройства соедините его выход sink out с входом S sink in другого усилителя и введите серийный номер главного устройства в BCI 2000.

Основной параметр ID устройства. Соедините между собой синие гнезда-опоры и желтые гнезда заземления в крайней правой части стопки. Именно сюда перед началом сеанса следует подключить выбранную опору к синему гнезду, а заземление — к желтому.

Подготовьте файл модели .inni, содержащий настройки обработки сигналов, которые программное обеспечение Siegfried будет использовать для построения модели. Также подготовьте файл .PRM или отдельные фрагменты .PRM, содержащие параметры, которые система BCI 2000 будет использовать для сбора данных и визуализации в режиме реального времени. Двумя ключевыми параметрами для Siegfried являются расположение электродов, определяющее выбранную 2D-схему электродов пациента, и состояние электродов, которое определяет, какие задачи будут сопоставлены с конкретными условиями.

Учитывайте, что время взаимодействия с пациентом ограничено. Следовательно, все процедуры должны быть надежными, оптимизированными и предварительно протестированными. Выберите подходящий момент для предложения пациенту пройти экспериментальную запись, уведомив его об этом заранее в начале дня, а также за 15 минут до начала сеанса.

Разместите оборудование у постели пациента, затем подключите к сети и включите видеомонитор пациента, а также выведите компьютер из режима гибернации. Кроме того, подключите систему сбора данных к сеткам ЭКоГ через разветвители-коннекторы. Запустите программное обеспечение BCI 2000.

Затем при включенном параметре визуализации источника выберите «set config», щелкните правой кнопкой мыши по окну просмотра и установите частоту среза фильтра высоких частот на 5 Hz. Обратите внимание, что эта настройка повлияет только на визуализацию, а не на сбор данных. Проверьте наличие помех от сетевого шума 60 Hz, определив, приводит ли активация режекторного фильтра в окне просмотра к значительным изменениям сигнала.

Если это происходит, постарайтесь уменьшить помехи, удалив любые источники электрических наводок, например, неиспользуемые перекрестные кабели. При необходимости замените электроды, используемые для референса и заземления. Если вы используете айтрекер, откалибруйте его с помощью программного обеспечения для калибровки, предоставленного производителем, чтобы избежать отвлекающих факторов и прерываний, а также минимизировать возможные помехи сигнала.

Убедитесь, что все телевизоры, радиоприемники и мобильные телефоны в помещении выключены. Начните экспериментальную сессию с регистрации базовой активности. Попросите испытуемого расслабиться и оставаться неподвижным с открытыми глазами.

Затем запустите обработку фиктивного сигнала источника GUSB amp и подачу стимулов. Модули задач. Запишите шесть минут фоновой активности при комфортном освещении в тихой обстановке.

Затем запустите инструмент GUI «data to model», настроив извлечение признаков в пятигерцовых диапазонах от 70 до 110 герц, используя метод максимальной энтропии для каждых 500 миллисекунд данных. Нажмите «build model», чтобы создать вероятностную модель выбранных спектральных признаков с использованием гауссовых смесей. Теперь дайте пациенту точные инструкции по выполнению экспериментального задания, которое будет реализовано в данном тесте.

Испытуемый будет выполнять каждое задание в течение 10 секунд за один раз в каждом из пяти повторений. Запустите источник GUSB amp Siegfried Sig Pro lava и модули задач предъявления стимулов, а затем настройте оператора для загрузки вероятностной модели, корковой модели, а также координат электродов в двух и трех измерениях. Нажмите «start» в меню оператора, чтобы начать эксперимент и запустить процесс картирования.

Необработанные данные передаются автоматически вместе с маркерами событий до тех пор, пока не будет нажата кнопка приостановки или не завершится экспериментальный запуск; при каждом нажатии кнопок «старт» или «возобновить» будет создаваться новый файл, чтобы избежать перезаписи предыдущих данных во время каждого задания. Программное обеспечение Siegfried регистрирует связанную с заданием ЭКоГ-активность, которая отображается на непрерывно обновляемых двух- и трехмерных картах коры головного мозга. Размер и степень насыщенности красного цвета каждого круга отражают его значимость в выполняемом задании.

Масштабирование кругов до максимальных значений R-квадрата можно регулировать с помощью ползунков на протяжении всего сеанса. Обязательно следите за поведением пациента и сигналами ЭКоГ на предмет подозрения на судорожные приступы и будьте готовы немедленно оповестить медицинский персонал и следовать его указаниям. Здесь представлен пример боковой рентгенограммы типичного пациента.

Желтыми кругами отмечены электроды, участвующие в рецептивной речи, что было впоследствии определено с помощью электрокортикального картирования. Здесь представлена фотография, сделанная во время имплантации данному пациенту. На этих схемах результаты картирования по Зигфриду представлены в виде двухмерного расположения.

Размер и степень красного цвета каждого диска представляют значимость участия каждого электрода в задаче относительно базового уровня; здесь та же статистика отображена цветом на трехмерной модели мозга, созданной на основе МРТ пациента. Данное видео продемонстрировало, как данные ЭКоГ человека могут регистрироваться в исследовательских целях и обрабатываться в режиме реального времени с помощью программного комплекса BCI 2000. Одним из примеров приложения BCI 2000 для работы в реальном времени является инструмент функционального картирования.

Картирование по Зигфриду может быть выполнено в течение 10 минут в зависимости от количества выполняемых задач. Предварительные результаты видны в течение нескольких секунд, а стабильные результаты можно получить за пять-десять повторений, каждое из которых занимает 10 секунд. Преимуществом картирования по Зигфриду является функциональная значимость по всей сетке одновременно, в то время как электрическая стимуляция требует подачи тока на каждый электрод, что занимает гораздо больше времени и может потенциально вызвать судорожные приступы.

Мы по-прежнему проводим электрическое картирование, однако использование системы Siegfried позволяет изначально получить экспресс-карту, что значительно ускоряет процесс. В будущем совершенствование конструкции сеток, как ожидается, расширит возможности применения метода за пределы мониторинга эпилепсии — например, при лечении пациентов после инсульта для восстановления функций, управления протезами конечностей, а также для улучшения коммуникации у людей с параличом голосовых мышц или заболеваниями типа БАС.

Благодарим за просмотр.