Het opnemen van de Mens electrocorticografische (ECOG) Signalen voor neurowetenschappelijk onderzoek en Real-time Functioneel Cortical Mapping

Summary

We presenteren een methode voor het verzamelen van electrocorticografische signalen voor onderzoeksdoeleinden van mensen bij wie een invasieve epilepsie monitoring. We laten zien hoe je de BCI2000 software platform te gebruiken voor het verzamelen van gegevens, signaalverwerking en stimulus presentatie. In het bijzonder laten we zien Sigfried, een BCI2000-based tool voor real-time functionele brein in kaart brengen.

Protocol

1. Elektrode Lokalisatie

1. Verzamel een pre-operatieve T1-gewogen structurele MRI (1.5T of 3T) van het hoofd van de patiënt: 256 x 256 pixels per stuk, volledig beeld, geen interpolatie, 1 mm breed sneetje, bij voorkeur sagittale doorsneden.
2. Let op de chirurgische implantatie van de roosters en strips. Verzamel digitale foto's van de elektroden in situ, en de neurochirurg de nota's over de locatie van de geïmplanteerde roosters en strips.
3. Verzamel de post-operatieve schedel X-ray beelden en hersenen CT-scans met een hoge resolutie (1 mm slice breedte, huid op huid, geen van de hoeken).
4. Maak een driedimensionaal corticale model van de hersenen van de patiënt met behulp van de pre-operatieve MRI, en co-registreren bij de post-grid implantatie CT-beelden. We gebruiken de CURRY softwarepakket voor dit doel, en de uitvoer van de 3D-corticale structuur en de elektrode coördinaten in MATLAB-formaat. Van MATLAB, exporteren we een film die de elektroden in kaart gebracht op de hersenen laat zien. We hebben ook Map de elektrode coördineert de standaard Brodmann gebieden met behulp van een geautomatiseerd Talairach atlas.
5. Bekijk de informatie uit het 3D-model, X-ray foto's, foto's en notities. Af te ronden een nummeringsschema voor de elektroden, en werken met het ziekenhuis technici om ervoor te zorgen dat de elektroden worden gepatched naar de verdelers na deze nummering precies. Ook een schematische lay-out voor het plotten van de elektroden in twee dimensies, zoals dat al de elektrode posities duidelijk te onderscheiden zonder overlapping. Als je gaat lopen Sigfried (zie hoofdstuk 4), slaat u deze twee-dimensionale coördinaten als een BCI2000 parameter fragment, in het formaat dat door de ElectrodeLocations parameter. Tot slot, twee elektroden locaties die waarschijnlijk electrocorticographically selecteer "stille", dat wil zeggen, ze zijn niet in de buurt van de veronderstelde welsprekende cortex, te gebruiken als een eerste grond-en referentie (de voorbereiding van de g.USBamps door een patch de verwijzing naar de blauwe stopcontacten, en op de grondde gele aansluitingen op uiterst rechts van elke eenheid).

2. Hardware en software-installatie

1. Zorg ervoor dat de computer specificaties geschikt zijn voor de behandeling van de verwerking eisen van het experiment. Een multi-core processor zal waarschijnlijk nodig zijn om de eisen van de real-time data-acquisitie en-verwerking, video-opname, en andere noodzakelijke taken tegemoet te komen. Voor het opnemen en real-time analyse van 128 kanalen op 1200 Hz, gebruiken we een 3-GHz quad-core machine met 4 GB RAM-geheugen. De versterkers moeten worden aangesloten op een speciale USB-controller, los van de controller (s) gebruikt worden door andere bandbreedte-hongerige randapparatuur, zoals externe schijven en camera's (dit kan worden geverifieerd via apparaat van het systeem Manager). Ten slotte moet er voldoende vrije schijfruimte voor de opslag van maximaal 5 MB per seconde van experimentele gegevens, en een systeem voor archivering en backups te maken.
2. Stel het onderzoek apparatuur (versterkers, computer, experimentator in het scherm Keyboard, luidsprekers, microfoon en camera) op een enkele wagen, die snel kunnen worden in en uit gerold van de kamer van de patiënt, met slechts een netsnoer aan te sluiten op de muur. Om de computer te verplaatsen van kamer naar kamer, gebruik dan de Hibernate-functie voordat u de stekker uittrekt. De patiënt videoscherm zou moeten zijn op een apart tafeltje of monitor arm. Gezien het feit dat de patiënt gevoelig is voor aanvallen, ervoor te zorgen dat alle apparatuur kan worden uitgerold snel de weg in het geval medisch personeel nodig heeft directe toegang tot de patiënt. De apparatuur moet ook worden ontsmet met antiseptische doekjes voor en na gebruik in de kamer van de patiënt.
3. Tijd met de patiënt beperkt is, en alle procedures moeten robuust en geoptimaliseerd om optimaal gebruik te maken van die tijd te maken. In dit verband, de flexibiliteit en robuustheid van BCI2000 zijn van onschatbare waarde kenmerken. Zorg ervoor dat de experimenten kan worden gestart met een druk op een knop. In het geval van BCI2000, gebruik maken van een batch-bestand naar de juiste combinatie van startBCI2000 modules automatisch, met de vereiste command-line opties. De operator en de gUSBampSource modules nodig zijn, samen met de juiste Signaalverwerking en Application modules voor uw experiment. Gebruik BCI2000's Operator scripting-functie om ervoor te zorgen dat alle vereiste parameter bestanden automatisch worden geladen, ook wanneer deze eventueel specifiek zijn voor deze patiënt, zoals het aantal elektroden en hun namen en posities. Het doel van deze automatisering om het aantal handmatige stappen van het experiment, waardoor de mogelijkheden voor fouten. De software en de bijbehorende parameters dienen te zijn afgerond en getest (misschien met een EEG onderwerp) ten minste een of twee weken vóór de implantatie. Het is ook zeer aan te raden om het uitvoeren van een "droog" de dag die voor de eerste experimentele sessie, met inbegrip van alle nieuwe patiënt-specifieke parameters.

3. Experimentele Session Set-up

1. Kies uw moment voorsuggereert experimentele opnamen voor de patiënt, waardoor ze merken eerder op de dag, en opnieuw 15 minuten voor je begint. Werken rond de bezoekers, maaltijden, dutjes, medische procedures, en de patiënt de fysieke, emotionele en cognitieve toestand. Het is belangrijk om een ​​band vast met het medisch personeel op de vloer te helpen bij het optimaliseren van de duur door opnamen.
2. Wiel van de apparatuur op zijn plaats, te sluiten op het stopcontact, zet video van het onderwerp scherm en sluit het aan op de computer, en un-hibernate de computer.
3. Start BCI2000. Met de VisualizeSource parameter is ingeschakeld, drukt u op Set Config. Het signaal viewer opent, zodat beoordeelt u de ECOG kwaliteit van het signaal. Klik met de rechtermuisknop op de kijker en zet de high-pass filter op een 5 Hz cutoff. (Dit filter instelling is alleen van invloed op visualisatie, en niet het verzamelen van gegevens.)
4. Controleer voor verstoringen van de macht ruis op de telefoonlijn: Is het activeren van een notch filter in de viewer (bij 50 Hz of 60 Hz,afhankelijk van het land u zich bevindt) een groot verschil maken om het signaal? Als dat zo is, probeer dan om dit te verminderen door het verwijderen van alle ongebruikte cross-praten-kabels, of het identificeren en verwijderen van andere bronnen van kracht interferentie. Wijzig de elektroden gebruikt voor referentie-en de grond indien nodig.
5. Als u gebruik maakt van een eye-tracker, kalibreren met behulp van de kalibratie software die door de fabrikant. De BCI2000 source module moet worden aangemaakt met de extensie EyetrackerLogger inbegrepen, en moet van start met de worden - LogEyetracker = 1 flag ingeschakeld, zodat de eye-tracking gegevens kunnen worden verkregen in harmonie met de ECOG signalen.
6. Om afleiding en onderbrekingen te voorkomen en mogelijke signaal interferentie te minimaliseren, ervoor zorgen dat televisietoestellen, radio's en mobiele telefoons zijn uitgeschakeld.
7. Geef duidelijke instructies aan de patiënt voor het experiment u op het punt om te draaien. Afhankelijk van de taak van het onderwerp, bereid Powerpoint dia's die de taak weer te geven, kan de voorgestelde houding, enz., nuttig zijn. Druk op Start van de operator om het experiment te starten. Telkens wanneer u op starten of hervatten, een nieuw bestand gemaakt om te voorkomen dat het overschrijven van eerdere gegevens, en het bestand zal worden geïnitialiseerd met een kopie van alle parameterwaarden. Ruwe data wordt dan automatisch gestreamd naar het bestand, samen met event markers, totdat u op te schorten of de experimentele run is voltooid.
8. Gedurende de sessie, toezicht houden op de patiënt het gedrag en de ECOG signalen voor verdachte aanvallen, en klaar om te reageren op aanwijzingen van medisch personeel.

4. Voorbeeld Experimentele Sessie: Sigfried Klinische Mapping met BCI2000

1. Voorbereiding: Voordat de sessie begint, moet u hebben voorbereid een model.ini bestand dat de signaal-processing instellingen Sigfried zal gebruiken om een ​​model te bouwen, en een PRM bestand (of aparte PRM fragmenten.) Met de BCI2000 parameters. de SigfriedSigProc modulezal gebruiken voor real-time visualisatie. Twee belangrijke parameters zijn ElectrodeLocations, met vermelding van de 2-D lay-out die u heeft gekozen voor een specifiek deze patiënt elektroden, en ElectrodeCondition, waarin wordt bepaald dat verschillende taken worden in kaart gebracht onder welke voorwaarden. In dit voorbeeld gebruiken we de eenvoudige StimulusPresentation module voor het communiceren van instructies aan de patiënt, zodat de prikkels parameter moet ook worden aangepast aan de taken die we van plan om te draaien.
2. Baseline Stap: Start het gUSBampSource, DummySignalProcessing en StimulusPresentationTask modules, geconfigureerd om te proeven ECOG activiteit van alle roosters en strips op 1200Hz, high-pass-gefilterd op 0,1 Hz. Instrueer het onderwerp om te ontspannen en onbeweeglijk met de ogen open blijven. Record 6 minuten van de baseline activiteit, onder comfortabele verlichting in een rustige omgeving.
3. Modeling Stap: Start het data2model_gui gereedschap en functies in 5 Hz bakken fr halenOM 70 tot 110 Hz met behulp van maximale entropie methode voor elke 500 ms van gegevens. Druk op Build-model naar een probabilistisch model van de geselecteerde spectrale kenmerken met behulp van Gauss-mengsels te bouwen.
4. Mapping Stap: Start het gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA en StimulusPresentationTask modules en configureren van de operator om de probabilistische model te laden, de corticale model, en de 2 - en 3-dimensionale elektrode coördinaten. Na het instrueren van het onderwerp, start het in kaart brengen van proces. In dit proces, een onderwerp zal elke taak uit te voeren gedurende 10 seconden per keer, op elk van 5 herhalingen. Tijdens elke taak, Sigfried detecteert taakgerelateerde ECoG activiteit die wordt gepresenteerd in continu bijgewerkt 2 - en 3-dimensionale kaarten van welsprekende cortex. In de 2-dimensionale kaarten, de grootte en de roodheid van elke cirkel vertegenwoordigt het belang ervan in deze specifieke taak. Specifiek, de grootte van de cirkel is evenredig met de fractie van het totale signaal variantie in de gamma band dat wordt veroorzaakt door de taak. Deze statistische staat bekend als de coëfficiënt van bepaling of r ^2. Het is in het bereik (0,1) en de huidige opstelling een waarde van 0,1 algemeen kan als significant beschouwd. De schaling van de cirkels om een maximale r ² waarden kunnen worden gecontroleerd met behulp van de schuifregelaars (zie figuur 1C). In de 3-dimensionale kaart, de r ² waarden toegewezen aan verschillende kleuren in plaats cirkel afmetingen.

5. Representatieve resultaten

Figuur 1 toont representatief resultaat van een Sigfried mapping zitting in een patiënt. De patiënt was een 28-jarige rechtshandige vrouw die had hardnekkige lokalisatie-epilepsie van de linker-temporele begin met secundaire generalisatie. 120 electrocorticografische elektroden werden subdurally geïmplanteerd meer dan linker frontale, pariëtale en temporale cortex. Een lateraal röntgen (paneel A) en een intra-operatieve foto (panel B) beschrijven deconfiguratie van een frontale raster met 40 elektroden, een hogere dichtheid tijd raster met 68 elektroden en drie stroken elk van vier elektroden. Van de opgenomen aanvallen, een neuroloog gelokaliseerd de epileptische foci en bepaald dat het noodzakelijk was om chirurgische resectie van de linker temporale kwab uit te voeren, terwijl sparen welsprekende taal cortex. Dit werd met succes uitgevoerd: op 8 maanden na resectie van de patiënt is beoordeeld als vrij van aanvallen en zonder neurologische afwijkingen. De passieve mapping procedure Sigfried geïdentificeerd cortex die betrokken zijn in de taal van de functie door het contrast tussen taak-gerelateerde veranderingen tijdens het luisteren taken. De resultaten zijn in twee interfaces: 2-dimensionale interface (kader C), waardoor de inrichting van de elektroden helder en een 3-dimensionaal anatomisch correcte interface (paneel D). Van links naar rechts de panelen contrast te luisteren naar gesproken taal vs baseline (VOICE), het luisteren naar tonen vs basislijn (tonen) en het luisteren naar gesproken taal vs lishet luisteren naar tonen (taal). De laatste van deze is opgenomen als een globaal beeld van de auditieve functie die specifiek is voor receptieve taal. De resultaten van de VOICE conditie toonden een goede overeenkomst met locaties waar ECS receptieve taal functie verstoord bij deze patiënt (aangeduid als gele cirkels in panel A).

Figuur 1. Voorbeeld resultaten van een patiënt. Paneel A toont een zijdelingse x-ray. Gele cirkels markeren de elektroden betrokken bij receptieve taal, zoals later geïdentificeerd door electrocortical stimulatie in kaart brengen. Paneel B is een foto die tijdens de implantatie. Paneel C toont de Sigfried in kaart brengen resulteert in een schematische tweedimensionale lay-out: de grootte en de roodheid van elke schijf vertegenwoordigt het belang van de betrokkenheid van elke elektrode in de taak, ten opzichte van de uitgangssituatie. In paneel D, wordt dezelfde statistische toegewezen aan kleur op een driedimensionaal model hersenen Renderood van MRI van de patiënt.

Discussion

Het verzamelen van ECoG gegevens voor onderzoek vereist een nauwe samenwerking tussen clinici en onderzoekers, met een sterk multi-disciplinair team het oplossen van problemen in de klinische neurologie, neurochirurgie, elementaire neurowetenschap, informatica en elektrotechniek. Het rendement is dat ECOG signalen, in het bijzonder amplitudes in de hoge frequentieband gamma (70 110 Hz), zeer waardevol. Niet alleen zij wetenschappelijk inzicht te geven in de neurale correlaten van cognitieve, sensorische en motorische processen ^1-4 in een zowel hoge ruimtelijke en temporele resolutie, maar brain-computer interfacing studies in ECoG hebben ook aangetoond van de methode een grote belofte als basis voor neuroprosthetic toepassingen ^6,7,10.

De open-source software platform BCI2000 ^8,9 biedt een flexibele toolkit voor het opnemen van ECOG en verwerken van de gegevens in real-time, voor al deze research en engineering inspanningen. Een specifieke real-time toepassing op basis van BCI2000, Sigfried ^10, toont aan dat ECOG opnames ook waardevol zijn voor de functionele kaart brengen, met grote instemming met de resultaten afgeleid met behulp van electrocortical stimulatie in kaart brengen.

Ondanks de snel toenemende belangstelling voor ECoG op basis van onderzoek, is het nog in de kinderschoenen. De grote meerderheid van alle ECOG studies tot op heden hebben plaatsgevonden in de menselijke patiënten met epilepsie, en dus zijn plaats in een context die veel beperkingen oplegt aan onderzoek: het plaatsen van elektroden en duur worden gedefinieerd door klinische en niet onderzoek behoeften; onderwerpen die implantaten krijgen kunnen hebben atypische hersenactiviteit, vooral in de regio waar de elektroden worden geplaatst, en studies moet gebruik maken van elektrode technologie die een aantal jaar achter op het snijvlak van de biomedische technologie (sinds de elektroden en het materiaal moeten zijn gegaan door middel van een lang proces van goedkeuring voor klinisch gebruik). Echter, met verdere ontwikkeling van geminiaturiseerde, hogere resolutie, biocompaverenigbaar, en volledig implanteerbare ECoG systemen, de komende jaren zeker doorzetten goedkeuring van deze techniek in de fundamentele en toegepaste neurowetenschappen in zowel menselijke als dierlijke modellen.

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