Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Neuroscience

הקלטת אדם Electrocorticographic (ECOG) אותות לחקר Neuroscientific בזמן אמת מיפוי קורטיקלי פונקציונלית

Published: June 26, 2012 doi: 10.3791/3993

Summary

אנו מציגים שיטה לאיסוף אותות electrocorticographic למטרות מחקר מבני אדם אשר עוברים ניטור פולשני אפילפסיה. אנחנו מראים איך להשתמש בפלטפורמה BCI2000 תוכנה לאיסוף נתונים, עיבוד אותות מצגת גירוי. באופן ספציפי, אנחנו מדגימים את זיגפריד, כלי BCI2000 מבוסס על מיפוי בזמן אמת המוח תפקודית.

Protocol

1. אלקטרודה לוקליזציה

  1. איסוף טרום הניתוח T1 משוקלל MRI מבנית (1.5T או 3T) של ראשו של המטופל: 256 x 256 פיקסלים לכל פרוסה, שדה מלא נוף, לא אינטרפולציה, 1 פרוסת רוחב מ"מ, sagittal רצוי חתכים.
  2. שימו לב להשתלה כירורגית של רשתות ורצועות. לאסוף תמונות דיגיטליות של אלקטרודות באתרו, והערות של נוירוכירורג על המיקומים של רשתות ורצועות מושתלים.
  3. לאסוף את שלאחר הניתוח רנטגן גולגולת תמונות המוח סריקות CT ברזולוציה גבוהה (1 פרוסה מ"מ רוחב, עור לעור, אין זווית).
  4. ליצור מודל תלת מימדי של המוח קליפת המוח של המטופל באמצעות טרום הניתוח MRI, ושיתוף לרשום אותו עם פוסט רשת תמונות ההשתלה CT. אנו משתמשים חבילת תוכנה קארי לענין זה, ולייצא את מבנה קליפת המוח 3D ו אלקטרודה מרכזת בפורמט MATLAB. מ MATLAB, אנחנו לייצא סרט שמראה את האלקטרודות ממופה על גבי המוח. כמו כן, אנו מ זAP האלקטרודה הקואורדינטות סטנדרטיים באזורים Brodmann באמצעות אוטומטיות Talairach אטלס.
  5. סקרנו את המידע מהמודל 3D, תמונות רנטגן, תמונות והערות. לסיים שיטת המספור עבור אלקטרודות, ולעבוד עם הטכנאים בבית החולים על מנת להבטיח כי הם תוקנו אלקטרודות לתוך תיבות ספליטר בעקבות זה המונה בדיוק. כמו כן ליצור פריסת סכמטי של מזימות אלקטרודות בשני ממדים, כך שכלל עמדות אלקטרודה ניתן להבחין בבירור ללא חפיפה. אם אתה הולך לרוץ זיגפריד (ראה סעיף 4), לשמור את ממדי קואורדינטות כמו שבר BCI2000 פרמטר, בפורמט הנדרש על ידי פרמטר ElectrodeLocations. לבסוף, בחר בשני מקומות אלקטרודה שעשויים להיות electrocorticographically "שקט", כלומר, הם לא ליד קליפת המוח רהוט המשוער, כדי להשתמש בהם הקרקע התייחסות ראשונית (להכין את g.USBamps ידי תיקון התייחסות ארובות כחולים, הקרקעאל ארובות צהובים, על הימין הקיצוני של כל יחידה).

2. חומרה התקנת התוכנה

  1. להבטיח את מפרט המחשב מספיקות לטיפול בדרישות עיבוד הניסוי. מעבד מרובה ליבות סביר להניח כי יהיה צורך להתאים את הדרישות של איסוף נתונים בזמן אמת עיבוד, הקלטת וידאו, כמו גם משימות חיוניות אחרות. להקלטה בזמן אמת, ניתוח של 128 ערוצים ב 1200 הרץ, אנו משתמשים 3-GHz ארבע ליבות מכונה עם 4 GB של זיכרון RAM. המגברים צריך להיות מחובר בקר USB ייעודי, להבדיל מבקר (ים) המשמש את רוחב הפס תאבי ציוד היקפי אחרים, כגון כוננים חיצוניים ומצלמות (ניתן לוודא זאת באמצעות מנהל ההתקנים של המערכת). לבסוף, חייב להיות שטח דיסק מספיק כדי לאחסן עד 5 מגה בייט לשנייה של נתוני הניסוי, ומערכת אחסון גיבוי זה.
  2. הגדרת ציוד מחקר (מגברים, המחשב, המסך של הנסיין, keyboארד, רמקולים, מיקרופון ומצלמה) על עגלה אחת, אשר ניתן התגלגל במהירות בתוך ומחוץ לחדר של החולה, עם כבל רק כוח אחד כדי לחבר אל הקיר. כדי להעביר את המחשב מחדר לחדר, השתמש בפונקציה שינה לפני ניתוק. מסך וידאו של המטופל צריך להיות על השולחן מגש נפרד או הזרוע הצג. בהתחשב בכך החולה נוטה להתקפים, ודא כי כל הציוד ניתן התגלגל הצידה במהירות במקרה צוותים רפואיים צריכים גישה מיידית לחולה. הציוד צריך להיות גם וחיטוי עם מגבונים חיטוי לפני ואחרי השימוש בחדר של המטופל.
  3. זמן עם החולה אינו מוגבל, כל הנהלים צריכים להיות חזקים אופטימיזציה כדי לנצל הכי טוב של אותה תקופה. בהקשר זה, את הגמישות ואת החוסן של BCI2000 הם מאפיינים שלא יסולא בפז. ודא כי הניסויים ניתן להפעיל בלחיצת כפתור. במקרה של BCI2000, להשתמש בקובץ אצווה כדי להפעיל את השילוב הנכון שלBCI2000 מודולים באופן אוטומטי, עם אפשרויות שורת הפקודה הנדרשים. המפעיל ו מודולים gUSBampSource נדרשים, יחד עם SignalProcessing המתאים יישום מודולים של הניסוי הספציפי שלך. השתמש Scripting המפעיל של BCI2000 תכונה על מנת להבטיח כי כל הקבצים הפרמטרים הנדרשים נטענים באופן אוטומטי, לרבות כל תוכן ספציפיים למטופל זה, כמו למשל מספר אלקטרודות ושמותיהם ועמדות. מטרת אוטומציה זה היא לצמצם את מספר פעולות באופן ידני על ידי הנסיין, ולכן ההזדמנויות שגיאה. תוכנה הפרמטרים שלו צריכים כבר הושלמו ונבדקו (אולי בנושא EEG) לפחות שבוע או שבועיים לפני ההשתלה. כמו כן, מומלץ מאוד לבצע "יבש" לרוץ יום לפני הפגישה הניסיוני הראשון, כולל כל מטופל ספציפי פרמטרים חדשים.

3. מושב ניסיוני Set-up

  1. בחר את הרגע שלכםדבר המצביע על הקלטות ניסיוניות לחולה, לתת להם לב מוקדם יותר באותו יום, ושוב 15 דקות לפני שאתה מתחיל. לעקוף את המבקרים, ארוחות, תנומות, נהלים רפואיים, מצבו הגופני של המטופל רגשית וקוגניטיבית. חשוב ליצור קשר עם הצוות הרפואי על הרצפה, כדי לסייע בשיפור עיתוי ומשך הקלטות.
  2. גלגל את הציוד למקומו, להתחבר לשקע החשמל, להפעיל את מסך וידאו של הנושא ולחבר אותו למחשב, ובטל שינה את המחשב.
  3. הפעל BCI2000. עם פרמטר VisualizeSource מופעלת, לחץ על הגדרת התצורה. הצופה אות פותחת, ומאפשרות לך להעריך את איכות האות ECOG. לחץ לחיצה ימנית על הצופה להגדיר את המסנן גבוהה לעבור על הפסקת 5 הרץ. (הגדרה זו מסנן תשפיע רק על ויזואליזציה, ולא אוסף של נתונים.)
  4. לבדוק אם קיימת הפרעה מרעש קו מתח: האם הפעלת המסנן ברמה הגבוהה אצל הצופה (ב 50 הרץ או 60 הרץ,תלוי באיזו מדינה אתם נמצאים) לעשות הבדל גדול כדי לאותת? אם כן, נסו לצמצם את זה על ידי הסרת כל שאינם בשימוש בין מדברים כבלים, או זיהוי והסרה של מקורות אחרים של הפרעות חשמל. שנה את אלקטרודות המשמשות התייחסות הקרקע במידת הצורך.
  5. אם אתה משתמש העין גשש, לכייל אותו באמצעות תוכנת כיול מסופק על ידי היצרן. מודול BCI2000 המקור יש הידור עם סיומת EyetrackerLogger כלל, וגם אם יהיה עם - LogEyetracker = 1 הדגל מופעלת, כך העין מעקב אחר הנתונים ניתן לרכוש בסינכרון עם אותות ECOG.
  6. כדי למנוע הסחות דעת והפרעות, וכדי למזער הפרעות האות ניתן, להבטיח כי טלוויזיות, מכשירי רדיו וטלפונים ניידים כבויים.
  7. לתת הוראות מדויקות למטופל לצורך הניסוי אתה עומד לרוץ. בהתאם למשימה של הנושא, הכינו שקופיות PowerPoint המציגות את המשימה, הציעו יציבה, וכו ', יכול להיות שימושי. לחצו על התחל על המפעיל להתחיל את הניסוי. בכל פעם שתלחץ על הפעל או על חדש, הקובץ החדש ייווצר כדי למנוע דריסת הנתונים הקודמים, ואת הקובץ יהיה לאתחל עם העתק של כל ערכי פרמטרים. הנתונים הגולמיים זרמו לאחר מכן ניתן יהיה באופן אוטומטי קובץ, יחד עם סמנים האירוע, עד שתקיש להשעות או סיום הניסוי לרוץ.
  8. במהלך הפגישה, לעקוב אחר ההתנהגות של המטופל ואת אותות ECOG עבור התקפים חשודים, ולהיות מוכנים להגיב על הוראות הצוות הרפואי.

4. למשל מושב ניסויית: מיפוי קלינית זיגפריד עם BCI2000

  1. אופן ההכנה: לפני שהמושב מתחיל, תצטרך להכין קובץ model.ini המכיל את עיבוד האות הגדרות זיגפריד ישתמשו כדי לבנות את המודל, ואת הקובץ פ.ר.מ. (או שברי פ.ר.מ. נפרד.) המכיל את BCI2000 הפרמטרים. מודול SigfriedSigProcישתמשו להדמיה בזמן אמת. שני הפרמטרים העיקריים הם ElectrodeLocations, תוך פירוט הפריסה 2-D שבחרת עבור אלקטרודות מיוחדות הזה של המטופל, ElectrodeCondition, אשר מציין אילו משימות שונות ימופו ובאילו תנאים. בדוגמה זו, אנו משתמשים מודול StimulusPresentation פשוטה לתקשורת הוראות למטופל, ולכן הפרמטר גירויים גם צריך להתאים את המשימות שאנחנו מתכוונים לרוץ.
  2. שלב ההתחלה: ההתחלה, gUSBampSource DummySignalProcessing ו StimulusPresentationTask מודולים, מוגדר לפעילות מדגם ECOG מכל רשתות ורצועות ב 1200Hz, גבוהה לעבור סינון ב-Hz 0.1. להורות את הנושא להירגע ולהישאר ללא תנועה בעיניים פקוחות. שיא של 6 דקות של פעילות המחקר, תחת תאורה נוחה בסביבה שקטה.
  3. שלב דוגמנות: הפעל את הכלי data2model_gui ולחלץ בתכונות 5 פחי הרץ frאום 70-110 הרץ באמצעות שיטת האנטרופיה המרבית עבור כל 500 מילישניות של נתונים. לחצו על בניית דגם לבנות מודל הסתברותי של תכונות ספקטרליות נבחרים באמצעות תערובות גאוס.
  4. שלב מיפוי: התחל gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA ומודולים StimulusPresentationTask ולהגדיר את המפעיל לטעון את מודל הסתברותי, המודל קליפת המוח, ו 2 - ו 3 מימדי קואורדינטות אלקטרודה. אחרי המורה את הנושא, ולהתחיל את תהליך המיפוי. בתהליך זה, בכפוף יבצע כל משימה במשך 10 שניות בכל פעם, על כל 5 חזרות. במהלך כל משימה, זיגפריד מזהה הקשור למשימה ECOG פעילות מוצג 2 מתעדכן - ו 3 ממדי מפות של קליפת המוח רהוט. ב 2 ממדי מפות, גודל ואודם של כל עיגול מייצג את חשיבותו במשימה זו בפרט. באופן ספציפי, את הגודל של כל מעגל הוא יחסי חלק מהשונות האות הכולל תואר ראשון גמאND שמטופלת על ידי המשימה. נתון זה נקרא מקדם של נחישות, או r 2. זה בטווח (0,1) וגם ההתקנה הנוכחית ערך של 0.1 יכול כלל להיחשב משמעותי. קנה המידה של המעגלים היותר ל r 2 ערכים ניתן לשלוט באמצעות המחוונים (ראה איור 1 ג). ב 3 ממדי מפות, 2 ערכי r אינם ממופים בצבעים שונים ולא גדלים מעגל.

5. נציג תוצאות

איור 1 מציג תוצאות נציג, מההפעלה זיגפריד 1 מיפוי בחולה אחד. החולה היה 28 בן ימני הנשי שהיה לו אפילפסיה סורר לוקליזציה הקשורות הופעת שמאל הזמני עם הכללה משנית. 120 אלקטרודות electrocorticographic הושתלו subdurally על הקודקודית השמאלית, קליפת המוח הקדמית הזמני. לרוחב x-ray (פאנל) וכן תצלום פנים הניתוח (לוח ב ') מתאריםהתצורה של רשת 1 חזיתית עם 40 אלקטרודות, אחת גבוהה יותר צפיפות רשת הזמני עם 68 אלקטרודות, ושלוש רצועות כל אחד 4 אלקטרודות. מן התקפים שנרשמו, נוירולוג מקומי מוקדי אפילפסיה וקבע כי היה צורך לבצע כריתה כירורגית של האונה הטמפורלית השמאלית בזמן חוסך קליפת בשפה רהוטה. זו בוצעה בהצלחה: ב 8 חודשים לאחר כריתה החולה כבר העריכו כמו התקף חינם וללא גירעונות נוירולוגיות. הליך מיפוי פסיבית זיגפריד קליפת המוח זיהו מעורב בתפקוד השפה ידי מנוגדים למשימה הקשורות לשינויים במהלך מטלות ההאזנה. התוצאות הוצגו שני ממשקים: ממשק 2 מימדי (לוח ג), מה שהופך את הפריסה של האלקטרודות ברור, ממשק 3 ממדי מבחינה אנטומית, נכון (לוח ד). משמאל לעומת ימין לוחות האזנה הבסיס דיבר בשפה לעומת (קול), האזנה לצלילים הבסיס לעומת (TONES), והאזנה השפה המדוברת לעומת ליסtening לצלילים (שפה). האחרון שבהם הוא כלל כתמונה קשה של תפקוד שמיעתי ספציפי לשפה פתוחים. התוצאות של מצב VOICE הראה בהסכם טוב עם מקומות שבהם ECS המשובשים פונקציה בשפה פתוח בחולה זה (מסומן חוגים הצהובים בלוח).

איור 1
באיור 1. תוצאות דוגמה החולה 1. לוח מראה לרוחב רנטגן. עיגולים צהובים מסמנים את האלקטרודות מעורבים בשפה פתוחים, שזוהו לאחר מכן על ידי מיפוי גירוי electrocortical. לוח ב 'היא תמונה שצולמה בעת ההשתלה. לוח ג מראה את תוצאות מיפוי זיגפריד בפריסה דו מימדי סכמטית: גודל ואודם של כל דיסק מייצג את חשיבות מעורבותם של כל אלקטרודה במשימה, יחסית לקו הבסיס. בלוח ד ', נתון זהה ממופה לצבע על Rende תלת מימדי מודל המוחאדום MRI של המטופל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

איסוף הנתונים למחקר ECOG דורש שיתוף פעולה הדוק בין קלינאים וחוקרים, עם מאוד רב תחומית צוות לפתרון בעיות לנוירולוגיה ונוירוכירורגיה קלינית, בסיסי מדעי המוח, מדעי המחשב והנדסת חשמל. גמול היא אותות ECOG, וב אמפליטודות מסוימים טווח בתדירות גבוהה גמא (70-110Hz), הם בעלי ערך רב. לא רק שהם מספקים תובנה מדעית לתוך וקושרת עצביים של הקוגניטיבי, החושי והמוטורי מעבד 1-4 הן ברזולוציה גבוהה במרחב ובזמן, אבל המוח מחשב מחקרים משיקות ב ECOG הראו גם ההבטחה הגדולה של שיטת כבסיס neuroprosthetic יישומים 6,7,10.

קוד פתוח BCI2000 פלטפורמת תוכנה 8,9 מספקת ערכת כלים גמישים להקלטה ECOG ועיבוד הנתונים בזמן אמת, על כל מחקר כזה מאמצים הנדסיים. יישום אחד ספציפי בזמן אמת המבוסס על BCI2000, זיגפריד 10, מוכיח כי הקלטות ECOG גם בעל ערך מיפוי תפקודי, מראה הסכמה משמעותית עם התוצאות הנגזרות באמצעות מיפוי גירוי electrocortical.

למרות העניין בקצב מואץ במחקר ECOG מבוסס, הוא עדיין בחיתוליו. רוב גדול של כל המחקרים שנערכו עד כה, ECOG התרחש חולי אפילפסיה אדם, ולכן נערכו בהקשר זה מטיל מגבלות רבות על המחקר: מיקום האלקטרודה ומשך מוגדרים על ידי צרכים מחקר קליני ולא, נושאים המקבלים שתלים יכול להיות פעילות המוח לא טיפוסית, בעיקר באזור שבו האלקטרודות ממוקמות, מחקרים חייבים להשתמש בטכנולוגיה האלקטרודה כלומר כמה שנים מאחורי חוד החנית של הנדסה ביו (מאז אלקטרודות וציוד חייבים עברו תהליך אישור ארוך לשימוש קליני). עם זאת, עם המשך הפיתוח של מיניאטורי, בעל רזולוציה גבוהה יותר, biocompaמערכות ECOG tible, באופן מלא מושתלת, בשנים הקרובות יהיה בהחלט רואה את המשך אימוץ של טכניקה זו על בסיסי ויישומי במדעי המוח במודלים הן בני אדם ובעלי חיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגוד עניינים הצהיר.

Acknowledgments

עבודה זו התאפשרה על ידי מענקים נתמך על ידי קצין בצבא מחקר בארה"ב (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) ו-NIH / NIBIB (EB006356 (GS) ו EB00856 ( JRW ו-GS)). המחברים מודים שון אוסטין עבור מודול SigfriedSigProcLAVA, וגריפין Milsap לקבלת סיוע טכני בנושא.

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).

Tags

מדעי המוח גיליון 64 electrocorticography המוח למחשב ממשק מיפוי מוחי פונקציונלי זיגפריד BCI2000 ניטור אפילפסיה דימות תהודה מגנטית MRI
הקלטת אדם Electrocorticographic (ECOG) אותות לחקר Neuroscientific בזמן אמת מיפוי קורטיקלי פונקציונלית
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter