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Neuroscience

Registrazione umani Electrocorticographic (ECOG) Segnali per la ricerca neuroscientifica e in tempo reale la mappatura funzionale corticale

Published: June 26, 2012 doi: 10.3791/3993

Summary

Vi presentiamo un metodo per raccogliere i segnali electrocorticographic a fini di ricerca da esseri umani che sono sottoposti a monitoraggio invasivo epilessia. Mostriamo come utilizzare il BCI2000 piattaforma software per la raccolta dati, elaborazione del segnale e la presentazione dello stimolo. In particolare, abbiamo dimostrato Sigfried, uno strumento basato su BCI2000 in tempo reale la mappatura funzionale del cervello.

Protocol

1. Elettrodo localizzazione

  1. Raccogliere un pre-operatoria T1-pesata risonanza magnetica strutturale (1.5T e 3T) della testa del paziente: 256 x 256 pixel per fetta, il campo pieno di vista, senza interpolazione, 1 fetta di larghezza mm, preferibilmente sezioni sagittali.
  2. Osservare l'impianto chirurgico delle griglie e strisce. Raccogliere fotografie digitali degli elettrodi in situ, e le note del neurochirurgo sulle posizioni delle griglie impiantati e strisce.
  3. Raccogliere i post-operatorie cranio immagini a raggi X e TAC del cervello ad alta risoluzione (1 fetta di larghezza mm, pelle a pelle, nessun angolo).
  4. Creare un modello tridimensionale corticale del cervello del paziente con il pre-operatorio MRI, e co-registrarlo con le immagini di impianto post-CT griglia. Usiamo il pacchetto CURRY software per questo scopo, ed esportare la struttura 3D corticale e l'elettrodo coordinate in formato MATLAB. Da MATLAB, abbiamo esportare un filmato che mostra gli elettrodi mappati sul cervello. Abbiamo anche Map l'elettrodo coordinate standard, aree di Brodmann che utilizzano un sistema automatizzato Talairach atlante.
  5. Rivedere le informazioni dal modello 3D, X-ray immagini, fotografie e note. Finalizzare uno schema di numerazione per gli elettrodi e il lavoro con i tecnici ospedalieri per garantire che gli elettrodi sono patchati nella scatole splitter dopo questa numerazione esattamente. Inoltre creare un layout schematico per tracciare gli elettrodi in due dimensioni, in modo che tutte le posizioni degli elettrodi possono essere chiaramente distinti senza sovrapposizioni. Se avete intenzione di eseguire Sigfried (vedi sezione 4), salvare queste coordinate bidimensionali come un frammento BCI2000 parametro, nel formato richiesto dal parametro ElectrodeLocations. Infine, selezionare due posizioni degli elettrodi che possono essere electrocorticographically "silenzioso", cioè, non sono vicino al presunto corteccia eloquente, da utilizzare come un terreno iniziale e di riferimento (preparare le g.USBamps dalla patch il riferimento alle prese blu, e di terraalle prese giallo, sulla destra di ogni unità).

2. Hardware e Software Setup

  1. Assicurarsi che le specifiche del computer sono adeguati per gestire i requisiti di elaborazione dell'esperimento. Un processore multi-core sarà probabilmente necessario per soddisfare le esigenze di real-time di acquisizione ed elaborazione dei dati, registrazione video, e altri compiti necessari. Per la registrazione e analisi in tempo reale di 128 canali a 1200 Hz, si usa a 3 GHz quad-core macchina con 4 GB di RAM. Gli amplificatori deve essere collegato ad un apposito controller USB, distinto dal controller (s) utilizzato da altri bandwidth-hungry periferiche, come ad esempio dischi rigidi esterni e videocamere (questo può essere verificato tramite Gestione periferiche del sistema). Infine, ci deve essere spazio sufficiente per memorizzare fino a 5 MB al secondo di dati sperimentali, e di un sistema per l'archiviazione e il backup.
  2. Impostare il attrezzature di ricerca (amplificatori, computer, schermo sperimentatore, keyboard, altoparlanti, microfono e telecamera) su un unico carrello, che può essere facilmente arrotolato dentro e fuori della stanza del paziente, con un solo cavo di alimentazione singolo collegare alla presa a muro. Per spostare il computer da una stanza all'altra, utilizzare la funzione Hibernate prima di scollegarlo. Schermo video del paziente deve essere su un tavolino separato o braccio del monitor. Considerando che il paziente è soggetto a crisi epilettiche, assicurarsi che tutta l'attrezzatura può essere rotolato fuori strada rapidamente nel caso in cui il personale medico bisogno di un accesso immediato per il paziente. L'attrezzatura deve essere disinfettata con salviette antisettiche prima e dopo l'uso nella stanza del paziente.
  3. Ora con il paziente è limitato, e tutte le procedure devono essere robusti e ottimizzato per sfruttare al meglio quel momento. A questo proposito, la flessibilità e robustezza di BCI2000 caratteristiche sono preziose. Assicurarsi che gli esperimenti possono essere lanciato con il semplice tocco di un pulsante. In caso di BCI2000, utilizzare un file batch per lanciare la giusta combinazione diBCI2000 moduli automaticamente, con le necessarie opzioni della riga di comando. L'operatore e moduli gUSBampSource sono tenuti, insieme alla SignalProcessing appropriato e moduli applicativi per l'esperimento particolare. Utilizzare la funzionalità di scripting BCI2000 Operator per garantire che tutti i file dei parametri necessari vengono caricati automaticamente, compresi quelli che sono specifici per questo paziente, come ad esempio il numero di elettrodi e loro nomi e posizioni. Lo scopo di questa automazione è quello di minimizzare il numero di operazioni manuali dallo sperimentatore, e così le possibilità di errore. Il software ed i suoi parametri devono essere terminati e collaudati (forse con un soggetto EEG) almeno una o due settimane prima dell'impianto. E 'anche altamente consigliabile eseguire un "secco" eseguito il giorno precedente la prima sessione sperimentale, inclusi tutti i nuovi pazienti parametri specifici.

3. Sessione set-up sperimentale

  1. Scegli il tuo momento persuggerendo le registrazioni sperimentali per il paziente, dando loro notare nel corso della giornata, e di nuovo 15 minuti prima di iniziare. Aggirare i visitatori, i pasti, i sonnellini, procedure mediche e fisiche del paziente, stato emotivo e cognitivo. E 'importante stabilire un rapporto con il personale medico sul pavimento, per aiutare ad ottimizzare i tempi e la durata delle registrazioni.
  2. Ruota l'apparecchiatura a posto, collegare alla presa di corrente, accendere schermo video del soggetto e collegarlo al computer, e non-ibernare il computer.
  3. Avviare BCI2000. Con il parametro VisualizeSource abilitato, premere Set Config. Lo spettatore si apre segnale, consentendo di valutare la qualità del segnale ECoG. Fai clic destro sul visualizzatore e impostare il filtro passa-alto ad un cutoff 5 Hz. (Questa impostazione filtro avrà effetto solo sui visualizzazione, e non la raccolta dei dati.)
  4. Verificare la presenza di interferenze da disturbi sulla linea elettrica: L'attivazione di un filtro notch nel visualizzatore (a 50 Hz o 60 Hz,a seconda del paese in cui ci si trova) fanno una grande differenza per il segnale? In tal caso, provare a ridurre questo rimuovendo i inutilizzati cross-talking cavi, o l'identificazione e la rimozione di altre fonti di interferenza elettrica. Modificare gli elettrodi utilizzati per la terra di riferimento e, se necessario.
  5. Se si utilizza un eye-tracker, calibrare usando il software di calibrazione fornito dal produttore. Il BCI2000 modulo sorgente deve essere compilato con l'estensione EyetrackerLogger incluso, e dovrebbe essere lanciato con l'opzione - LogEyetracker = 1 flag abilitato, in modo che eye-tracking dati possono essere acquisiti in sincronia con i segnali ECOG.
  6. Per evitare distrazioni e interruzioni, e per ridurre al minimo le possibili interferenze di segnale, in modo che TV, radio e telefoni cellulari siano spenti.
  7. Dare istruzioni precise al paziente per l'esperimento che si sta per eseguire. A seconda del compito del soggetto, preparato diapositive Powerpoint che mostrano l'attività, la postura suggerito, ecc, può rivelarsi utile. Premere Avvio della console per avviare l'esperimento. Ogni volta che si preme iniziare o riprendere, un nuovo file verrà creato per evitare di sovrascrivere i dati precedenti, e il file verrà inizializzato con una copia di tutti i valori dei parametri. I dati grezzi saranno poi trasmessi automaticamente al file, con marker di eventi, finché non si preme di sospensione o di esecuzione delle finiture sperimentali.
  8. Durante la sessione, monitorare il comportamento del paziente ed i segnali di crisi ECOG sospetti, ed essere pronti a rispondere alle istruzioni da parte del personale medico.

4. Esempio sperimentale Session: Sigfried Mapping clinica con BCI2000

  1. Preparazione: prima dell'inizio della sessione, è necessario aver preparato un file model.ini che contiene le impostazioni di elaborazione del segnale Sigfried userà per costruire un modello, e un PRM file (o separati frammenti di PRM.) Contenente i parametri che BCI2000. il modulo SigfriedSigProcutilizzerà per visualizzazione in tempo reale. Due i principali parametri sono ElectrodeLocations, specificando il 2-D layout scelto per elettrodi particolari di questo paziente, e ElectrodeCondition, che specifica che diversi compiti verranno mappati in quali condizioni. In questo esempio, stiamo utilizzando il modulo semplice StimulusPresentation per comunicare le istruzioni al paziente, in modo che il parametro di stimoli ha anche bisogno di essere adeguati alle attività che si intendono eseguire.
  2. Passo Baseline: Avviare i moduli gUSBampSource, DummySignalProcessing e StimulusPresentationTask, configurato per l'attività di campionamento ECOG da tutte le griglie e strisce a 1200Hz, passa-alto-filtrato a 0,1 Hz. Istruire il soggetto a rilassarsi e rimanere immobile con gli occhi aperti. Record 6 minuti di attività di base, sotto l'illuminazione confortevole in un ambiente tranquillo.
  3. Modeling Step: Avviare lo strumento data2model_gui ed estrarre le caratteristiche in 5 contenitori Hz from 70-110 Hz utilizzando il metodo massima entropia per ogni 500 ms di dati. Premere Costruisci modello per costruire un modello probabilistico delle caratteristiche spettrali selezionati utilizzando miscele gaussiani.
  4. Passo Mapping: Avviare il gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA e moduli StimulusPresentationTask e configurare il Operator per caricare il modello probabilistico, il modello corticale, e il 2 - e 3-dimensionali coordinate elettrodi. Dopo istruire il soggetto, avviare il processo di mappatura. In questo processo, un soggetto si esegue ciascuna operazione per 10 secondi alla volta, su ciascuna delle 5 ripetizioni. Durante ogni compito, Sigfried rileva task-attività connesse ECoG che si presenta in continuo aggiornamento 2 - e 3-dimensionali mappe della corteccia eloquente. Nelle due mappe bidimensionali, la dimensione e il rossore di ogni cerchio rappresenta la sua importanza in questo particolare compito. In particolare, la dimensione di ogni cerchio è proporzionale alla quota parte della varianza segnale totale in ba gammand che si spiega con l'attività. Questa statistica è noto come il coefficiente di determinazione, o R 2. È nell'intervallo (0,1) e nella configurazione attuale un valore di 0,1 può generalmente essere considerato significativo. La scala dei cerchi per massimo R 2 valori possono essere controllate mediante i cursori (vedi figura 1C). Nelle tre mappe tridimensionali, i 2 valori di r sono mappati a diversi colori piuttosto che dimensioni dei cerchi.

5. Risultati rappresentativi

La figura 1 mostra i risultati rappresentativi, da una sessione di mapping Sigfried in un paziente. Il paziente era un 28-year-old destri sesso femminile che aveva intrattabile epilessia correlata a localizzazione di sinistra-temporale esordio con generalizzazione secondaria. 120 electrocorticographic elettrodi sono stati impiantati più di sinistra subdurally frontale, parietale e la corteccia temporale. Un laterale x-ray (pannello A) e uno intra-operatoria fotografia (pannello B) raffiguranoconfigurazione di una griglia frontale con 40 elettrodi, uno superiore densità griglia temporale con 68 elettrodi, e tre strisce ciascuno di 4 elettrodi. Dalle crisi registrate, un neurologo localizzato il focolai epilettici e ha stabilito che era necessario per eseguire la resezione chirurgica del lobo temporale sinistro, risparmiando corteccia eloquente linguaggio. Questo è stato eseguito con successo: a 8 mesi post-resezione del paziente è stata valutata come libero da crisi convulsive e senza deficit neurologici. La procedura di mappatura passiva Sigfried corteccia identificato coinvolti nella funzione lingua contrasto attività relative modifiche durante le attività di ascolto. I risultati sono stati presentati in due interfacce: un 2-dimensionale di interfaccia (pannello C), che rende la disposizione degli elettrodi chiara, e 3-dimensionale interfaccia anatomicamente corretta-(pannello D). Da sinistra a destra il contrasto pannelli ascolto ai valori basali vs lingua parlata (voce), ascoltando i toni basali vs (toni), e l'ascolto di lingua parlata vs lissi ascolta i toni (lingua). L'ultimo di questi è incluso come un quadro approssimativo della funzione uditiva che è specifico al linguaggio ricettivo. I risultati della condizione VOICE ha mostrato un buon accordo con le posizioni in cui ECS ha sconvolto funzione ricettiva lingua in questo paziente (contrassegnata come cerchi gialli nel pannello A).

Figura 1
Figura 1. Risultati esempio da una paziente. Panel A presenta un laterale x-ray. Cerchi gialli segnano gli elettrodi implicati nel linguaggio recettivo, come successivamente individuati dalla mappatura stimolazione electrocortical. Panel B è una fotografia scattata durante l'impianto. Pannello C mostra i risultati della mappatura Sigfried in una schematica schema bidimensionale: la dimensione e arrossamento di ciascun disco rappresenta il significato del coinvolgimento di ciascun elettrodo nel compito, rispetto al basale. Nel pannello D, la stessa statistica viene mappato su un colore tridimensionale Rende cervello modellorosso MRI del paziente.

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Discussion

La raccolta di dati ECOG per la ricerca richiede una stretta collaborazione tra clinici e ricercatori, con un grande team multi-disciplinare risolvere i problemi nei campi della neurologia clinica, neurochirurgia, neuroscienze di base, informatica e ingegneria elettrica. La ricompensa è che i segnali ECOG, e in particolare ampiezza della gamma ad alta frequenza gamma (70-110Hz), sono di grande valore. Non solo fornire la comprensione scientifica dei correlati neurali di cognitive, sensoriali e motorie elabora 1-4 ad entrambe ad alta risoluzione spaziale e temporale, ma cervello-computer studi di interfacciamento a ECoG hanno anche mostrato una grande promessa del metodo come base per neuroprosthetic applicazioni 6,7,10.

L'open-source BCI2000 piattaforma software 8,9 fornisce un toolkit ECOG flessibile per la registrazione e l'elaborazione dei dati in tempo reale, per tutte le ricerche e gli sforzi di ingegneria. Una specifica applicazione real-time basata su BCI2000, Sigfried 10, dimostra che le registrazioni ECOG sono preziose anche per la mappatura funzionale, mostrando sostanziale coincidenza con i risultati ottenuti utilizzando il mapping electrocortical stimolazione.

Nonostante l'interesse in rapido aumento in ECoG ricerca basata, è ancora nella sua infanzia. La grande maggioranza di tutti gli studi ECOG fino ad oggi si sono verificati in pazienti con epilessia umana e, quindi, sono stati condotti in un contesto che impone molte limitazioni sulla ricerca: posizionamento degli elettrodi e la durata sono definiti dalle esigenze della ricerca clinica e non; soggetti che ricevono gli impianti possono avere l'attività cerebrale atipica, soprattutto nella regione in cui sono collocati gli elettrodi, e studi devono utilizzare la tecnologia elettrodo che è di diversi anni dietro la punta di diamante di ingegneria biomedica (dato che gli elettrodi e le attrezzature devono essere passati attraverso un lungo processo di approvazione per uso clinico). Tuttavia, con lo sviluppo continuo di miniaturizzati, ad alta risoluzione, biocompasistemi ECOG bili, e completamente impiantabili, nei prossimi anni certamente vedrà l'adozione continua di questa tecnica in neuroscienze di base e applicata sia nei modelli umani e animali.

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Disclosures

Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato reso possibile da borse di studio sostenute dalla US Army Research Office (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) e il NIH / NIBIB (EB006356 (GS) e EB00856 ( JRW e GS)). Gli autori ringraziano Sean Austin per il modulo SigfriedSigProcLAVA e Griffin Milsap per la relativa assistenza tecnica.

Materials

  1. 8 x 16-channel g.USBamp amplifiers ( http://gtec.at )
  2. 2 x 64-channel break-out box (splitter head-box)
  3. 2 x Connection cable from splitter to clinical system
  4. 2 x Connection cable from splitter to four g.USBamps
  5. 2 x Four-way power adapter for four g.USBamps
  6. 2 x Four-way sync adapter to synchronize four g.USBamps
  7. 1 x Sync cable to synchronize two sets of four g.USBamps
  8. 1 x Potential-equalization clamp + cable for g.USBamp
  9. 18 x Touchproof jumper cables
  10. 2 x Four-way USB 2.0 hubs
  11. Power strip
  12. Laptop or desktop computer (see section 2.1)
  13. Secure, moveable cart for all of the above
  14. Eyetracker (or ordinary LCD monitor) for patient
  15. Moveable tray table for the patient monitor
  16. Other peripherals (joysticks etc) for patient behavioral responses
  17. BCI2000 software
  18. CURRY software
  19. MATLAB software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Miller, K. J. Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement. Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).
  2. Chang, E. F. Categorical speech representation in human superior temporal gyrus. Nature Neuroscience. 13, 1428-1428 (2010).
  3. Gunduz, A. Neural correlates of visual-spatial attention in electrocorticographic signals in humans. Frontiers in Human Neuroscience. 5, (2011).
  4. Pei, X. Spatiotemporal dynamics of electrocorticographic high gamma activity during overt and covert word repetition. NeuroImage. 54, 2960 (2010).
  5. Crone, N. E. High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography. Progress in Brain Research. 159, 275 (2006).
  6. Brunner, P. Rapid communication with a "P300" matrix speller using electrocorticographic signals (ECoG). Frontiers in Neuroprosthetics. 5, (2010).
  7. Leuthardt, E. C. A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans. Journal of Neural Engineering. 1, (2004).
  8. Schalk, G. BCI2000: A General-Purpose Brain-Computer Interface (BCI) System. IEEE Transactions in Biomedical Engineering. 51, 1034 (2004).
  9. Schalk, G., Mellinger, J. A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000. , Springer. London. (2010).
  10. Brunner, P. A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans. Epilepsy and Behavior. 15, 278 (2009).

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Hill, N. J., Gupta, D., Brunner, P., More

Hill, N. J., Gupta, D., Brunner, P., Gunduz, A., Adamo, M. A., Ritaccio, A., Schalk, G. Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping. J. Vis. Exp. (64), e3993, doi:10.3791/3993 (2012).

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