Summary
نحن نقدم طريقة لجمع الإشارات electrocorticographic لأغراض البحث من البشر الذين يخضعون الغازية الرصد الصرع. نبين كيفية استخدام منصة برمجيات BCI2000 لجمع البيانات ومعالجة الإشارات وتقديم الحوافز. تحديدا، علينا أن نبرهن سيجفريد، وهو أداة BCI2000 مقرها في الوقت الحقيقي لرسم خرائط الدماغ الوظيفية.
Protocol
1. قطب كهربائي ومسلم
- جمع قبل العملية T1 مرجح التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي (1.5T أو 3T) من رأس المريض: 256 × 256 بكسل لكل شريحة، مجال كامل من الرأي، لا الاستيفاء، 1 عرض شريحة ملم، ويفضل أن سهمي المقاطع العرضية.
- مراقبة الزراعة الجراحية للشبكات وشرائح. جمع الصور الرقمية من الأقطاب الكهربائية في الموقع، وتلاحظ في الاعصاب على مواقع للشبكات زرع وشرائح.
- جمع ما بعد الجراحة الجمجمة صور الأشعة السينية وفحص بالاشعة المقطعية على المخ وارتفاع القرار (1 ملم عرض شريحة، والجلد إلى الجلد، أي زاوية).
- خلق نموذج ثلاثي الأبعاد القشرية من الدماغ المريض باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي قبل العملية، وأنه شارك في تسجيل مع الصور غرس CT بعد الشبكة. نحن نستخدم مجموعة من البرامج كاري لهذا الغرض، وتصدير هيكل 3D القشرية والقطب تنسق في شكل MATLAB. من MATLAB، ونحن تصدير الفيلم الذي يظهر الأقطاب تعيينها على الدماغ. ونحن أيضا ما ف ب القطب تنسق إلى مناطق Brodmann القياسية باستخدام الآلي Talairach أطلس.
- مراجعة المعلومات من نموذج 3D، وصور الأشعة السينية، والصور الفوتوغرافية والمذكرات. وضع اللمسات الأخيرة على نظام الترقيم لأقطاب كهربائية، والعمل مع فنيين من المستشفى لضمان مصححة الأقطاب في المربعات الخائن بعد هذا الترقيم بالضبط. أيضا إنشاء تخطيط التخطيطي للتخطيط لأقطاب في بعدين، بحيث يمكن لجميع المواقف القطب التمييز بوضوح من دون تداخل. إذا كنت تنوي تشغيل سيجفريد (انظر القسم 4)، وحفظ هذه الإحداثيات ثنائية الأبعاد كما شظية المعلمة BCI2000، في الشكل المطلوب من قبل المعلمة ElectrodeLocations. أخيرا، حدد مواقع الكهربائي اللذين من المحتمل أن تكون electrocorticographically "الصامتة"، أي أنها ليست بالقرب من القشرة بليغ المفترضة، لاستخدامها كعامل الأرض الأولية والمرجعية (إعداد g.USBamps بواسطة الترقيع الإشارة إلى مآخذ الأزرق، والأرضإلى مآخذ أصفر، وعلى اليمين المتطرف من كل وحدة).
2. الأجهزة وإعداد برامج
- تأكد من أن مواصفات الكمبيوتر كافية للتعامل مع متطلبات تجهيز التجربة. وهناك معالجات متعددة النواة من المرجح أن تكون ضرورية لاستيعاب متطلبات الحصول على البيانات في الوقت الحقيقي وتجهيز، وتسجيل الفيديو، والمهام الضرورية الأخرى. للتسجيل والتحليل في الوقت الحقيقي من 128 قناة في 1200 هرتز، ونحن نستخدم لمدة 3 غيغاهرتز رباعية النوى مع آلة 4 غيغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي. يجب أن تكون متصلا مكبرات الصوت إلى وحدة تحكم USB مخصص، متميزة عن وحدة تحكم (ق) المستخدمة من قبل الأجهزة الطرفية إلى عرض نطاق ترددي أخرى، مثل محركات الأقراص الصلبة الخارجية والكاميرات (ويمكن التحقق من ذلك من خلال إدارة الأجهزة للنظام). أخيرا، يجب أن يكون هناك مساحة كافية على القرص لتخزين ما يصل إلى 5 ميغابايت في الثانية من البيانات التجريبية، ونظام للأرشفة ودعم الامر.
- إعداد معدات البحوث (مكبرات الصوت، والكمبيوتر، والشاشة مجرب، وkeyboARD، والمتكلمين، وميكروفون وكاميرا) على عربة واحدة، والتي يمكن أن تدحرجت بسرعة داخل وخارج غرفة المريض، فقط مع التيار واحدة من أجل سد في الحائط. لنقل الكمبيوتر من غرفة الى غرفة، استخدم الدالة الإسبات قبل توصيله. وينبغي أن شاشة المريض يكون الفيديو على طاولة صينية منفصلة أو ذراع جهاز العرض. معتبرا ان المريض عرضة للمصادرة، تأكد من أنه يمكن إرجاع كل المعدات للخروج من الطريق بسرعة في حالة العاملين في المجال الطبي بحاجة إلى الوصول الفوري للمريض. وينبغي أيضا على معدات يمكن تطهيرها مع مناديل مطهرة قبل وبعد استخدامها في غرفة المريض.
- مرة مع المريض محدود، وجميع الإجراءات يجب أن تكون قوية والأمثل لتحقيق أفضل استفادة ممكنة من ذلك الوقت. في هذا الصدد، من مرونة ومتانة BCI2000 هي الخصائص لا تقدر بثمن. تأكد من أن يمكن إطلاقها التجارب في لمسة زر واحدة. في حالة BCI2000، استخدام ملف دفعي لإطلاق الحق في الجمع بينBCI2000 الوحدات تلقائيا، مع خيارات سطر الأوامر المطلوبة. يتعين على المشغل وحدات gUSBampSource، جنبا إلى جنب مع SignalProcessing المناسبة وتطبيق وحدات خاصة لتجربتك. استخدم ميزة BCI2000 للبرمجة المشغل لضمان أن يتم تحميل كافة الملفات المعلمة المطلوبة تلقائيا، بما في ذلك أي التي هي محددة لهذا المريض، مثل عدد من الأقطاب الكهربائية وأسمائهم والمواقف. والغرض من هذه الآلية هو تقليل عدد من الخطوات اليدوية من قبل المجرب، وبالتالي فإن الفرص المتاحة للخطأ. البرامج ومعالمها تحتاج إلى تم الانتهاء واختبار (وربما مع موضوع EEG) واحد على الأقل أو قبل أسبوعين من زرع. كما أنه من المستحسن للغاية لتنفيذ عملية "جافة" تشغيل قبل يوم من الجلسة التجريبية الأولى، بما في ذلك جميع المعلمات المريض محددة جديدة.
3. التجريبية الدورة مجموعة المتابعة
- اختيار لحظة للحصول علىمما يوحي التسجيلات التجريبية للمريض، ومنحهم لاحظت في وقت سابق اليوم، ومرة أخرى قبل 15 دقيقة من بدء لك. كمحاولة للتغلب على الزوار، وجبات الطعام، وبرامج العمل الوطنية، والإجراءات الطبية، والمريض الجسدية والحالة العاطفية والمعرفية. من المهم أن إقامة علاقة مع العاملين في المجال الطبي على الأرض، للمساعدة في تحقيق الاستفادة المثلى من توقيت ومدة التسجيلات.
- عجلة المعدات إلى مكان، للاتصال التيار الكهربائي، تشغيل شاشة الفيديو الموجودة في الموضوع وتوصيله إلى جهاز الكمبيوتر، وبرنامج الأمم المتحدة للفترة السبات الكمبيوتر.
- إطلاق BCI2000. مع المعلمة VisualizeSource تمكين، اضغط تعيين التكوين. المشاهد إشارة إلى فتح، مما يتيح لك تقييم جودة إشارة ECOG. على المشاهد انقر بالزر الايمن وتعيين مرشح تمريرة عالية لقطع هرتز 5. (وهذا وضع مرشح تؤثر فقط على التصور، وليس جمع البيانات.)
- التحقق من وجود تدخل من ضجيج خط الطاقة: هل تفعيل فلتر الشق في العارض (في 50 هرتز أو 60 هرتز،اعتمادا على البلد الذي تتواجد فيه) فرقا كبيرا للإشارة؟ إذا كان الأمر كذلك، في محاولة للحد من هذا عن طريق إزالة أي غير المستخدمة عبر الحديث والكابلات، أو تحديد وإزالة مصادر أخرى للتدخل السلطة. تغيير الأقطاب الكهربائية المستخدمة في إشارة والأرض إذا لزم الأمر.
- إذا كنت تستخدم لافتة للتعقب، معايرة ذلك باستخدام برنامج معايرة المقدمة من قبل الشركة المصنعة. وينبغي تجميع وحدة مصدر BCI2000 مع التمديد EyetrackerLogger شمل، وينبغي أن شنت ل- LogEyetracker = 1 علم تمكين، بحيث يمكن الحصول على بيانات تتبع العين في التوافق مع الإشارات ECOG.
- لتجنب الانحرافات والانقطاعات، والتقليل إلى أدنى حد ممكن تدخل إشارة، وضمان أن يتم تشغيل أجهزة التلفاز وأجهزة الراديو والهواتف النقالة قبالة.
- إعطاء تعليمات دقيقة للمريض للتجربة التي أنت على وشك تشغيله. اعتمادا على مهمة هذا الموضوع، وأعدت شرائح PowerPoint التي تظهر مهمة، لا يمكن للوضع المقترح، وما إلى ذلك، أن تكون مفيدة. اضغط ابدأ على المشغل لبدء التجربة. في كل مرة تضغط على بدء أو استئناف، سيتم إنشاء ملف جديد لتجنب الكتابة فوق البيانات السابقة، وسيتم تهيئة ملف بنسخة من كل القيم المعلمة. وعندئذ يكون دفق البيانات الخام تلقائيا إلى ملف، جنبا إلى جنب مع علامات الحدث، حتى تضغط تعليق أو انتهاء التشغيل التجريبي.
- طوال الدورة، ومراقبة سلوك المريض والإشارات ECOG عن المضبوطات المشتبه بهم، وتكون على استعداد للاستجابة لتعليمات من الطاقم الطبي.
4. الدورة التجريبية سبيل المثال: تعيين السريرية سيجفريد مع BCI2000
- إعداد: قبل أن تبدأ الدورة، وسوف تحتاج إلى وأعدت ملف model.ini الذي يحتوي على إعدادات إشارة تجهيز سيجفريد سوف تستخدم لبناء نموذج، وملف PRM (أو منفصلة شظايا PRM.) التي تحتوي على المعلمات BCI2000 ذلك. وحدة SigfriedSigProcسوف تستخدم في الوقت الحقيقي التصور. معلمتين رئيسية هي ElectrodeLocations، ويحدد تخطيط 2-D الذي اخترته لأقطاب هذا المريض خاصة، وElectrodeCondition، الذي يحدد والتي سيتم تعيينها مهام مختلفة تحت أي ظروف. في هذا المثال، ونحن نستخدم وحدة StimulusPresentation بسيط للتواصل تعليمات للمريض، وبالتالي فإن المعلمة المحفزات يحتاج أيضا إلى أن تتكيف مع المهام نعتزم تشغيل.
- الخطوة الأساسية التالية: بدء تشغيل وحدات gUSBampSource، DummySignalProcessing وStimulusPresentationTask، تكوين لنشاط عينة ECOG من جميع شبكات وشرائح في 1200Hz وعالية تمرير المصفاة عند 0.1 هرتز. تعليمات للموضوع على الاسترخاء والبقاء بلا حراك بعيون مفتوحة. سجل 6 دقائق من النشاط الأساسي، تحت إضاءة مريحة في بيئة هادئة.
- الخطوة النمذجة: بدء تشغيل أداة data2model_gui واستخراج الخصائص الموجودة في صناديق هرتز 5 الابام 70-110 هرتز باستخدام طريقة الكون أقصى لكل مللي 500 من البيانات. اضغط على بناء نموذج لبناء نموذج احتمالي من السمات الطيفية المحدد باستخدام خليط جاوس.
- الخطوة رسم الخرائط: بدء gUSBampSource، SigfriedSigProcLAVA وحدات StimulusPresentationTask وتكوين المشغل لتحميل نموذج احتمالي، ونموذج القشرية، و (2) و- والإحداثيات الكهربائي 3-الأبعاد. بعد ان يوعز هذا الموضوع، والبدء في عملية رسم الخرائط. في هذه العملية، سوف يخضع تنفيذ كل مهمة لمدة 10 ثوان في كل مرة، في كل من 5 مرات. خلال كل مهمة، سيجفريد بالكشف عن نشاط المهمة ذات الصلة ECOG التي يتم تقديم في 2 تحديثها باستمرار - و 3 الابعاد وخرائط القشرة بليغ. في خرائط 2-الأبعاد، وحجم واحمرار في كل دائرة يمثل أهمية في هذه المهمة بالذات. على وجه التحديد، وحجم كل دائرة يتناسب مع نسبة ضئيلة من مجموع الفرق إشارة في مكتبة الإسكندرية جاماالثانية والتي تتم المحاسبة عنها من قبل هذه المهمة. ومن المعروف هذه الإحصائية مثل معامل التحديد، أو آر 2. هو في حدود (0،1) وفي الإعداد الحالية يمكن عموما بقيمة 0.1 تعتبر كبيرة. يمكن السيطرة على زيادة الدوائر إلى الحد الأقصى للقيم 2 R باستخدام المتزلجون (انظر الشكل 1C). في الخرائط 3-الأبعاد، ويتم تعيينها من 2 القيم ص إلى ألوان مختلفة الأحجام بدلا من دائرة.
5. ممثل النتائج
ويوضح الشكل 1 نتائج ممثل، من دورة واحدة رسم الخرائط سيجفريد في مريض واحد. وكان المريض من العمر 28 عاما، اليد اليمنى النساء الذين لديهم المستعصية توطين ذات الصلة صرع من اليسار الزمنية بداية مع تعميم ثانوي. تم زرع 120 أقطاب electrocorticographic subdurally على يسار الجدارية، والقشرة الأمامية الزمانية. والجانبية للأشعة السينية (لوحة A) وصورة داخل المنطوق (لوحة B) تصويرتكوين شبكة واحدة أمامية مع 40 الأقطاب الكهربائية، واحدة ذات الكثافة السكانية العالية شبكة الزمنية مع 68 الأقطاب، وثلاث شرائح كل من 4 أقطاب. من المضبوطات المسجلة، طبيب أعصاب المترجمة بؤر الصرع، وقرر أن من الضروري إجراء الاستئصال الجراحي للالفص الصدغي الأيسر في حين أن يجنب بليغ قشرة لغة. تم تنفيذ هذا بنجاح: في 8 أشهر في مرحلة ما بعد استئصال تم تقييم المريض كما حرر ضبط ودون عجز عصبي. سيجفريد إجراءات التعيين السلبي قشرة حددت المشاركة في وظيفة اللغة التي المتناقضة المهمة ذات الصلة التغييرات خلال المهام الاستماع. وعرضت النتائج في واجهات اثنين: واجهة 2-الأبعاد (لوحة C)، الأمر الذي يجعل تخطيط الأقطاب واضحة، وعلى واجهة ثلاثية الأبعاد 3-تشريحيا، الصحيح (لوحة D). من اليسار إلى اليمين خلافا لوحات والاستماع إلى لغة يتحدث بها مقابل خط الأساس (صوت)، والاستماع إلى النغمات مقابل خط الأساس (طن)، والاستماع إلى لغة منطوقة ضد الدعاوىtening إلى نغمات (لغة). يتم تضمين آخر هذه كصورة تقريبية عن وظيفة السمع التي تخص اللغة الاستقبالية. وأظهرت نتائج حالة VOICE اتفاق جيد مع المواقع التي تعطلت ECS تقبلا وظيفة اللغة في هذا المريض (وضعت الدوائر الصفراء في لوحة A).
الشكل 1. مثال النتائج من مريض واحد. لوحة ويظهر الجانبية للأشعة السينية. الدوائر الصفراء بمناسبة أقطاب المتورطين في اللغة الاستقبالية، في وقت لاحق كما حددتها الخرائط تنشيط جهد كهربي. لوحة (ب) هو صورة فوتوغرافية التقطت خلال زرع. لوحة C تظهر نتائج رسم الخرائط سيجفريد في تخطيط ثنائي الأبعاد التخطيطي: حجم واحمرار في كل قرص يمثل دلالة على تورط كل قطب كهربائي في هذه المهمة، وبالنسبة إلى خط الأساس. في لوحة D، يتم تعيين الإحصائية إلى اللون نفسه على ريندي الدماغ نموذج ثلاثي الأبعادأحمر من التصوير بالرنين المغناطيسي للمريض.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
جمع البيانات ECOG للبحوث يتطلب تعاونا وثيقا بين الأطباء والباحثين، مع درجة عالية متعددة التخصصات فريق حل المشاكل في علم الأعصاب السريرية، وجراحة المخ والأعصاب، وعلم الأعصاب الأساسية، وعلوم الكمبيوتر والهندسة الكهربائية. المكافأة هي أن الإشارات ECOG، وسعة خاصة في نطاق غاما عالية التردد (70 110Hz)، هي ذات قيمة عالية. ليس فقط أنها لا تقدم نظرة علمية إلى يرتبط العصبية المعرفية والحسية والحركية بمعالجة 1-4 في دقة عالية على حد سواء المكانية والزمانية، ولكن الدراسات تفاعل الدماغ والحاسوب في ECOG أظهرت أيضا وعد الأسلوب العظيم كأساس لneuroprosthetic تطبيقات 6،7،10.
ومفتوحة المصدر منصة برمجيات BCI2000 8،9 يوفر مجموعة أدوات مرنة لتسجيل ECOG ومعالجة البيانات في الوقت الحقيقي، لجميع هذه البحوث والجهود الهندسية. واحد محدد في الوقت الحقيقي والتطبيق على أساس BCI2000، سيجفريد 10، يدل على أن التسجيلات ECOG هي أيضا قيمة لرسم الخرائط وظيفية، والتي تبين موافقة كبيرة مع النتائج المستمدة باستخدام جهد كهربي رسم الخرائط التحفيز.
على الرغم من الاهتمام المتزايد بسرعة في ECOG المستندة إلى البحوث، وأنه لا يزال في مراحله الأولى. وقعت الغالبية العظمى من جميع الدراسات ECOG إلى تاريخ مرضى الصرع في الانسان، وبالتالي قد أجريت في السياق الذي يفرض الكثير من القيود على الأبحاث: وتعرف وضع قطب كهربائي ومدتها وفقا لاحتياجات البحوث السريرية وليس؛ الموضوعات التي تلقي يزرع قد يكون غير نمطية نشاط الدماغ، وخصوصا في المنطقة حيث يتم وضع أقطاب كهربائية، ويجب استخدام التكنولوجيا، ودراسات القطب الذي هو منذ عدة سنوات وراء طليعة الهندسة الطبية الحيوية (منذ الأقطاب الكهربائية والمعدات يجب ان يكون قد ذهب من خلال عملية موافقة طويل للاستعمال السريري). ومع ذلك، مع التطوير المستمر لالمنمنمة، دقة عالية، biocompaونظم ECOG tible، وتزرع في الجسم بشكل كامل، خلال السنوات القليلة القادمة نرى بالتأكيد استمرار اعتماد هذا الأسلوب في علم الأعصاب الأساسية والتطبيقية على حد سواء في النماذج البشرية والحيوانية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
وقدم هذا العمل ممكن من المنح التي تدعمها الولايات المتحدة مكتب أبحاث الجيش (W911NF-07-1-0415 (GS)، W911NF-08-1-0216 (GS)) و (المعاهد الوطنية للصحة / NIBIB EB006356 (ع) وEB00856 ( JRW وقطاع غزة)). الكتاب نشكر شون أوستن للوحدة SigfriedSigProcLAVA، وجريفين Milsap لتقديم المساعدة التقنية ذات الصلة.
Materials
|
References
- Miller, K. J. Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement. Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).
- Chang, E. F. Categorical speech representation in human superior temporal gyrus. Nature Neuroscience. 13, 1428-1428 (2010).
- Gunduz, A. Neural correlates of visual-spatial attention in electrocorticographic signals in humans. Frontiers in Human Neuroscience. 5, (2011).
- Pei, X. Spatiotemporal dynamics of electrocorticographic high gamma activity during overt and covert word repetition. NeuroImage. 54, 2960 (2010).
- Crone, N. E. High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography. Progress in Brain Research. 159, 275 (2006).
- Brunner, P. Rapid communication with a "P300" matrix speller using electrocorticographic signals (ECoG). Frontiers in Neuroprosthetics. 5, (2010).
- Leuthardt, E. C. A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans. Journal of Neural Engineering. 1, (2004).
- Schalk, G. BCI2000: A General-Purpose Brain-Computer Interface (BCI) System. IEEE Transactions in Biomedical Engineering. 51, 1034 (2004).
- Schalk, G., Mellinger, J. A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000. , Springer. London. (2010).
- Brunner, P. A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans. Epilepsy and Behavior. 15, 278 (2009).
