Inspelning mänskliga Electrocorticographic (ECOG) signaler för neurovetenskaplig forskning och Real-time Funktionell Kortikal Mapping

Summary

Vi presenterar en metod för att samla electrocorticographic signaler för forskningsändamål från människor som genomgår invasiv epilepsi övervakning. Vi visar hur du använder BCI2000 mjukvaruplattform för datainsamling, signalbehandling och stimulans presentation. Specifikt visar vi Sigfried, en BCI2000-baserat verktyg för realtids-funktionell kartläggning av hjärnan.

Protocol

1. Elektroden lokalisering

1. Samla en preoperativ T1-viktade strukturella MRI (1,5 T eller 3T) av patientens huvud: 256 x 256 pixlar per skiva, hela synfältet, ingen interpolation, 1 mm skiva bredd, helst sagittal tvärsnitt.
2. Observera den kirurgiska implantationen av gallren och remsorna. Samla digitala fotografier av elektroderna in situ, och neurokirurgen noteringar på de platser de implanterade nät och band.
3. Samla postoperativa skalle röntgenbilder och hjärna CT skannar med hög upplösning (1 mm skiva bredd, hud mot hud, ingen vinkel).
4. Skapa en tre-dimensionell kortikal modell av patientens hjärna med hjälp av preoperativ MRI och co registrera den med post-grid implantation CT bilder. Vi använda CURRY mjukvarupaketet för detta ändamål, och exportera 3D kortikala strukturen och elektroden koordinerar i MATLAB-format. Från MATLAB, exporterar vi en film som visar elektroderna avbildas på hjärnan. Vi m ocksåap elektroden koordinater till standard Brodmann områden med en automatiserad Talairach Atlas.
5. Granska informationen från 3D-modellen, X-ray bilder, fotografier och anteckningar. Färdigställa en numreringsschema för elektroderna och arbeta med sjukhusets tekniker för att säkerställa att elektroderna är lappat i fördelningsväxlar efter denna numrering exakt. Också skapa en schematisk layout för att rita elektroderna i två dimensioner, så att alla elektroden positioner tydligt kan urskiljas utan överlappning. Om du ska köra Sigfried (se avsnitt 4), spara tvådimensionella koordinater som en BCI2000 parameter fragment, i det format som krävs av ElectrodeLocations parametern. Slutligen, välj två elektrod platser som sannolikt är electrocorticographically "tyst", dvs de är inte i närheten av förmodade vältaligt cortex, att använda som en grundläggande markbundna och referens (förbereda g.USBamps med lapp hänvisning till de blå uttag, och maldestill de gula uttag, på den extrema höger om varje enhet).

2. Hårdvara och mjukvara Setup

1. Se till att datorns specifikationer är tillräckliga för att hantera de krav på behandling av experimentet. En multi-core processor kommer sannolikt att vara nödvändigt för att tillgodose kraven i realtid datainsamling och bearbetning, videoinspelning, och andra nödvändiga uppgifter. För inspelning och analys i realtid av 128 kanaler på 1200 Hz, använder vi en 3-GHz quad-core maskin med 4 GB RAM-minne. Förstärkarna bör vara ansluten till en särskild USB-styrenheten, skild från styrenheten (er) som används av andra bandbreddskrävande och kringutrustning såsom externa enheter och kameror (detta kan kontrolleras via systemets Device Manager). Slutligen måste det finnas tillräckligt med diskutrymme för att lagra upp till 5 MB per sekund av experimentella data och ett system för arkivering och säkerhetskopiering upp.
2. Ställ in forskningsutrustning (förstärkare, dator, experimenter skärm, keyboARD, högtalare, mikrofon och kamera) på en enda vagn, som snabbt kan rullas in och ut ur patientens rum, med bara en enda nätsladd att ansluta in i väggen. För att flytta datorn från rum till rum, använd Hibernate funktionen innan du drar ut kontakten. Patientens videoskärm ska vara på en separat brickbord eller bildskärm arm. Med tanke på att patienten är benägen att anfall, se till att all utrustning kan rullas undan snabbt om medicinsk personal behöver omedelbar tillgång till patienten. Utrustningen bör också desinficeras med antiseptiska våtservetter före och efter användning i patientens rum.
3. Tid med patienten är begränsad och alla förfaranden måste vara robusta och optimerad för att på bästa sätt utnyttja den tiden. I detta avseende flexibilitet och stabilitet BCI2000 är ovärderliga egenskaper. Se till att experimenten kan startas genom att trycka på en knapp. När det gäller BCI2000, använd en batch-fil för att starta den rätta kombinationen avBCI2000 moduler automatiskt, med de nödvändiga kommandoradsalternativ. Operatören och gUSBampSource moduler krävs, tillsammans med lämpliga signalbehandling och moduler Ansökan om din experimentet. Använd BCI2000 s funktion Operator skript för att säkerställa att alla nödvändiga parametrar filerna laddas automatiskt, även sådana som är specifika för denna patient, såsom antalet elektroder och deras namn och positioner. Syftet med detta automatisering är att minimera antalet manuella steg av försöksledaren och sålunda möjligheten för fel. Programvaran och dess parametrar behöver ha färdigställas och testas (kanske med en EEG ämne) minst en eller två veckor innan implantation. Det är också mycket lämpligt att utföra en "torr" köra dagen innan första experimentella sessionen, inklusive alla de nya patientspecifika parametrar.

3. Experimentell Session Set-up

1. Välj ögonblick förtyder experimentella inspelningar till patienten, ge dem märker tidigare på dagen, och återigen 15 minuter innan du börjar. Undvik besökare, måltider, tupplurar, medicinska förfaranden och patientens fysiska, emotionella och kognitiva tillstånd. Det är viktigt att upprätta en rapport med medicinsk personal på golvet, för att hjälpa till att optimera tidpunkt och varaktighet för inspelningar.
2. Rulla utrustningen på plats, anslut till vägguttaget, slå på motivets videoskärmen och anslut den till datorn, och FN-dvala datorn.
3. Starta BCI2000. Med VisualizeSource parametern aktiverad, tryck på SET Config. Signalen betraktaren öppnas, så att du bedöma ECOG signalkvaliteten. Högerklicka på betraktaren och ställa in high-pass filter på en 5 Hz cutoff. (Det här filtret inställningen påverkar endast visualisering och inte insamlingen av data.)
4. Kontrollera om störningar från kraftledningen brus: Har aktivera ett hack filter i betraktaren (vid 50 Hz eller 60 Hz,beroende på vilket land du befinner dig i) gör en stor skillnad mot signalen? Om så är fallet, försöka minska detta genom att ta bort alla oanvända över talar kablar eller identifiera och ta bort andra kraftkällor störningar. Ändra elektroderna används som referens och jord om det behövs.
5. Om du använder ett öga-tracker, kalibrera den med kalibreringen programvara som tillhandahålls av tillverkaren. Den BCI2000 Källan Modulen ska kompileras med EyetrackerLogger förlängningen ingår, och bör inledas med - LogEyetracker = 1 flaggan aktiverad, så att eye-tracking data kan förvärvas i fas med ECOG signaler.
6. För att undvika störningar och avbrott, samt att minimera möjliga signal störning, se till att TV, radio och mobiltelefoner är avstängda.
7. Ge exakta instruktioner till patienten för experimentet du ska köra. Beroende på ämnet uppgift, beredda PowerPoint-bilder som visar uppgiften kan den föreslagna hållning, etc. visa sig vara användbar. Tryck på Start på operatören för att starta experimentet. Varje gång du trycker på start eller återställning, en ny fil kommer att skapas för att undvika att skriva över tidigare data och filen kommer att initieras med en kopia av alla parametervärden. Rådata kommer sedan att strömmas automatiskt till filen, tillsammans med händelsemarkörer, tills du trycker på Suspend eller experimentella ytbehandlingar run.
8. Under hela sessionen, övervaka patientens beteende och ECOG signaler för misstänkta kramper, och vara redo att reagera på instruktioner från medicinsk personal.

4. Exempel Experimentell Session: Sigfried Klinisk Kartläggning med BCI2000

1. Förberedelser: Innan sessionen börjar måste du ha förberett en model.ini fil som innehåller signal-behandling inställningarna Sigfried kommer att använda för att bygga en modell och en PRM-fil (eller separat PRM fragment.) Innehåller BCI2000 parametrar som. den SigfriedSigProc modulenkommer att använda för i realtid visualisering. Två viktiga parametrar är ElectrodeLocations, med angivande av 2-D layout du har valt för patientens speciella elektroder, och ElectrodeCondition, som specificerar vilka olika uppgifter kommer att kartläggas under vilka förutsättningar. I detta exempel använder vi den enkla StimulusPresentation modulen för att kommunicera instruktioner till patienten, så Stimuli parametern måste också anpassas till de uppgifter vi har för avsikt att köra.
2. Baseline Steg: Starta gUSBampSource, DummySignalProcessing och StimulusPresentationTask moduler som konfigurerats för att prov ECOG aktivitet från alla nät och band vid 1200 Hz, högpass-filtrerade vid 0,1 Hz. Instruera ämnet att slappna av och vara orörlig med öppna ögon. Spela 6 minuter baslinje, både under bekvämt belysning i en lugn miljö.
3. Modeling Steg: Starta data2model_gui verktyget och extrahera funktioner 5 Hz lådor frOM 70 till 110 Hz med maximal entropi metod för varje 500 ms av data. Tryck Bygg Model att bygga en probabilistisk modell av de utvalda spektrala egenskaper med hjälp av Gaussian blandningar.
4. Mapping Steg: Starta gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA och StimulusPresentationTask moduler och konfigurera operatören att ladda probabilistisk modell, kortikala modell och 2 - och 3-dimensionella koordinater elektrod. Efter instruera ämnet, starta kartläggningen. I denna process kommer en individ utföra varje uppgift i 10 sekunder åt gången, på var och en av 5 upprepningar. Under varje uppgift, upptäcker Sigfried uppgiftsrelaterat ECOG verksamhet som presenteras i uppdateras kontinuerligt 2 - och 3-dimensionella kartor över vältalig cortex. I den 2-dimensionella kartor, motsvarar storleken och rodnad i varje cirkel dess betydelse i detta arbete. Specifikt, är storleken på varje cirkel proportionell mot fraktion av den totala signalen variansen i gamma band som står för uppgiften. Denna statistik kallas determinationskoefficienten, eller r ^2. Det är i intervallet (0,1) och i den aktuella konfigurationen ett värde av 0,1 kan generellt anses vara signifikanta. Skalning av cirklarna till maximala r ² värden kan styras med hjälp av reglagen (se figur 1C). I de 3-dimensionella kartor är r ² värden mappas till olika färger i stället för cirkeln storlekar.

5. Representativa resultat

Figur 1 visar representativa resultat från en Sigfried mappning session i en patient. Patienten var en 28-årig högerhänta kvinnor som hade svårbemästrade lokalisering-relaterade epilepsi av vänster-temporal debut med sekundär generalisering. 120 electrocorticographic elektroder implanterade subduralt över vänster frontal, parietala och temporala cortex. En lateral röntgen (panel A) och en intra-operativ fotografi (fält B) visar denkonfiguration av en frontal rutnät med 40 elektroder, en högre täthet temporal rutnät med 68 elektroder, och tre remsor vardera 4 elektroder. Från inspelade anfall, en neurolog lokaliserade epileptisk fokus och fastställde att det var nödvändigt att utföra kirurgisk resektion av den vänstra tinningloben utan att skada vältalig språket cortex. Detta utfördes med framgång: vid 8 månader efter resektion patienten har bedömts som beslag gratis och utan neurologiska bortfall. Den passiva VRIDMOMENTKURVA Sigfried identifieras cortex inblandad i språket funktion genom kontrasterande task-relaterade förändringar under lyssnande uppgifter. Resultaten presenterades i två gränssnitt: en 2-dimensionell gränssnitt (panel C), vilket gör utformningen av elektroderna klar, och en 3-dimensionell anatomiskt korrekt gränssnitt (panel D). Från vänster till höger paneler kontrasten lyssna på talat språk vs baslinjen (VOICE), lyssna på toner vs baslinjen (toner), och lyssnar på talspråk vs lisdu lyssnar på toner (språk). Den sista av dessa ingår som en grov bild av hörsel funktion som är specifik för receptiv språk. Resultaten av VOICE tillståndet visade god överensstämmelse med platser där ECS stört språkförståelse och språklig funktion i denna patient (markerad med gula rundlar i panel A).

Figur 1. Exempel på resultat från en patient. Panel A visar en lateral röntgen. Gula cirklar markerar elektroderna inblandade i receptiv språk, som därefter identifierats av electrocortical stimulering kartläggning. Panel B är ett fotografi taget under implantering. Panel C visar Sigfried kartläggningen resulterar i en schematisk tvådimensionell layout: storleken och rodnad på varje skiva representerar betydelsen av medverkan från varje elektrod i uppgiften i förhållande till baslinjen. I panel D, är samma statistik mappas till färg på en tredimensionell hjärna modellen Renderött från patientens MRI.

Discussion

Samla ECOG data för forskning kräver nära samarbete mellan kliniker och forskare, med en mycket tvärvetenskaplig grupp lösa problem i klinisk neurologi, neurokirurgi, grundläggande neurovetenskap, datavetenskap och elektroteknik. Belöningen är att ECOG signaler, och i synnerhet amplituder i hög gamma frekvensområdet (70-110Hz), är mycket värdefulla. Inte bara ger de vetenskapliga insikt i de neurala korrelat av kognitiv, sensoriska och motoriska processer ^1-4 på en både hög spatial och temporal upplösning, men brain-dator gränssnitt studier i ECOG har också visat metodens stort löfte som grund för neuroprosthetic tillämpningar ^6,7,10.

Den öppen källkod BCI2000 mjukvaruplattform ^8,9 ger en flexibel verktygslåda för inspelning ECOG och bearbetning av data i realtid, för all sådan forskning och insatser teknik. En realtids-applikation baserad på BCI2000, Sigfried ^10, visar att ECOG inspelningar är också värdefullt för funktionell kartläggning, som visar stor samstämmighet med de resultat som använder electrocortical stimulering kartläggning.

Trots den snabbt ökande intresset för ECOG-baserad forskning, är det fortfarande i sin linda. Den stora majoriteten av alla ECOG studier hittills har inträffat i mänskliga epilepsipatienter, och därmed har genomförts i ett sammanhang som innebär många begränsningar om forskning: elektrodplacering och varaktighet definieras av kliniska och inte forskningsbehov, ämnen som får implantat kan ha atypisk hjärnans aktivitet, speciellt i det område där elektroderna placeras och studier måste använda elektroden teknik som är flera år bakom framkanten av medicinsk teknik (eftersom elektroderna och utrustning måste ha gått igenom en lång godkännandeprocess för klinisk användning). Men med fortsatt utveckling av miniatyriserade, högre upplösning, biocompakompatibla, och fullt implanterbara ECOG system, de närmaste åren kommer säkert att se en fortsatt antagandet av denna teknik i grundläggande och tillämpad neurovetenskap i både människor och djur 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