神经科学的研究和实时功能皮层映射记录人力Electrocorticographic（ECOG）信号

Summary

我们提出了一个收集用于研究目的的人类正在侵入性癫痫监测electrocorticographic信号的方法。我们展示了如何使用数据采集，信号处理和刺激呈现的BCI2000软件平台。具体来说，我们证明，一个实时脑功能映射的的BCI2000基于工具SIGFRIED。

Protocol

1。电极定位

1. 收集手术前的T1加权结构患者的头部MRI（1.5T或3T）：每片256×256像素，满场，无插补，1毫米层厚，最好是矢状断面。
2. 观察手术植入的电网和钢带。收集原位电极植入的电网和钢带的位置上的数码照片，神经外科医生的笔记。
3. 收集手术后颅骨的X射线图像在高分辨率和脑CT扫描（层厚1毫米，皮肤对皮肤，无角）。
4. 创建一个病人的大脑手术前MRI和合作注册使用电网后植入CT图像的三维皮质模型。用于此目的，我们的咖喱软件包，导出3D皮质结构和电极在MATLAB格式的坐标。从MATLAB中，我们导出影片，显示映射到大脑的电极。我们还米AP电极坐标标准布罗德曼领域使用自动化Talairach图谱。
5. 检讨从三维模型中，X射线图像，照片和票据信息。敲定的电极，并与医院技术人员的工作，以确保电极到分配器修补后，这个号码正是编号方案。还创建了一个原理图绘制在两个方面，如所有的电极位置，可以清楚地区别而不重叠的电极布局。如果你要运行SIGFRIED（见第4节），作为一个BCI2000参数片段保存这两个三维坐标，由ElectrodeLocations参数要求的格式。最后，选择两个电极的位置，有可能是electrocorticographically“沉默”，即，他们是不假定雄辩皮层附近，作为一个初步的地面和参考使用（准备修补蓝色插槽g.USBamps和地面黄色的插座上，各单位的极右）。

2。硬件和软件安装

1. 确保电脑的规格足以处理实验的加工要求。多核心处理器将有可能是必要的，以适应实时数据采集和处理，录像，和其他必要的任务的要求。在1200赫兹128通道的录音和实时分析，我们使用3 GHz四核心机与4 GB的RAM。应连接到一个专用的USB控制器，有别于其他带宽密集型的外围设备，如外部驱动器和数码相机（这可以通过该系统的设备管理器验证），所使用的控制器（S）的放大器。最后，必须有足够的磁盘空间存储多达5 MB每秒的实验数据，归档和备份系统。
2. 设立科研设备（放大器，计算机，实验者的屏幕，keyboARD，扬声器，麦克风和摄像头）一个单一的手推车，可以快速推出和病人的房间里，只有一个电源线插入到墙壁上。移动电脑从房间到另一个房间，使用休眠功能，然后再拔出。病人的视频画面，应该是一个单独的餐桌上或显示器的手臂。考虑到病人很容易发作，使确定的方式推出了，所有的设备可以迅速的情况下，医务人员需要立即获得病人。之前和之后，在病人的房间里使用的设备也应进行消毒杀菌湿巾。
3. 与病人的时间是有限的，和所有程序需要健全和优化，使最好的利用时间。在这方面，BCI2000的灵活性和鲁棒性是非常宝贵的特点。确保实验可以在触摸一个按钮启动。在BCI2000的情况下，使用一个批处理文件来启动正确的组合自动BCI2000模块，所需的命令行选项。 算和gUSBampSource模块是必需的，连同适当SignalProcessing和应用模块，为您的特定实验。使用BCI2000的操作脚本功能，以确保所有必需的参数文件装入自动包括任何具体这个病人，如电极的数量和他们的名字和位置。这种自动化的目的是为了最大限度地减少手动步骤由实验者的数量，从而错误的机会。软件和它的参数需要已完成和测试（或许与脑电图主题）至少有一个或两个星期前植入。执行一个“干”的第一次实验会议的前一天，包括所有的新病人的具体参数，这也是非常可取的。

3。实验性会议确定

1. 选择你的时刻实验记录表明病人，让他们注意到在当天早些时候，前15分钟后重启动。解决游客，吃饭，午睡，医疗程序，以及病人的身体，情绪和认知状态。重要的是建立在地板上的医务人员1融洽，以帮助在优化录音的时间和持续时间。
2. 轮设备到位，连接到电源插座，打开主题的视频画面，并把它连接到计算机，联合国休眠的计算机。
3. 推出BCI2000。启用，随着VisualizeSource参数，按设定配置 。信号查看器打开，让你的脑电图信号质量评估。右键单击观众和高通滤波器设置5赫兹截止。 （此过滤器的设置将只影响可视化，而不是数据收集。）
4. 从电源线噪声干扰：检查是否激活，在观众的陷波滤波器（50 Hz或60 Hz，这取决于你是在哪个国家）信号作出很大的区别吗？如果是这样，尽量减少删除任何未使用的电缆交叉谈话，或查明和消除电源干扰其他来源。如果有必要的参考和地面的改变所用的电极。
5. 如果您正在使用眼睛跟踪器，使用制造商提供的校准软件校准。 BCI2000源模块应与EyetrackerLogger包括延长编制，并应与推出 - LogEyetracker = 1标志的启用，使眼球跟踪数据可以同步获得的脑电图信号。
6. 为了避免分心和干扰，并尽可能减少信号干扰，确保关掉电视，收音机和手机。
7. 给予明确指示，以病人为你要运行的实验。根据主体的任务，准备PowerPoint幻灯片显示任务，建议姿势等，可以证明是有用的。 操作员按下启动开始实验。您每次按下启动或恢复，将创建一个新文件，以避免覆盖以前的数据，该文件将被初始化所有参数值的副本。原始数据，然后将流自动的文件，随着事件标记，直到你按下暂停或实验运行结束。
8. 整个会议期间，监测病人的行为和疑似癫痫的脑电图信号，并随时准备应对医务人员的指示。

4。例如实验会议：SIGFRIED临床BCI2000映射

1. 制备方法：在会议开始之前，你将需要有准备了model.ini文件，它包含的信号处理设置SIGFRIED将用于建立一个模型，并包含一个成对倒数文件（或单独的PRM片段。）BCI2000参数。 SigfriedSigProc模块将用于实时可视化。两个关键参数是ElectrodeLocations，你选择了这名病人的特殊电极，ElectrodeCondition，指定不同的任务将在何种情况下映射指定的2-D的布局。在这个例子中，我们使用的是病人沟通说明简单StimulusPresentation模块，所以还需要适应的刺激参数，我们打算运行的任务。
2. 基线步骤：开始的gUSBampSource，DummySignalProcessing和StimulusPresentationTask的模块，配置从所有网格和1200Hz的带样品脑电图活动，在0.1 Hz的高通滤波。指示主题的放松和保持睁着眼睛一动不动。创纪录的6分钟的基线活动，在一个安静的环境下舒适的照明。
3. 建模步骤：启动data2model_gui工具，并在5赫兹箱FR提取功能OM 70至110赫兹，使用最大熵方法，每500毫秒的数据。按建立模型，以建立一个选定的光谱特征，利用高斯混合的概率模型。
4. 映射步骤：启动gUSBampSource，SigfriedSigProcLAVA和StimulusPresentationTask模块和配置操作加载的概率模型，皮质模型，2 -和3维的电极坐标。指导课题后，开始的映射过程。在这个过程中，一个主题将执行每个任务的10秒的时间，每5重复。在每个任务中，SIGFRIED检测任务有关的脑电图活动，在不断更新2 - 和雄辩皮质三维地图。在2维地图，每个圆圈的大小和发红的代表在这个特殊任务的重要性。具体来说，每个圆圈的大小是成比例的伽玛BA总信号方差的一小部分第二，占任务。这一统计数字是被称为决定系数，或r ^2。它是在范围（0,1），在当前的设置值0.1一般被认为是显着。使用滑块（ 见图1C），可以控制缩放到最大的R ²值的圆圈。在三维地图，R ^2的值映射到不同的颜色，而不是圆的大小。

5。代表结果

图1显示了有代表性的成果，从一个SIGFRIED映射在一个病人会议。病人是一个28岁的右手女性有棘手的本地化相关的左颞癫痫发病中学概括。 ，120 electrocorticographic电极植入硬膜下过左额叶，顶叶和颞叶皮层。侧位X射线（A组）和术中照片（B组）描绘配置正面电网与40个电极，一个高密度的时空网格，68电极和4电极每3条。从记录发作，神经学家本地化的致痫灶和决心，有必要进行手术切除左颞叶，而不惜雄辩的语言皮层。这是顺利完成：在8个月后切除患者已被扣押及无神经功能缺损的评估。被动的映射的过程SIGFRIED确定通过对比任务相关的变化，在听取任务涉及语言功能的皮质。这项研究结果发表在两个接口：一个2维界面（C组），从而使电极的布局清晰，一个三维解剖正确的接口（面板D）。由左到右边的面板听力语言与基线（音）的对比色调与基线（音），听，听口头语言与LIS各自使用不同的以音（语言）。这些粗糙的画面，是接受语言特定的听觉功能。的声音条件，结果表明，在这精英打乱了这名病人接受语言功能（面板一个黄色圆圈标记）的位置很好的协议。

图1。从一个病人的例子结果。小组A显示了一个横向的X射线。黄色圆圈标记，随后确定由大脑皮层电刺激映射在接受语言牵连的电极。 B组是在植入过程中拍摄的照片。 C组显示在原理图的二维布局SIGFRIED测绘成果：每张光盘的大小和发红代表意义的任务在每个电极，相对于基线的参与。面板D，相同的统计数据被映射到一个三维的大脑模型仁德色从病人的MRI红色。

Discussion

脑电图数据收集研究需要临床医生和研究人员之间的密切合作，以高度的多学科团队解决问题，在临床神经病学，神经外科，基础神经科学，计算机科学与电气工程。奖励是脑电图信号，特别是在中高伽玛频率范围（70-110Hz）的幅度，是非常宝贵的。他们不仅提供了认知神经相关科学的见解，感觉和马达在高时空分辨率处理^1-4，但脑电图脑计算机接口的研究也表明，作为一个神经义肢的基础方法的巨大潜力应用^6,7,10。

开源的BCI2000软件平台^8,9，提供了一个灵活的工具包脑电图记录和处理实时数据，所有这些研究和工程努力。一个特定的实时应用程序的基础上BCI2000 SIGFRIED ^10，显示脑电图记录，也是宝贵的映射功能，使用大脑皮层电刺激测绘得出的结果显示大量的同意。

尽管在脑电图的研究兴趣迅速增加，它仍然是处于起步阶段。所有最新的脑电图研究的大部分都发生在人类的癫痫患者，从而已在研究施加许多限制的情况下，进行了定义：电极位置和时间的临床和研究的需要;接受植入的科目，可能有非典型的大脑活动，特别是在电极被放置在那里的地区;和研究必须使用电极技术，是几年背后的尖端生物医学工程（因为电极和设备，必须通过长期的临床使用审批过程中走了）。然而，继续发展小型化，更高的分辨率，biocompa1149，完全植入脑电图系统，在未来几年肯定会继续在基础研究和应用神经通过这种技术在人类和动物模型。

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