Samtidig elektroencefalografi (EEG) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) är ett kraftfullt neuroimaging verktyg. Däremot bildar insidan av en magnetkamera en svår miljö för EEG dataregistrering och säkerhet måste beaktas när du hanterar EEG utrustning i en scanner. Här presenterar vi ett optimerat EEG-fMRI datainsamling protokollet.
Samtidig EEG-fMRI kan utmärkt temporal upplösning av EEG för att kombineras med hög rumslig noggrannhet fMRI. Data från dessa två modaliteter kan kombineras på ett antal sätt, men alla förlitar sig på förvärv av högkvalitativa EEG och fMRI data. EEG-data som förvärvats under samtidig fMRI påverkas av flera artefakter, inklusive gradient artefakt (på grund av de förändrade magnetfältsgradienter krävs för fMRI), pulsen artefakt (kopplat till hjärt-cykeln) och artefakter rörelse (till följd av rörelser i starka magnetiska området för skannern, och muskelaktivitet). Post-bearbetningsmetoder för framgångsrikt korrigera lutning och artefakter puls kräver ett antal kriterier som ska uppfyllas vid datainsamling. Minimera head rörelse under EEG-fMRI är också viktigt för att begränsa uppkomst av artefakter.
Interaktioner mellan radiofrekvens (RF) pulser som krävs för MRI och the EEG hårdvara kan förekomma och kan orsaka uppvärmning. Detta är bara en betydande risk om säkerhetsföreskrifterna inte är uppfyllda. Maskinvara design och installation, liksom noggrann urval av vilka MR-sekvenser drivs med EEG befintlig hårdvara måste därför övervägas.
Ovanstående frågor betona vikten av valet av den använda experimentella protokollet när du utför en samtidig EEG-fMRI experiment. Baserat på tidigare forskning beskriver vi en optimal experimentell uppsättning. Detta ger högkvalitativa EEG-data vid samtidig fMRI vid användning av kommersiella EEG och fMRI system, med säkerhetsrisker till minimerade ämnet. Vi visar denna set-up i en EEG-fMRI experiment med en enkel visuell stimulans. Emellertid kan mycket mer komplexa stimuli användas. Här visar vi de EEG-fMRI set-up med en Brain Products GmbH (Gilching, Tyskland) MRplus, 32 kanals Anläggning i samband med en Philips Achieva (Best, Nederländerna) 3T MR scanner, menmånga av de tekniker som kan överföras till andra system.
Samtidig elektroencefalografi (EEG) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) kan utmärkt temporal upplösning av EEG för att kombineras med hög spatial noggrannhet fMRI. Det finns ett antal sätt på vilka data från dessa två modaliteter kan kombineras 1, men alla förlitar sig på förvärv av högkvalitativa EEG och fMRI data. Hittills har samtidig EEG-fMRI använts för att studera sambandet mellan oscillerande rytmer (mätt med EEG) och blod svar syresättning (med nivå blodets syresättning beroende (BOLD) fMRI) t.ex. 2,3. Det har också använts för att studera huruvida de egenskaper hos den framkallade signalen kan förklara variansen i FETSTIL signal på en prov-för-prov 4,5. I kliniska studier den huvudsakliga användningen av tekniken har varit att undersöka härdar av Interiktal epileptiska urladdningar, vilket kan hjälpa kirurgisk planering och är för närvarande svårt att lokalisera icke-invasivt6,7. För att uppnå fusion av EEG och fMRI data, som är önskvärd, är det viktigt att ha data av hög kvalitet från båda modaliteter. Men EEG-data som förvärvats under samtidig fMRI påverkas av flera artefakter, inklusive gradient artefakt (på grund av den föränderliga magnetfält som krävs för fMRI), pulsen artefakt (kopplat till hjärt-cykeln) och artefakter rörelse (till följd av rörelser i den starka magnetfält av skannern, liksom muskelaktivitet). Dessa artefakter är betydligt större än den neuronala aktiviteten av intresse och därför minskning (vid källan) och korrigering av artefakter (via post-processing) som båda behövs för att möjliggöra ett framgångsrikt genomförande av samtidig EEG-fMRI.
Efterbehandlingen metoder finns för närvarande för att korrigera lutning och artefakter puls kräver ett antal kriterier som ska uppfyllas vid datainsamling i syfte att producera högkvalitativa EEG-data. Under det föregående decenniet optimal experimentella set-up för inspelning av data av hög kvalitet har utvecklats som vår förståelse av orsakerna till de artefakter 8-10 har förbättrats och vi har lärt oss hur man ändrar experimentella metoder för att minska de artefakter vid källan 11,12 och förbättra utförandet av efterbehandling korrigering algoritmer. Denna utveckling är att förbättra provtagningen av gradienten vågformer genom synkronisering av scanner klockor 13,14 och användning av en vectocardiogram 15,16 för att ge ett renare hjärt spår än den traditionella EKG. Den vectocardiogram spår härrör från fyra elektroder placerade på bröstkorgen med en stränga lågpassfilter anställda 14-16. Till följd av detta spår är relativt opåverkad av lutning artefakter och är okänslig för blodflödet artefakt gör R-toppdetektion lättare. Dock är möjligheten att spela in en vectocardiogram inte tillgänglig på alla MRI scanners och kommer därför endast att nämnas i korthet i denna sektionTudy. Vikten av att minimera artefakter och stringent rengöring av data har belysts av den senaste demonstrationen som rörelseartefakter bokförs i EEG-data kan korrelera med djärva utan koppling till uppgiften av intresse, som producerar falska resultat om extrem man inte är försiktig hela experimentell process 17.
Den metod som presenteras här representerar den aktuella optimala metoden för att erhålla högkvalitativa EEG och fMRI data samtidigt med MR hårdvara och sekvenser puls som är allmänt tillgängliga, tillsammans med kommersiellt levereras EEG utrustning. Genomförandet av det föreslagna förvärvet metoden, i samband med användning av lämpliga post-bearbetningsmetoder, kommer att ge EEG och fMRI data som kan användas för att besvara ett antal viktiga neurovetenskapliga frågor.
Allmänna råd Eftersom den fysiska utformningen av alla scanner rum är annorlunda vi förstår att du inte kan ha möjlighet att placera dina EEG förstärkare utanför hålet i magneten. I detta fall är en bra kompromiss är att placera förstärkarna på en tjock gummidyna så att frikoppla dem från skannern vibrationer så mycket möjligt. Om du tycker att lutningen artefakt korrigeringen inte fungerar bra, så kolla tiderna mellan volym eller markörer skiva, eftersom det är troligt i detta fall att den TR som har matats in i MR-konsolen är inte exakt den TR som genereras . I så fall måste du kontakta den aktuella MR-scannern för att få hjälp.
De viktigaste stegen i processen av EEG datainsamling under samtidig fMRI är de som vidtas för att se till att alla externa bullerkällor har minimerats (t.ex. cyrocooler pumpar och vibrationer i EEG-utrustning). Till allow optimal lutning artefakt korrigering är det viktigt att se till att EEG och MR scanner klockor är synkroniserade, är skivan TR en multipel av skannern klockperioden och att ämnet är optimalt placerad. För att säkerställa optimala puls artefakt korrigering många tekniker kräver en ren hjärt spår som R-toppar kan detekteras, föreslår vi att detta bäst kan uppnås med hjälp av en VCG, men det är också möjligt med en väl positionerat EKG bly. Om med hjälp av EKG är det rekommenderat att placera denna vid basen av ryggen för att maximera signal-brusförhållandet i R-topp med den extra fördelen av att detta är en enklare plats att komma åt än en position nära hjärtat 23. Placering av EKG-avledning på bröstet resulterar i rörelseartefakter grund andning läggs till spår från denna ledning samt orsaka lutningen artefakt att variera över tiden. Detta kan resultera i spår mättar och / eller lutning artefakt korrigering inte fungerar på grund av mall variabilitetoch rekommenderas därför inte.
Allmän diskussion EEG-fMRI är ett kraftfullt verktyg för att studera hjärnans funktion, som den hög tidsupplösning av EEG kan kombineras med den höga rumsliga upplösningen i fMRI. Hittills har ett antal studier använde denna multimodal strategi för att få en bättre förståelse av hjärnans funktion. EEG-fMRI har tillämpats på friska frivilliga försökspersoner för att undersöka sambandet mellan oscillerande rytmer (mätt med EEG) och blod svar syresättning (hjälp BOLD fMRI) t.ex. 2,3. Det har också använts för att studera om egenskaper hos den framkallade signalen kan förklara variansen i FETSTIL signal på en prov-för-prov 4,5. I kliniska studier den huvudsakliga användningen av tekniken har varit att undersöka härdar av Interiktal epileptiska urladdningar som i sig är svåra att lokalisera icke-invasivt 6,7. Dessa exempel visar kraften i denna multi-modal imagIng verktyg. Men för att möjliggöra undersökning av sådana fenomen, är det viktigt att ha tillgång till den bästa möjliga kvalitet av EEG och MRI data. För att uppnå detta inne i MR-scannern är det viktigt att ha den bästa experimentella set-up och även för att välja de mest lämpliga analysmetoderna. De optimala analysmetoder kommer till viss del beror på frågeställning av intresse, som kommer korrigering metoder som används för att avlägsna artefakter. Till exempel storleken och antalet rörelser som har inträffat under inspelningen kommer att bestämma den mest effektiva kombinationen av algoritmer för att ta bort lutning artefakt. Dock är den optimala experimentella set-up av EEG och fMRI hårdvara relativt oberoende av specifika forskningsfrågor. De riktlinjer som anges här är därför av allmänt värde och kan följas i experiment med olika EEG och MR skannermaskinvaran än vi använde.
Här har vi visat de förvärvsmetoder som should följas för att förvärva högkvalitativa EEG och fMRI data. Vi använde en visuell stimulans utifrån en tidigare anställd stimulans paradigm 24. Däremot kan samma tekniker för datainsamling tillämpas oavsett paradigm som används för att stimulera hjärnan aktiviteten av intresse. När du väljer din paradigm bör det noteras att kvaliteten på de EEG-data som kan uppnås vid inspelning inne i MR-miljö med de tekniker som för närvarande är tillgängliga för användarna (och beskrivs här) fortfarande ställer vissa begränsningar på hjärnaktivitet som kan studeras: det finns särskilda svårigheter att registrera EEG-aktivitet i låg (<5 Hz) och hög frekvens (> 80 Hz) band där resterande puls och artefakter lutning får bosätta sig. Dessutom måste man vara försiktig när man väljer ett paradigm så att möjligheten att motivets rörelse relaterat till uppgiften minimeras. Detta är ett problem eftersom rörelseartefakter i EEG-data är ofta svårt att korrigera och små artefakter kan varasvårt att identifiera tydligt, även om de fortfarande kan dominera neuronala signaler. Dessa rörelseartefakter kan orsaka falska men troliga korrelationer med fMRI uppgifter 17.
Post-bearbetningsmetoder för samtidig EEG-fMRI är många och som sådan deras diskussion ligger utanför ramen för detta arbete. Som tidigare nämnt lutning och puls artefakt kan tas bort med hjälp av ett antal tekniker som inkluderar genomsnittliga artefakt subtraktion 18,19, oberoende komponent analys 20,21, ställer optimal bas 22 och strålformare 25. Ofta en kombination av dessa metoder kan användas 23 och utförandet av metoderna är beroende på sådana faktorer som den magnetiska fältstyrkan och paradigm användes. De optimala post-bearbetningsmetoder för en särskild studie kommer också att bero på de signaler att extrahera data oavsett om dessa är oscillerande rytmer eller framkallade potentialer kan ha ett inflytande på post-bearbetningsmetoder används.
Samtidigt finns det betydande pågående forskning inriktad förbättrade datainsamling och analysmetoder för samtidig EEG-fMRI, är det redan möjligt, med hjälp av de metoder som beskrivs här, för att besvara viktiga neurovetenskapliga frågor som kräver en kombination av hög rumslig upplösning av fMRI och utmärkt temporal upplösning av EEG.
The authors have nothing to disclose.
Vi vill tacka Brain Products GmbH för att ge sin utrustning, expertis och hjälp i att producera detta arbete. Vi vill också tacka Glyn Spencer, University of Nottingham, bistå med produktionen av videon. Vi tackar också Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC), EP/J006823/1 och University of Nottingham för att finansiera denna forskning.
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
3T MR scanner | Here we use a Philips Achieva but any MR scanner should work. | ||
BrainVision Recorder | Brain Products GmbH | BP-00010 | 1st License item |
BrainVision RecView | Brain Products GmbH | BP-00051 | basis module |
BrainAmp MR plus | Brain Products GmbH | BP-01840 | single amplifier |
BrainAmp USB Adapter | Brain Products GmbH | BP-02041 | BUA64 |
SyncBox | Brain Products GmbH | BP-02675 | SyncBox complete |
Fibre Optic cables and USB connectors | Brain Products GmbH | BP-02300 (FOC5) BP-02310 (FOC20) BP-02042 USB2 Cable) | These come with the above listed equipment. |
BrainCap MR | EASYCAP GmbH | BP-03000-MR | 32 channel EEG cap for use in MR |
Abralyte 2000 conductive Gel | Brain Products GmbH | FMS-060219 | Conductive and abrasive gel to connect electrodes to scalp |
Isopropyl Alcohol BP | Brain Products GmbH | FMS-060224 | To be applied before Abralyte Gel. Isopropylalcohol 70% (60 ml)-for degreasing the skin |
Cotton tipped swab | Brain Products GmbH | FMS-060234 | For application of Abralyte and Isopropyl Alcohol. Cotton Swabs Non-sterile, 100 pieces |