Summary
Vi præsenterer en metode til at indsamle electrocorticographic signaler med henblik på forskning fra mennesker, der får foretaget invasiv epilepsi overvågning. Vi viser, hvordan du bruger BCI2000 software platform for indsamling af data, signalbehandling og stimulus præsentation. Konkret vi vise Sigfried, en BCI2000-baseret værktøj til real-time funktionel hjerne kortlægning.
Protocol
1. Elektrode Lokalisering
- Saml en præ-operativ T1-vægtet strukturel MRI (1,5 T eller 3T) af patientens hoved: 256 x 256 pixels per skive, fuld synsfelt, ingen interpolation, 1 mm skive bredde, helst sagittale tværsnit.
- Vær opmærksom på kirurgisk implantation af net og strimler. Saml digitale fotografier af elektroderne in situ, og neurokirurg har notater på placeringen af de implanterede net og strips.
- Saml de postoperative kraniet X-ray billeder og hjerne CT scanninger i høj opløsning (1 mm skive bredde, hud til hud, uden vinkel).
- Opret en tre-dimensionel cortical model af patientens hjerne ved hjælp af præoperative MRI, og co-registrere det med de post-grid implantation CT-billeder. Vi bruger CURRY softwarepakke til dette formål, og eksportere 3D cortexstruktur og elektrode koordinerer i MATLAB-format. Fra MATLAB, eksporterer vi en film, der viser elektroderne kortlagt på hjernen. Vi har også mAP elektroden koordinater til standard Brodmann områder ved hjælp af en automatiseret Talairach atlas.
- Gennemgå oplysningerne fra 3D-modellen, X-ray billeder, fotografier og noter. Færdiggør en nummerering ordning for de elektroder, og arbejde med hospitalets teknikere for at sikre, at elektroderne er lappet i split-bokse efter denne nummerering præcist. Skaber også et skematisk layout for at plotte elektroderne i to dimensioner, således at alle elektroder positioner klart kan skelnes uden overlapning. Hvis du vil køre Sigfried (se afsnit 4), gemme disse to-dimensionelle koordinater som en BCI2000 parameter fragment, i det format, der kræves af ElectrodeLocations parameter. Endelig skal du vælge to elektrode steder, der sandsynligvis vil være electrocorticographically "tavs", dvs de er ikke nær den formodede veltalende cortex, til brug som en indledende jorden og reference (forberede g.USBamps med klap henvisningen til de blå stik, og formalettil de gule stik, på den yderste højrefløj af hver enhed).
2. Hardware og Software Setup
- Sørg for, at edb-specifikationerne er tilstrækkelige til at håndtere de forarbejdningsmetoder krav eksperimentet. En multi-core processor vil sandsynligvis være nødvendig for at imødekomme de krav, som real-time data indsamling og behandling, videooptagelse og andre nødvendige opgaver. Til optagelse og real-time analyse af 128 kanaler på 1200 Hz, anvender vi en 3-GHz quad-core maskine med 4 GB RAM. Forstærkerne skal tilsluttes en dedikeret USB-controller, som adskiller sig fra den controller (s) bruges af andre båndbredde-sultne enheder, såsom eksterne harddiske og kameraer (dette kan verificeres via systemets Device Manager). Endelig skal der være tilstrækkelig diskplads til at gemme op til 5 MB per sekund af eksperimentelle data, og et system til arkivering og bakke den op.
- Opsæt forskning udstyr (forstærkere, computer, eksperimentator skærm, keyboARD, højttalere, mikrofon og kamera) på en enkelt vogn, som hurtigt kan rulles ind og ud af patientens rum, med kun en enkelt ledning til stikket i væggen. For at flytte computeren fra rum til rum, skal du bruge Hibernate funktionen før stikket trækkes ud. Patientens videoskærm bør være på en separat bordet eller monitor arm. I betragtning af, at patienten er udsat for anfald, så sørg for at alt udstyr kan rulles af vejen hurtigt i tilfælde af medicinsk personale har brug for øjeblikkelig adgang til patienten. Udstyret bør også desinficeres med spritservietter før og efter brug i patientens stue.
- Tid til patienten er begrænsede, og alle procedurer skal være robust og optimeret til at gøre bedst brug af denne tid. I denne henseende er den fleksibilitet og robusthed BCI2000 uvurderlige egenskaber. Sørg for, at forsøgene kan blive lanceret ved tryk på en knap. I tilfælde af BCI2000, bruge en batch-fil for at starte den rette kombination afBCI2000 moduler automatisk med de nødvendige kommandolinjeparametre. Operatøren og gUSBampSource moduler er påkrævet, sammen med den passende SignalProcessing og Applikationsmoduler til dit eksperiment. Brug BCI2000 operatør scripting funktion til at sikre, at alle de nødvendige parametre filerne indlæses automatisk herunder enhver, der er specifikke for denne patient, såsom antallet af elektroder og deres navne og positioner. Formålet med denne automatisering er at minimere antallet af manuelle trin af eksperimentatoren, og dermed mulighed for fejl. Softwaren og dens parametre er nødt til at have været afsluttet og testet (måske med en EEG emne) mindst én eller to uger før implantation. Det er også meget tilrådeligt at udføre en "tør" køre dagen før den første eksperimentelle session, herunder alle de nye patient-specifikke parametre.
3. Eksperimentel Session Set-up
- Vælg din øjeblik forforeslå eksperimentelle optagelser til patienten, at give dem mærke tidligere på dagen, og igen 15 minutter før du starter. Arbejde omkring besøgende, måltider, lur, medicinske procedurer og patientens fysiske, følelsesmæssige og kognitive tilstand. Det er vigtigt at etablere en rapport med medicinske personale på gulvet, for at hjælpe med at optimere timing og varighed af optagelser.
- Wheel udstyret på plads, tilsluttes til en stikkontakt, tænd emnet video-skærm, og tilslut den til computeren, og un-dvale computeren.
- Start BCI2000. Med VisualizeSource parameter aktiveret, skal du trykke på Set Config. Signalet beskueren åbner, så du kan vurdere ECoG signalkvaliteten. Højreklik på beskueren og sætte high-pass filter til en 5 Hz cutoff. (Dette filter indstilling vil kun påvirke visualisering, og ikke indsamling af data.)
- Check for interferens fra elledning støj: Er aktivere en notch-filter i fremviseren (ved 50 Hz eller 60 Hz,afhængigt af hvilket land du befinder dig i) gøre en stor forskel til signalet? Hvis det er tilfældet, så prøv at reducere dette ved at fjerne eventuelle ubrugte tværs taler kabler, eller at identificere og fjerne andre kilder til strømforstyrrelser. Skift elektroder, der anvendes som reference og til jorden, hvis det er nødvendigt.
- Hvis du bruger en eye-tracker, skal du kalibrere det ved hjælp af kalibrerings software, der leveres af producenten. Den BCI2000 kilde modulet skal kompileres med den EyetrackerLogger forlængelsen med, og der bør iværksættes med - LogEyetracker = 1 flag aktiveret, så eye-tracking data kan erhverves i trit med de ECOG signaler.
- For at undgå distraktioner og afbrydelser, og for at minimere mulige signal interferens, sikre, at fjernsyn, radioer og mobiltelefoner er slukket.
- Giv præcise instrukser til patienten for det eksperiment, du er ved at løbe. Afhængigt af emne opgave, forberedt Powerpoint slides, der viser opgaven, kan den foreslåede kropsholdning, etc., vise sig nyttige. Tryk Start på operatør for at starte eksperimentet. Hver gang du trykker på Start eller Genoptag, en ny fil vil blive oprettet for at undgå at overskrive tidligere data, og filen vil blive initialiseret med en kopi af alle de parameterværdier. Rådata vil derefter streames automatisk til filen, sammen med event markører, indtil du trykker på pause-eller de eksperimentelle run finish.
- Gennem hele sessionen, overvåge patientens adfærd og ECOG signaler til mistænkte anfald, og være klar til at reagere på anvisninger fra medicinsk personale.
4. Eksempel Eksperimentel Session: Sigfried Klinisk Mapping med BCI2000
- Forberedelse: Før sessionen starter, skal du have udarbejdet en model.ini fil, der indeholder de signalbehandlende indstillinger Sigfried vil bruge til at bygge en model, og en bevægelseshæmmet fil (eller separat PRM fragmenter.) Indeholder de BCI2000 parametre,. den SigfriedSigProc moduletvil bruge til real-time visualisering. To vigtige parametre er ElectrodeLocations, angivelse af 2-D layout du har valgt til denne patients særlige elektroder, og ElectrodeCondition, som specificerer hvilke forskellige opgaver, vil blive kortlagt under hvilke betingelser. I dette eksempel bruger vi den simple StimulusPresentation modulet til at kommunikere vejledning til patienten, så de stimuli parameter skal også tilpasses de opgaver, vi har til hensigt at køre.
- Baseline Trin: Start gUSBampSource, DummySignalProcessing og StimulusPresentationTask moduler, der er konfigureret til at prøve ECOG aktivitet fra alle net og bånd på 1200Hz, high-pass-filtreret på 0,1 Hz. Instruer emnet til at slappe af og forblive ubevægelig med åbne øjne. Optag 6 minutters baseline aktivitet, under behageligt lys i rolige omgivelser.
- Modellering Trin: Start data2model_gui værktøjet og udtrække funktioner i 5 Hz beholdere fron 70-110 Hz anvendelse maksimal entropi fremgangsmåde til hver 500 ms af data. Tryk Byg Model at bygge en probabilistisk model af de udvalgte spektrale funktioner ved hjælp af Gauss blandinger.
- Kortlægning Trin: Start gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA og StimulusPresentationTask moduler og konfigurere operatøren at indlæse probabilistiske model, kortikal model, og 2 - og 3-dimensionelle elektrode koordinater. Efter at instruere emnet, starte kortlægningen. I denne proces, vil et individ udføre hver opgave i 10 sekunder ad gangen, på hver af 5 gentagelser. Under hver opgave, registrerer Sigfried opgaverelateret ECoG aktivitet, som er præsenteret i løbende opdateres 2 - og 3-dimensionelle kort over veltalende cortex. I de to-dimensionelle kort, repræsenterer størrelsen og rødme af hver cirkel betydning i denne opgave. Specifikt er størrelsen af hver cirkel er proportional med den brøkdel af det samlede signal varians i gamma band, der tegner sig for opgaven. Denne statistik er kendt som determinationskoefficienten, eller R2. Det er i området (0,1) og i den aktuelle opsætning en værdi på 0,1 kan generelt betragtes som signifikant. Skalering af cirkler til maksimale r 2 værdier kan styres ved hjælp af skyderne (se figur 1C). I tre-dimensionale kort, er R2-værdier kortlagt til forskellige farver stedet cirkel størrelser.
5. Repræsentative resultater
Figur 1 viser repræsentative resultater fra en Sigfried mapping session i en patient. Patienten var en 28-årig højrehåndet kvinde, der havde genstridige lokalisering-relateret epilepsi af venstre-temporal debut med sekundær generalisering. 120 electrocorticographic elektroder blev implanteret subdurally over venstre frontale, parietal og temporale cortex. En lateral røntgen (panel A) og en intra-operative fotografi (panel B) viser denkonfiguration af en frontal gitter med 40 elektroder, en højere tæthed tidsmæssig gitter med 68 elektroder, og tre strimler hver af 4 elektroder. Fra de registrerede anfald, lokaliseret en neurolog for epileptiske foci, og besluttet, at det var nødvendigt at udføre kirurgisk resektion af den venstre tindingelappen, mens besparende veltalende sprog cortex. Dette blev udført med succes: på 8 måneder efter resektion patienten er blevet vurderet som beslaglæggelse gratis og uden neurologiske udfald. Den passive Kortlægningen Proceduren Sigfried identificeret cortex er involveret i sprog funktion ved kontrasterende opgave-relaterede ændringer i løbet lytter opgaver. Resultaterne blev præsenteret i to grænseflader: en 2-dimensional grænseflade (panel C), hvilket gør udformningen af elektroderne klar, og en 3-dimensionel anatomisk korrekte interface (panel D). Fra venstre til højre paneler kontrast lytte til talesprog vs baseline (VOICE), lytte til toner vs baseline (toner), og lytte til talesprog vs lislytter til toner (sprog). Den sidste af disse indgår som et groft billede af auditive funktion, der er specifik for modtagelig sprog. Resultaterne af stemmepostboksen tilstand udviste god overensstemmelse med steder, hvor ECS forstyrrede receptivt sprog funktion i denne patient (mærket som gule cirkler i felt A).
Figur 1. Eksempel resultater fra en patient. Panel A viser en lateral røntgen. Gule cirkler markerer de elektroder, der er impliceret i receptivt sprog, som efterfølgende identificeret ved electrocortical stimulation kortlægning. Panel B er et fotografi taget under implantation. Panel C viser Sigfried mapping resulterer i en skematisk todimensional opstilling: størrelse og rødme af hver skive er betydningen af involvering af hver elektrode i opgaven i forhold til basislinien. I panel D, er den samme statistiske mappet til farve på en tredimensional hjerne model Renderød fra patientens MR.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Indsamling ECOG data til forskning kræver et tæt samarbejde mellem klinikere og forskere, med et meget tværfagligt team at løse problemer i klinisk neurologi, neurokirurgi, basal neurovidenskab, datalogi og elektroteknik. Belønningen er, at ECOG signaler, og især amplituder i det høje gamma frekvensområde (70-110Hz), er meget værdifulde. Ikke alene skal de yde videnskabelig indsigt i de neurale korrelater til kognitive, sensoriske og motoriske behandler 1-4 på et både høj rumlig og tidsmæssig opløsning, men hjerne-computerinterfacing studier i ECoG har også vist, at metoden store løfte som grundlag for neuroprosthetic applikationer 6,7,10.
Den open source BCI2000 softwareplatform 8,9 giver en fleksibel værktøjskasse til optagelse ECOG og bearbejdning af data i real-tid, for al sådan forskning og tekniske indsats. En realtids-applikation baseret på BCI2000, Sigfried 10, viser, at ECOG optagelser er også værdifulde for funktionel kortlægning, der viser væsentlige sammenfald med de resultater, udledt ved hjælp electrocortical stimulation kortlægning.
Trods den hastigt stigende interesse for ECoG-forskning, er det stadig i sin vorden. Det store flertal af alle ECOG undersøgelser til dato har forekommet i menneskelige epilepsipatienter, og dermed er blevet udført i en sammenhæng, der pålægger mange begrænsninger på forskning: elektrode placering og varighed er defineret af kliniske og ikke forskningsbehov; emner, der modtager implantater kan have atypisk hjernens aktivitet, især i den region, hvor elektroderne er placeret, og undersøgelser skal bruge elektrode teknologi, som er flere år bag forkant af biomedicinsk teknik (da elektroderne og udstyr skal være gået igennem en lang godkendelsesproces til klinisk brug). Men med fortsat udvikling af miniaturiserede, højere opløsning, biocompabrændbare, og fuldt implanterbare ECOG systemer, de næste par år vil helt sikkert se en fortsat vedtagelsen af denne teknik i grundforskning og anvendt neurovidenskab i både mennesker og dyr modeller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklæret.
Acknowledgments
Dette arbejde blev muliggjort af tilskud, der understøttes af den amerikanske hær Research Office (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) og NIH / NIBIB (EB006356 (GS) og EB00856 ( JRW og GS)). Forfatterne takker Sean Austin for SigfriedSigProcLAVA modulet, og Griffin Milsap for teknisk bistand.
Materials
|
References
- Miller, K. J. Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement. Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).
- Chang, E. F. Categorical speech representation in human superior temporal gyrus. Nature Neuroscience. 13, 1428-1428 (2010).
- Gunduz, A. Neural correlates of visual-spatial attention in electrocorticographic signals in humans. Frontiers in Human Neuroscience. 5, (2011).
- Pei, X. Spatiotemporal dynamics of electrocorticographic high gamma activity during overt and covert word repetition. NeuroImage. 54, 2960 (2010).
- Crone, N. E. High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography. Progress in Brain Research. 159, 275 (2006).
- Brunner, P. Rapid communication with a "P300" matrix speller using electrocorticographic signals (ECoG). Frontiers in Neuroprosthetics. 5, (2010).
- Leuthardt, E. C. A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans. Journal of Neural Engineering. 1, (2004).
- Schalk, G. BCI2000: A General-Purpose Brain-Computer Interface (BCI) System. IEEE Transactions in Biomedical Engineering. 51, 1034 (2004).
- Schalk, G., Mellinger, J. A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000. , Springer. London. (2010).
- Brunner, P. A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans. Epilepsy and Behavior. 15, 278 (2009).
