Opptak menneskerettigheter Electrocorticographic (ECOG) Signaler for nevrovitenskapelig forskning og Real-time Funksjonell kortikal Mapping

Summary

Vi presenterer en metode for å samle electrocorticographic signaler til forskningsformål fra mennesker som gjennomgår invasiv epilepsi overvåking. Vi viser hvordan du bruker BCI2000 programvareplattform for datainnsamling, signalbehandling og stimulans presentasjon. Konkret viser vi SIGFRIED, en BCI2000-basert verktøy for sanntids funksjonell hjerne kartlegging.

Protocol

1. Elektrode Lokalisering

1. Samle en pre-operative T1-vektet strukturell MR (1.5T eller 3T) av pasientens hode: 256 x 256 piksler per skive, full synsfelt, ingen interpolasjon, 1 mm skive bredde, fortrinnsvis sagittal tverrsnitt.
2. Observer kirurgisk implantasjon av nett og bånd. Samle digitale bilder av elektroder in situ, og nevrokirurgen notater på plasseringen av de implanterte nett og strimler.
3. Samle postoperative skull røntgenbilder og hjerne CT skanner med høy oppløsning (1 mm skive bredde, hud mot hud, ingen vinkel).
4. Lag en tre-dimensjonal kortikal modell av pasientens hjerne ved hjelp av pre-operative MR, og co-registrere den med post-grid implantasjon CT-bilder. Vi bruker CURRY programvarepakke for dette formålet, og eksportere 3D cortical struktur og elektrode koordinater i MATLAB format. Fra MATLAB, eksporterer vi en film som viser elektrodene kartlagt på hjernen. Vi har også map elektroden koordinater til standard Brodmann områder ved hjelp av en automatisert Talairach atlas.
5. Gjennom informasjonen fra 3D-modellen, X-ray bilder, fotografier og notater. Sluttføre en nummerering ordning for elektroder, og arbeid med sykehusets teknikere for å sikre at elektrodene er lappet inn i splitter boksene etter denne nummereringen nøyaktig. Også lage en skjematisk oppsett for plotting elektrodene i to dimensjoner, slik at alle elektrode stillingene kan tydelig skilles uten overlappende. Hvis du skal kjøre SIGFRIED (se pkt. 4), lagre disse to-dimensjonale koordinater som en BCI2000 parameter fragment, i formatet som kreves av ElectrodeLocations parameter. Til slutt velger to elektrode steder som trolig vil være electrocorticographically "stille", dvs. de er ikke i nærheten av den antatte veltalende cortex, å bruke som en innledende bakken og referanse (forberede g.USBamps ved patching henvisningen til de blå stikkontakter, og jordtil de gule kontaktene, på ekstreme høyre for hver enhet).

2. Maskinvare og programvare oppsett

1. Pass på at datamaskinen spesifikasjonene er tilstrekkelig for å håndtere behandlingen kravene i eksperimentet. En multi-core prosessor vil trolig være nødvendig for å imøtekomme kravene til sanntid datainnsamling og bearbeiding, videoopptak og andre nødvendige oppgaver. For opptak og real-time analyse av 128 kanaler på 1200 Hz, bruker vi en 3 GHz quad-core maskin med 4 GB RAM. Forsterkerne skal kobles til en dedikert USB-kontroller, atskilt fra kontrolleren (e) som brukes av andre båndbredde-sultne eksterne enheter, for eksempel eksterne harddisker og kameraer (dette kan bekreftes via systemets Device Manager). Til slutt må det være nok diskplass til å lagre opptil 5 MB per sekund av eksperimentelle data, og et system for arkivering og sikkerhetskopiering det opp.
2. Sett opp forskningen utstyret (forsterkere, datamaskin, eksperimentator skjerm, keyboARD, høyttalere, mikrofon og kamera) på en enkelt vogn, som kan raskt rulles inn og ut av pasientens rom, med bare én strømledning å plugge inn i veggen. For å flytte maskinen fra rom til rom, bruke Hibernate funksjon før frakobling. Pasientens videoskjermen bør være på en egen skuff tabell eller monitor arm. Tatt i betraktning at pasienten er utsatt for anfall, sørg for at alt utstyret kan bli rullet ut av veien raskt i tilfelle medisinsk personell trenger umiddelbar tilgang til pasienten. Utstyret bør også desinfiseres med antiseptiske servietter før og etter bruk i pasientens rom.
3. Tid med pasienten er begrenset, og alle prosedyrer må være robust og optimalisert for å gjøre best mulig bruk av den tiden. I denne forbindelse, fleksibilitet og robusthet av BCI2000 er uvurderlig egenskaper. Sørg for at forsøkene kan bli lansert ved å trykke på en knapp. Ved BCI2000, bruke en batch fil til å starte den rette kombinasjonen avBCI2000 moduler automatisk, med de nødvendige kommandolinjealternativene. Operatør og gUSBampSource moduler er nødvendig, sammen med de aktuelle SignalProcessing og programmoduler for din spesielle eksperimentet. Bruk BCI2000 operatør scripting for å sikre at alle nødvendige parameterfiler er lastet automatisk, inkludert alle som er spesifikke for denne pasienten, som for eksempel antall elektroder og deres navn og posisjoner. Formålet med denne automatiseringen er å redusere antall manuelle trinnene ved eksperimentator, og dermed mulighetene for feil. Programvaren og dens parametere trenger å ha blitt ferdigstilt og testet (kanskje med en EEG emne) minst én eller to uker før implantasjon. Det er også svært fornuftig å utføre en "tørr" løpe dagen før den første eksperimentelle økten, inkludert alle de nye pasient-spesifikke parametre.

3. Eksperimentell Session Set-up

1. Velg ditt øyeblikk forforeslå eksperimentelle opptak til pasienten, gi dem merke tidligere på dagen, og igjen 15 minutter før du begynner. Arbeid rundt besøkende, måltider, naps, medisinske prosedyrer og pasientens fysiske, emosjonelle og kognitive tilstand. Det er viktig å etablere en rapport med medisinsk personell på gulvet, for å hjelpe i å optimalisere tidspunkt og varighet av opptak.
2. Wheel utstyret på plass, kobler til strømuttaket, skru på motivets videoskjermen og koble den til datamaskinen, og un-hi datamaskinen.
3. Start BCI2000. Med VisualizeSource parameteren aktivert, trykk Set Config. Signalet seer åpnes, slik at du vurdere ECOG signalkvaliteten. Høyreklikk på seeren og satte high-pass filter til en 5 Hz cutoff. (Dette filteret innstillingen vil bare påvirke visualisering, og ikke innsamling av data.)
4. Sjekk for interferens fra kraftledning støy: Har aktivere et støyfilter i betrakteren (ved 50 Hz eller 60 Hz,avhengig av hvilket land du er i) gjøre en stor forskjell på signalet? I så fall prøve å redusere dette ved å fjerne ubrukte cross-snakkende kabler, eller å identifisere og fjerne andre kilder til makt forstyrrelser. Endre elektroder som brukes som referanse og bakken om nødvendig.
5. Hvis du bruker en eye-tracker, kalibrere den ved å bruke kalibreringsprogramvare levert av produsenten. Den BCI2000 kilden modulen skal kompileres med EyetrackerLogger forlengelse inkluderte, og bør bli lansert med - LogEyetracker = 1 flagg aktivert, slik at øyet-sporingsdata kan være kjøpt i synkroniseres med ECOG signaler.
6. For å unngå distraksjoner og avbrytelser, og for å minimere mulige signal forstyrrelser, sørge for at TV, radio og mobiltelefoner er slått av.
7. Gi presise instruksjoner til pasienten for eksperimentet du er i ferd med å kjøre. Avhengig av motivets oppgave, utarbeidet Powerpoint lysbilder som viser oppgaven, kan det foreslåtte holdning, etc., være nyttig. Trykk på Start på operatøren for å starte eksperimentet. Hver gang du trykker på Start eller fortsett, en ny fil vil bli opprettet for å unngå å overskrive tidligere data, og filen vil bli initialisert med en kopi av alle parameterverdiene. Rådata vil da bli streamet automatisk til filen, sammen med event markører, inntil du trykker Suspend eller eksperimentelle kjøre finish.
8. Gjennom økten, overvåke pasientens atferd og ECOG signaler for mistenkte anfall, og være klar til å svare på instrukser fra medisinsk personell.

4. Eksempel Eksperimentell Session: SIGFRIED Klinisk Mapping med BCI2000

1. Forberedelse: Før økten starter, må du ha forberedt en model.ini fil som inneholder signal-prosessering innstillinger SIGFRIED vil bruke til å bygge en modell, og en PRM fil (eller separat PRM fragmenter.) Inneholder BCI2000 parametrene som. den SigfriedSigProc modulenvil bruke for sanntids visualisering. To viktige parametere er ElectrodeLocations, angi 2-D layout du har valgt for denne pasientens spesielle elektroder, og ElectrodeCondition, som angir hvilke ulike oppgaver skal kartlegges under hvilke forhold. I dette eksempelet bruker vi den enkle StimulusPresentation modulen for å kommunisere instruksjoner til pasienten, slik at Stimuli parameteren også må være tilpasset de oppgavene vi ønsker å kjøre.
2. Baseline Trinn: Start gUSBampSource, DummySignalProcessing og StimulusPresentationTask moduler, konfigurert til å prøve ECOG aktivitet fra alle nett og strimler på 1200Hz, høypass-filtrert ved 0.1 Hz. Instruer faget å slappe av og forbli ubevegelig med øynene åpne. Ta opp 6 minutter baseline aktivitet, under behagelig belysning i et rolig miljø.
3. Modeling Trinn: Start data2model_gui verktøyet og trekke ut egenskaper i 5 Hz binger from 70-110 Hz med maksimal entropi metode for hver 500 ms av data. Trykk Bygg Model for å bygge en probabilistisk modell av de utvalgte spektrale egenskaper ved bruk av gauss blandinger.
4. Kartlegging Trinn: Start gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA og StimulusPresentationTask moduler og konfigurere operatøren å laste probabilistisk modell, kortikal modell, og 2 - og 3-dimensjonale elektrode koordinater. Etter å instruere motivet, starte kartleggingen. I denne prosessen vil en gjenstand utfører hver oppgave i 10 sekunder om gangen, på hver av 5 repetisjoner. Under hver oppgave, oppdager SIGFRIED oppgave-relatert ECOG aktivitet som er presentert i kontinuerlig oppdatert 2 - og 3-dimensjonale kart veltalende cortex. I de to-dimensjonale kart, representerer størrelsen og rødhet i hver sirkel dens betydning i denne oppgaven. Spesielt er størrelsen på hver sirkel er proporsjonal med brøkdel av den totale signalet variansen i gamma BAnd som regnskapsføres ved oppgaven. Denne statistikken er kjent som koeffisienten, eller r ^2. Det er i området (0,1) og i dagens oppsett en verdi på 0,1 kan generelt bli betraktet som signifikant. Skaleringen av sirklene til maksimalt r ² verdier kan styres ved hjelp av glidere (se figur 1C). I de tre-dimensjonale kart, blir r ² verdiene tilordnes forskjellige farger i stedet for sirkel størrelser.

5. Representative Resultater

Figur 1 viser representative resultater fra en SIGFRIED kartlegging sesjon i en pasient. Pasienten var en 28 år gammel høyrehendt kvinne som hadde intraktabel lokalisering-relaterte epilepsi av venstre-temporal onset med sekundær generalisering. 120 electrocorticographic elektrodene ble implantert subdurally over venstre frontal, parietal og temporal cortex. En lateral x-ray (panel A) og en intraoperativ bilde (panel B) skildrerkonfigurasjon av en frontal rutenett med 40 elektroder, en høyere tetthet temporal grid med 68 elektroder, og tre striper på hver 4 elektroder. Fra de registrerte anfall, en nevrolog lokalisert den epileptiske fokus, og fastslo at det var nødvendig å utføre kirurgisk reseksjon av venstre tinninglappen mens sparsom veltalende språk cortex. Dette ble utført vellykket: på 8 måneder etter reseksjon pasienten har blitt vurdert som anfallsfrie og uten nevrologiske utfall. Den passive Kartleggingen prosedyren SIGFRIED identifisert cortex involvert i språk funksjon ved å kontrastere oppgave-relaterte endringer i løpet av lytting oppgaver. Resultatene ble presentert i to grensesnitt: en to-dimensjonal grensesnitt (panel C), som gjør oppsettet av elektrodene klar, og en 3-dimensjonal anatomisk korrekt grensesnitt (panel D). Fra venstre til høyre paneler kontrast lytter til talespråk vs baseline (tale), lytte til toner vs baseline (toner), og lytter til talespråket vs listening til toner (språk). Den siste av disse er inkludert som et grovt bilde av auditiv funksjon som er spesifikk for reseptivt språk. Resultatene fra VOICE tilstanden viste god avtale med steder der ECS forstyrret reseptivt språk funksjon i denne pasientgruppen (markert som gule sirkler i panel A).

Figur 1. Eksempel resultater fra en pasient. Panel A viser en lateral x-ray. Gule sirkler markerer elektrodene innblandet i reseptivt språk, som senere er identifisert av electrocortical stimulering kartlegging. Panel B er et fotografi tatt under implantasjon. Panel C viser SIGFRIED kartlegging gir en skjematisk todimensjonal layout: størrelsen og rødhet på hver plate representerer betydningen av involvering av hver elektrode i oppgaven, i forhold til baseline. I panel D, er den samme statistikken kartlagt til farge på en tre-dimensjonal hjerne modell Renderød fra pasientens MR.

Discussion

Innsamling ECOG data for forskning krever nært samarbeid mellom klinikere og forskere, med en svært tverrfaglig team å løse problemer i klinisk nevrologi, nevrokirurgi, grunnleggende nevrovitenskap, informatikk og elektroteknikk. Belønningen er at ECOG signaler, og særlig amplituder i høy gamma frekvensområdet (70-110 Hz), er svært verdifulle. Ikke bare gir de vitenskapelig innsikt i nevrale korrelater med kognitive, sensoriske og motoriske behandler ^1-4 på en både høy romlig og tidsmessig oppløsning, men hjerne-datamaskin-grensesnitt studier i ECOG har også vist metodens store løftet som grunnlag for neuroprosthetic søknader ^6,7,10.

Den åpne-kildekode BCI2000 programvareplattform ^8,9 gir en fleksibel verktøykasse for opptak ECOG og bearbeiding av data i sanntid, for all slik forskning og utviklingsavdeling. En bestemt sanntid applikasjon basert på BCI2000, ¹⁰ SIGFRIED, viser at ECOG opptak er også verdifull for funksjonell kartlegging, viser betydelig samsvar med resultatene avledet ved hjelp electrocortical stimulering kartlegging.

Til tross for raskt økende interesse i ECOG-basert forskning, er det fortsatt i sin barndom. Det store flertallet av alle ECOG studier hittil har skjedd i menneskelige epilepsipasienter, og dermed har blitt gjennomført i en kontekst som pålegger mange begrensninger på forskning: elektrodene skal plasseres og varighet er definert av kliniske og ikke forskningsbehov; fag som mottar implantater kan ha atypisk hjernens aktivitet, spesielt i regionen hvor elektrodene er plassert, og studier må bruke elektrode teknologi som er flere år bak forkant av biomedisinsk teknikk (siden elektrodene og utstyr må ha gått gjennom en lang godkjenningsprosess for klinisk bruk). Men med fortsatt utvikling av miniatyriserte, høyere oppløsning, biocompatible, og fullt implanterbar ECOG systemer, de neste årene vil sikkert se fortsatt vedtakelsen av denne teknikken i grunnleggende og anvendt nevrovitenskap i både mennesker og dyr modeller.

Materials

8 x 16-channel g.USBamp amplifiers ( http://gtec.at ) 2 x 64-channel break-out box (splitter head-box) 2 x Connection cable from splitter to clinical system 2 x Connection cable from splitter to four g.USBamps 2 x Four-way power adapter for four g.USBamps 2 x Four-way sync adapter to synchronize four g.USBamps 1 x Sync cable to synchronize two sets of four g.USBamps 1 x Potential-equalization clamp + cable for g.USBamp 18 x Touchproof jumper cables 2 x Four-way USB 2.0 hubs Power strip Laptop or desktop computer (see section 2.1) Secure, moveable cart for all of the above Eyetracker (or ordinary LCD monitor) for patient Moveable tray table for the patient monitor Other peripherals (joysticks etc) for patient behavioral responses BCI2000 software CURRY software MATLAB software