Summary
Nous présentons une méthode pour collecter des signaux electrocorticographic des fins de recherche de l'homme qui sont en cours de surveillance d'épilepsie invasive. Nous montrons comment utiliser la plate-forme BCI2000 logiciels pour la collecte des données, traitement du signal et la présentation du stimulus. Plus précisément, nous démontrons Sigfried, un outil basé sur BCI2000 en temps réel la cartographie fonctionnelle du cerveau.
Protocol
1. Localisation des électrodes
- Prélever un pré-opératoire pondérée en T1 IRM structurelle (1.5T ou 3T) de la tête du patient: 256 x 256 pixels par tranche, sur le terrain plein de vue, aucune interpolation, 1 tranche de largeur mm, de préférence les coupes sagittales.
- Observer l'implantation chirurgicale des grilles et des bandes. Recueillir des photos numériques des électrodes in situ, et les notes du neurochirurgien sur les emplacements des grilles et des bandes implantées.
- Recueillir les post-opératoires radiographie du crâne et le cerveau des images tomodensitométrie à haute résolution (1 mm largeur de la tranche, peau à peau, pas d'angle).
- Créer un modèle tridimensionnel corticale du cerveau du patient à l'aide de l'IRM pré-opératoire, et co-enregistrer avec les images post-implantation de la grille CT. Nous utilisons le logiciel CURRY à cet effet, et d'exporter la structure 3D corticale et l'électrode coordonne au format MATLAB. À partir de MATLAB, nous exportons un film qui montre les électrodes mappés sur le cerveau. Nous aussi MAP coordonne l'électrode de standards aires de Brodmann l'aide d'un atlas de Talairach automatisé.
- Vérifiez les informations à partir du modèle 3D, X-ray images, des photographies et des notes. Finaliser un schéma de numérotation pour les électrodes, et le travail avec les techniciens des hôpitaux afin de s'assurer que les électrodes sont patchés dans la répartiteurs suite à cette numérotation exactement. Également créer un plan schématique pour tracer les électrodes en deux dimensions, tels que tous les postes d'électrodes peuvent être clairement distingués, sans chevauchement. Si vous allez courir Sigfried (voir section 4), à l'exception de ces coordonnées à deux dimensions comme un fragment BCI2000 paramètre, dans le format requis par le paramètre ElectrodeLocations. Enfin, sélectionnez deux emplacements des électrodes qui sont susceptibles d'être electrocorticographically «silencieuse», c'est à dire qu'ils ne sont pas près de le cortex éloquent présumée, à utiliser comme un motif initial et de référence (préparer les g.USBamps par rapiéçage la référence aux sockets bleus, et au solaux prises jaunes, sur l'extrême droite de chaque unité).
2. Configuration matérielle et logicielle
- Assurez-vous que les spécifications de l'ordinateur sont suffisantes pour traiter les exigences de traitement de l'expérience. Un processeur multi-core sera probablement nécessaire pour répondre aux demandes en temps réel de l'acquisition de données et le traitement, l'enregistrement vidéo, et d'autres tâches nécessaires. Pour l'enregistrement et analyse en temps réel de 128 canaux à 1200 Hz, nous utilisons un 3-GHz quad-core machine avec 4 Go de RAM. Les amplificateurs doivent être connectés à un contrôleur USB dédié, distinct du contrôleur (s) utilisé par d'autres périphériques gourmands en bande passante, tels que des disques durs externes et les appareils photo (cela peut être vérifié par l'intermédiaire du Gestionnaire de périphériques du système). Enfin, il doit y avoir suffisamment d'espace disque pour stocker un maximum de 5 Mo par seconde de données expérimentales, et un système d'archivage et de les sauvegarder.
- Mettre en place le matériel de recherche (amplificateurs, ordinateur, écran expérimentateur, Keyboard, haut-parleurs, microphone et la caméra) sur un seul chariot, qui peut être déployée rapidement dans et hors de la chambre du patient, avec seulement un cordon d'alimentation unique à brancher dans le mur. Pour déplacer l'ordinateur d'une pièce à, utilisez la fonction Mise en veille prolongée avant de le débrancher. Écran vidéo Le patient doit être sur un plateau de table séparée ou bras de moniteur. Considérant que le patient est sujet à des crises, assurez-vous que tout le matériel peut être sorti de la voie rapide en cas besoin de personnel médical un accès immédiat pour le patient. Le matériel doit également être désinfectés avec des lingettes antiseptiques avant et après utilisation dans la chambre du patient.
- Temps avec le patient est limitée, et toutes les procédures doivent être robustes et optimisées pour tirer le meilleur parti de ce moment-là. À cet égard, la flexibilité et la robustesse de BCI2000 sont des caractéristiques précieuses. Assurez-vous que les expériences peuvent être lancés à la pression d'un bouton. Dans le cas de BCI2000, utiliser un fichier batch pour lancer la bonne combinaison deBCI2000 modules automatiquement, avec le ligne de commande requis des options. L'opérateur et les modules gUSBampSource sont nécessaires, avec le Traitementdusignal appropriée et des modules d'application pour votre expérience particulière. Utilisez la fonction de l'opérateur BCI2000 de script pour faire en sorte que tous les fichiers de paramètres requis sont automatiquement chargés, y compris celles qui sont spécifiques à ce patient, tels que le nombre d'électrodes et de leurs noms et qualités. Le but de cette automatisation est de minimiser le nombre d'étapes manuelles par l'expérimentateur, et donc les possibilités d'erreur. Le logiciel et ses paramètres doivent avoir été finalisé et testé (avec peut-être un sujet EEG) au moins une ou deux semaines avant l'implantation. Il est également fortement conseillé d'effectuer un "sec" trajet le jour précédant la première session expérimentale, y compris tous les nouveaux patients des paramètres spécifiques.
3. Session expérimentale Set-up
- Choisissez votre moment poursuggérant des enregistrements expérimentaux pour le patient, en leur donnant remarquerez tôt dans la journée, et encore 15 minutes avant de commencer. Contourner les visiteurs, les repas, les siestes, les procédures médicales et physique du patient, l'état émotionnel et cognitif. Il est important d'établir un rapport avec le personnel médical sur le sol, pour aider à optimiser la synchronisation et la durée des enregistrements.
- Roue de l'équipement en place, se connecter à la prise de courant, tournez sur l'écran vidéo du sujet et le connecter à l'ordinateur, et non en veille prolongée l'ordinateur.
- Lancement BCI2000. Avec le paramètre VisualizeSource activé, appuyez sur Set Config. Le spectateur signal ouvre, vous laissant apprécier la qualité du signal ECoG. Cliquez-droit sur le spectateur et régler le filtre passe-haut à un seuil de 5 Hz. (Ce réglage du filtre affectera seulement la visualisation, et non la collecte de données.)
- Vérifiez les interférences du bruit de ligne électrique: Est-ce l'activation d'un filtre coupe-bande dans la visionneuse (à 50 Hz ou 60 Hz,selon le pays où vous vous trouvez) faire une grande différence pour le signal? Si c'est le cas, essayez de réduire cela en supprimant tout montant inutilisé du cross-parler câbles, ou à identifier et éliminer les autres sources de puissance d'interférence. Changer les électrodes utilisées à titre de référence et la masse si nécessaire.
- Si vous utilisez un eye-tracker, le calibrer en utilisant le logiciel de calibration fourni par le fabricant. Le module BCI2000 source doit être compilé avec l'extension EyetrackerLogger inclus, et devrait être lancé avec l'option - LogEyetracker = 1 indicateur est activé, de sorte que l'œil les données de suivi peuvent être acquises en phase avec les signaux ECOG.
- Pour éviter les distractions et les interruptions, et de minimiser les interférences possibles, veiller à ce que les téléviseurs, les radios et les téléphones mobiles sont éteints.
- Donner des instructions précises au patient pour l'expérience, vous êtes sur le point de fonctionner. Selon la tâche du sujet, préparé des diapositives Powerpoint qui montrent la tâche, la posture a suggéré, etc, peuvent se révéler utiles. Appuyez sur Démarrer sur la console pour démarrer l'expérience. Chaque fois que vous appuyez sur Démarrer ou Reprendre, un nouveau fichier sera créé pour éviter d'écraser les données précédentes, et le fichier sera initialisé avec une copie de toutes les valeurs des paramètres. Les données brutes seront ensuite écoutés automatiquement dans le fichier, ainsi que des marqueurs d'événements, jusqu'à ce que vous appuyez sur Pause ou les finitions terme expérimentales.
- Tout au long de la session, de surveiller le comportement du patient et les signaux pour les convulsions ECOG suspects, et être prêt à réagir à des instructions du personnel médical.
4. Session Exemple expérimental: Sigfried cartographie clinique avec BCI2000
- Préparation: Avant le début de la session, vous aurez besoin d'avoir préparé un dossier model.ini qui contient les paramètres de traitement du signal Sigfried va utiliser pour construire un modèle, et un fichier prm (ou séparée des fragments PRM.) Contenant les paramètres que BCI2000. le module SigfriedSigProcva utiliser pour visualisation en temps réel. Deux paramètres principaux sont ElectrodeLocations, précisant la mise en page 2-D que vous avez choisi pour les électrodes particulières de ce patient, et ElectrodeCondition, qui spécifie les différentes tâches seront cartographiés dans quelles conditions. Dans cet exemple, nous utilisons le module StimulusPresentation simple pour communiquer des instructions au patient, afin que le paramètre stimuli doit également être adaptée aux tâches que nous l'intention de courir.
- Étape de base: Début des modules gUSBampSource, DummySignalProcessing et StimulusPresentationTask, configurés à l'activité de l'échantillon ECoG toutes les grilles et les bandes à 1200Hz, passe-haut-filtré à 0,1 Hz. Demander au sujet de se relaxer et de rester immobile, les yeux ouverts. Enregistrement de 6 minutes d'activité de base, sous un éclairage à l'aise dans un environnement calme.
- Étape de la modélisation: Démarrez l'outil data2model_gui et extraire des caractéristiques dans les bacs Hz 5 from 70 à 110 Hz en utilisant au maximum la méthode d'entropie pour toutes les 500 ms de données. Appuyez sur Construire le modèle pour construire un modèle probabiliste des caractéristiques spectrales sélectionnées en utilisant des mélanges gaussiens.
- Étape de cartographie: Démarrez le gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA et modules StimulusPresentationTask et configurer l'opérateur de charger le modèle probabiliste, le modèle cortical, et le 2 - et les coordonnées d'électrodes 3-dimensions. Après avoir demandé le sujet, commencer le processus de cartographie. Dans ce processus, d'un sujet ne exécution de chaque tâche pendant 10 secondes à la fois, sur chacun de 5 répétitions. Au cours de chaque tâche, Sigfried détecte une activité ECoG tâche liée qui est présenté en 2 continuellement mis à jour - et 3-dimensions des cartes du cortex éloquent. Dans les cartes en 2 dimensions, la taille et la rougeur de chaque cercle représente son importance dans cette tâche particulière. Plus précisément, la taille de chaque cercle est proportionnelle à la fraction de la variance totale du signal dans le ba gammae qui est représenté par la tâche. Cette statistique est connue comme le coefficient de détermination, ou R 2. Il est dans la gamme (0,1) et dans la configuration actuelle d'une valeur de 0,1 peut généralement être considérée comme significative. La mise à l'échelle des cercles à un maximum de valeurs de r 2 peut être contrôlé à l'aide des curseurs (voir la figure 1C). Dans les cartes en 3 dimensions, les valeurs de R 2 sont mis en correspondance avec des couleurs différentes, plutôt que les tailles de cercle.
5. Les résultats représentatifs
La figure 1 montre des résultats représentatifs, d'une séance de cartographie Sigfried chez un patient. Le patient était un homme de 28 ans droitier femme qui avait intraitable localisation liée à l'épilepsie de gauche-temporelle avec l'apparition généralisation secondaire. 120 électrodes ont été implantées sous-durale electrocorticographic plus à gauche frontal, pariétal et le cortex temporal. Une radiographie latérale (partie A) et une photographie intra-opératoire (groupe B) représentent laconfiguration d'un réseau frontale avec 40 électrodes, une densité plus élevée de la grille temporelle avec 68 électrodes, et trois bandes chacune de 4 électrodes. A partir des saisies enregistrées, un neurologue localisé le foyer épileptique et a déterminé qu'il était nécessaire d'effectuer une résection chirurgicale du lobe temporal gauche, tout en épargnant le cortex langage éloquent. Ceci a été réalisé avec succès: à 8 mois après résection du patient a été évalué comme la saisie libre et sans déficits neurologiques. La procédure de cartographie passive Sigfried cortex identifiés impliqués dans la fonction du langage en comparant les tâches liées à des changements au cours de tâches d'écoute. Les résultats ont été présentés dans deux interfaces: une interface en 2 dimensions (panneau C), ce qui rend la disposition des électrodes clair, et une interface en 3 dimensions anatomiquement correcte (panneau D). De gauche à droite le contraste panneaux écoute de la langue parlée de base vs (VOICE), qui entend des sons de base vs (TONS), et écouter de la langue parlée vs lisTening aux tonalités (langue). Le dernier d'entre eux est incluse comme une image approximative de la fonction auditive qui est spécifique à langage réceptif. Les résultats de la condition VOIX montré une bonne concordance avec les emplacements au cours de laquelle ECS perturbé la fonction du langage réceptif chez ce patient (marqué par des cercles jaunes dans la partie A).
Figure 1. Exemple de résultats d'un patient. Panel A montre une radiographie latérale. Cercles jaunes marquent les électrodes impliquées dans le langage réceptif, comme la suite été identifiés par la cartographie de stimulation électrocorticale. Groupe B est une photographie prise lors de l'implantation. Groupe C montre les résultats de la cartographie Sigfried dans un schéma à deux dimensions mise en page: la taille et la rougeur de chaque disque représente l'importance de l'implication de chaque électrode dans la tâche, par rapport au scénario de référence. Dans le panneau D, la même statistique est associée à la couleur sur un Rende tridimensionnelle du cerveau modèlerouge à partir de l'IRM du patient.
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Discussion
Collecte de données pour la recherche ECOG exige une coopération étroite entre les cliniciens et les chercheurs, avec une très équipe multi-disciplinaire résoudre les problèmes en neurologie clinique, neurochirurgie, des neurosciences fondamentales, informatique et génie électrique. La récompense est que les signaux ECOG, et des amplitudes particulières dans la gamme de fréquences haute gamma (70-110Hz), sont de grande valeur. Non seulement ils donnent un aperçu scientifique sur les corrélats neuraux de la cognitives, sensorielles et motrices traite 1-4 à la fois une résolution spatiale et temporelle élevée, mais les études d'interfaçage cerveau-ordinateur dans ECoG ont également montré des résultats prometteurs de la méthode comme une base pour neuroprothèses applications 6,7,10.
Le open-source BCI2000 plate-forme logicielle 8,9 fournit un ensemble d'outils flexibles pour l'enregistrement ECOG et traitement des données en temps réel, pour toutes ces recherches et les efforts d'ingénierie. Un temps réel propre à l'application basée sur BCI2000, Sigfried 10, démontre que les enregistrements ECOG sont également précieuses pour la cartographie fonctionnelle, montrant assentiment substantielle avec les résultats issus de stimulation utilisant la cartographie électrocorticale.
Malgré l'intérêt sans cesse croissant dans la recherche axée sur ECoG, il est encore à ses balbutiements. La grande majorité de toutes les études ECOG à ce jour ont eu lieu chez les patients épileptiques de l'homme, et ont donc été menées dans un contexte qui impose de nombreuses limitations à la recherche: le placement des électrodes et la durée sont définis par les besoins de recherche clinique et non; sujets qui reçoivent des implants peuvent avoir l'activité cérébrale atypique, en particulier dans la région où les électrodes sont placées, et les études doivent utiliser la technologie d'électrode qui est depuis plusieurs années derrière la pointe de l'ingénierie biomédicale (depuis les électrodes et le matériel ont traversé un processus d'approbation long pour une utilisation clinique). Cependant, avec le développement continu de miniaturisation, haute résolution, biocompasystèmes ECOG tible, et entièrement implantable, les années à venir verront certainement l'adoption continue de cette technique dans les neurosciences fondamentales et appliquées dans les modèles à la fois humaines et animales.
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Disclosures
Pas de conflits d'intérêt déclarés.
Acknowledgments
Ce travail a été rendu possible par des subventions soutenues par le Bureau US Army Research (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) et le (NIH / NIBIB EB006356 (GS) et EB00856 ( JRW et GS)). Les auteurs tiennent à remercier Sean Austin pour le module SigfriedSigProcLAVA, et Griffin Milsap pour l'assistance technique connexe.
Materials
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References
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