Summary
頭蓋内電極を移植した患者は、患者が行動のタスクを実行している間、脳の複数の領域からの神経学的データを記録するためのユニークな機会を提供する。ここでは、この患者集団へのアクセス権を持つ他の機関では、再現することができ植え込ま患者から記録する方法を提示する。
Abstract
ステレオ脳波（SEEG）電極、硬膜下グリッドや深さ、電極のインプラントを持つ患者は、発作焦点と雄弁分野の局在化のための彼らの脳の異なる領域に移植された電極の多数を持っている。脳の病理学的な領域が発見され、場合によっては切除されるまでは、移植後、患者は病院に残しておく必要があります。行動パラダイム任意の数の行動を導く神経相関を明らかにするために行うことができるので、この時間の間に、これらの患者は、研究コミュニティにユニークな機会を提供しています。被験者は意思決定と報酬エンコーディングを評価するために設計された行動のタスクを実行するようにここでは、頭蓋内インプラントからの脳活動を記録するための手法を提案する。頭蓋内電極からのすべての電気生理学的データは、一度に単一の機能に関与する多くの脳領域の検査は行動に関連するスケーリングを可能にし、行動タスク中に記録されている。さらに、および動物実験とは異なり、ヒト患者は、同じ被験体またはコントロールを実行するための複数のタスクを実行する能力を可能にする、迅速に行動さまざまなタスクを学習することができる。人間の脳機能を理解するためのこの技術の多くの利点にもかかわらず、罹患組織から環境因子、鎮痛効果、時間の制約や内容などこれから説明方法論的な制限もある。この方法は、容易に頭蓋評価を実行する任意の機関によって実施されてもよい。直接行動中に人間の脳機能を調べる機会を提供する。
Introduction
てんかんは神経細胞のグループからの過度の放電に起因する慢性再発性の発作によって特徴づけられる、最も一般的な脳疾患の一つです。てんかんは世界中で約50万人が罹患し、てんかんを持つすべての患者の約40％が完全に薬物療法1によって制御することができない難治性てんかん発作を持っている。ローカライズおよび外科的に除去または切断されている - 発作の発生（EZてんかんゾーン）を担当する脳領域があれば手術が発作フリーな状態になることがあります。 EZ、可能な皮質及び皮質下の雄弁な領域との近接性の解剖学的位置を定義するために、非侵襲的なツールの配列を使用することができます。発作記号学の分析、ビデオ·頭皮脳波の記録（発作と発作の記録）、神経心理学的検査、磁図（MEG）とMRI 2。非侵襲的なデータはpreciselするのに不十分である場合には雄弁な皮質及び皮質下領域または多焦点発作の可能性がある場合には、慢性侵襲的モニタリングが3,4必要な場合がありますの早期関与の疑いがあるとき、yは、仮想的なEZの場所を定義します。
複数の奥行き電極が三脳内に配置される硬膜下グリッドおよびストリップ、脳の表面上に配置された電極と、ステレオ·脳波（SEEG）を含んでいてもよいEZの位置および境界を定義するための慢性侵襲的なモニタリングの方法次元的。硬膜下頭蓋内記録は、当初、ペンフィールドと同僚がして、その気脳写びまん性脳萎縮5が開示され、旧左側頭-頭頂骨折患者における硬膜外単一の接触電極を使用し、1939年に報告された。 1980年代の間に複数のパブリケーションが彼らを実証した後に続いて、硬膜下グリッドアレイの使用は、より普及するようになった安全性と有効性6。 SEEG法が開発され、普及し、フランスでジャンTailarachとジャンBancaudによって50年代に、ほとんどの耐火焦点てんかん7-9における侵襲マッピングのための選択の方法として、フランスとイタリアで使用されてきたし。
SEEGの原理は、発作記号学と相関して脳内のその主な原理としててんかん放電の3次元空間 - 時間的組織をとり解剖·エレクトロ·臨床相関関係に基づいています。移植戦略を考慮にてんかん様活動の主な組織と発作の伝播に関与して仮想的なてんかんのネットワークを取る着床前仮説に基づいて、電極配置と、個別化されている。いくつかのヨーロッパや北アメリカの最近の報告によると、SEEGの方法論は、深い皮質と皮質下の構造は、複数の連続していないLOから正確な録音を可能にしますBES、及び二国間の探査は、大きな開頭10-15の必要性を回避しながら。その後、術後のイメージが移植された電極の正確な解剖学的位置を取得するために取られる。その後、モニタリング期間の開始とは、患者が移植された電極から発作および発作活動を記録するために1〜4週間の期間のために病院に留まる。そこには追加された危険がなく、患者は、典型的には日常的なモニタリング期間から歓迎猶予として調査研究を見て、このモニタリング期間は、事象関連SEEG分析を用いて脳機能を研究するための適切な時間である。録音は、頭蓋内電極から獲得するだけでなく、てんかんの患者の改善された評価とケアに不可欠であるが、追加的に行動パラダイムの間に人間の脳の活動を研究するための例外的な機会を提供しています。
いくつかの研究者はすでにから侵襲録音を研究する機会を実現していますてんかん患者。 Hill ら。機能的皮質マッピング16のために患者からelectrocorticographic（ECOG）信号を記録するための方法論について報告した。 ECOG記録は、モータ言語のカップリング17に洞察力を提供してきました。移植された深さの電極を有する患者は、18と動き19の学習、メモリ内の脳の振動を研究するためのナビゲーションタスクを実行しました。深電極の録音はまた、海馬の誘発活動20、デフォルトモードネットワーク21内の神経活動、および感情的な処理22の時間的コースとしてそれ以外の場合は達成不可能な時間分解能でのパラダイムを研究するために使用された。 Hudryらは23に一致する短期嗅覚刺激のために彼らの扁桃体に移植SEEG電極を持っていた側頭葉てんかんの患者を調査した。別のグループは、そのような手の屈曲または健康BRAI手や足の一方的な動きのような単純な四肢の動きを研究している移植さSEEG 24,25とてんかん患者からn個のサイト。
上記の研究は、関連文献の非常に多様なコレクションのごく一部である。学び、人間の脳は、行動タスクおよび頭蓋内の記録の組み合わせを使用して、どのように機能するかを理解するために克服できない可能性が存在する。この目標を達成するための他の方法がありますが、頭蓋内記録は、高い時間および空間分解能だけでなく、より深い構造へのアクセスを含むいくつかの利点を有する。著者らは、行動のタスクの間に頭蓋内電極を有する患者から記録するための一般的な方法論を記述することを目指しています。しかし、いくつかの抑止力や障壁を正常介護を受けている患者で臨床研究を完了することがあります。本研究の限界、交絡効果、意義も特定され、検討されます。
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Protocol
すべてのタスクはクリーブランドクリニック財団の治験審査委員会（IRB）に提出し承認されたプロトコルに従って行った。インフォームドコンセントのプロセスは、すべての研究活動の前に各患者で行った。この例では、発作のために移植ステレオ脳波（SEEG）の電極があった研究基準を満たす被験者が選択される。プロジェクトが対象として議論し、彼らは参加を承諾した。
1。患者登録
- 頭蓋内電極の移植を考慮した難治性てんかんの患者を評価します。患者は侵襲手術のための良い候補である場合には、電極の配置を最適化するために、患者のMRI、PETやMEG発作の病理と一緒に分析します。臨床チームは、すべての評価を行い、何の決定は、研究目的のために行われません。 。
- 研究のために適格な患者を特定subsequentの移植のための評価におよび/除外基準に基づいて承認されたIRBプロトコルごとの患者を確認。
注：選択基準でのオーラを持つ被験者が含まれるように、患者の最善の利益である。オーラの患者は、彼らが発作を持ってしようとしていること、研究者に通知することができます。必要な予防措置をとるために、研究者と患者の時間を与える（臨床スタッフに通知するために発作警報を押し、邪魔にならないようにすべての機器を引っ張る）。しかし、被験者が補充される場合、オーラを持たない患者の入力デバイスは、容易に患者の領域から除去できることを確認し、スタッフは研究機器およびプロトコルが認識される。 - IRBに従っていずれかの研究活動の前にインフォームドコンセントを取得します。インフォームド·コンセントの間に、参加は完全に任意であり、決して患者の臨床ケアに影響を与えることを強調し、研究を説明する。そこに私多くの場合sの直射患者への利益と参加する意欲が利他的である。
- 常に患者さんの権利とプライバシーの尊重を維持します。自分の情報が匿名や機密のままで患者を思い出させる、彼らはありません結果の下の任意の時点で研究への参加を中止する場合があります。
- 患者看板を持っているし、彼または彼女は理解し、研究に参加することに同意する場合は、インフォームドコンセントとデート。のままのコピーが、レビューする患者が残されている。彼らはどんな質問や懸念は、PIに連絡する患者を奨励すべきである。
2行動システムセットアップ
- 部屋に機器を持って来る前に、十分な患者の部屋のスペースのほか、必要に応じてコンセント（2）へのアクセスがあることを確認してください。
- すべての機器との配線がセットを迅速化する準備ができていることを確認してください。行動システムは、FDAが続きの対象とすることができ、ロボットアームを（承認済み含みROLタスク中のカーソル）、ラップトップコンピュータは、行動プログラム、タスク刺激を提示するためのモニタ、および電気生理学的および行動データを格納するためのデータ収集システムを制御する。
注：自分の研究の特定のニーズを満たすために必要な変更を加えます。例えば、患者インターフェースの代わりに、ロボットアームのボタンボックスを使用します。 - 患者が現在のタスクを完了するために適切な方法で配置されていない場合は、腕をリクライニングチェア（または床）に患者を支援する、それらは発作を有するべきである。
注：これは、グループは患者と対話する方法を、何が起こっているかを知らせるために、監視ユニットのすべてのメンバーとなど研究デザイン、設備を議論する良いアイデアであり、その可能性のある潜在的な問題生じる。 - 患者の準備ができたら、部屋に行動システムを持参し、行動システムやロボットアームをブートアップを開始します。
- デジタルイベントマルケを接続します時間に順番に電気生理学的収集システムのDCチャンネルに対する行動コンピューターからR出力は、行動イベントマーカーで記録SEEG信号をロックします。
注：このセンターで臨床収集システムと干渉しない研究目的のために指定された別個の電気生理学的収集システムがある。しかしながら、適切な担当者と協力して臨床収集システムを使用することが可能である。すべての努力は、臨床的買収を混乱させないようにする必要があります。 - ロボットアームを較正し、それがこのような運動の範囲は、患者にとって快適であることを置きます。別のインタフェース·デバイスを使用する場合は、機器が正常に動作しており、使用の対象とするために快適に位置していることを確認してください。
- ロボットアームを使用している間、緊急停止ボタンは、行動タスク全体の研究者で簡単にアクセスできますことを確認してください。発作の場合には、緊急停止ボタンである押されて、彼らは自分たちに害を与えないように、機器は、患者から引き離されている。さらに、当社は、発作が発生した場合に、患者からの除去を容易にするためのロボットシステムに付属のベルクロストラップを使用しないでください。
注：この例では、行動リグのパラレルポートは、パラレルポートケーブルを使用して取得システムのデジタル入力ポートに接続されている。そのようなロボットアームのX＆Y位置などの追加のアナログ信号が同時に記録されます。
3行動タスク
- インタフェース装置のセットアップリグとキャリブレーションの完了後に患者にタスクを説明してください。
- 「戦争」の子供のカードゲームに似た行動タスクを使用します。そのカードは、コンピュータのカードよりも大きいかどうかの賭けをするために患者情報を確認して下さい。賭け金の選択は、それらのカードの相対値の患者の認識に基づいている。 Tを簡素化唯一のスーツのカードを使用し、2、4、6、8、10奇数カードにデックを制限することによって、その後の分析のために尋ねる。
- 350ミリ秒のため、画面上の固定のキューを表示します。患者がタスクを開始するために、固定マークの上にカーソルを保持していることを確認してください。
- 千ミリ秒のための刺激を表示します。患者は伏せて横に、コンピュータのカードと自分のカードを見ることができるようにします。
- カード消失の後、自分のカードに基づいて、5ドルや20ドルのいずれかを賭けるために患者を求め、2つのオプションが表示ゴー·キュー（<5000ミリ秒）を示している。自分が選んだ賭けの上に、ロボットアームを使用してカーソルを移動させることで賭けをするために患者情報を確認して下さい。位置に基づいて偏りのないことを確認するために裁判に試験から賭け位置をランダム。
- （ - 1,250ミリ秒1,000）コンピュータのカードの啓示に続く500ミリ秒の遅延（空白画面） - 賭けが選択された後、250に注目してください。 、裁判が勝利したかどうか、成果（千ミリ秒）を守って失う、または描き、どれだけ勝ったか失われた。
- 彼らは彼らのパフォーマンスに自信を持っていると何の質問がなくなるまで、患者が練習できるようにします。
4。データ収集
- 患者が準備ができたときに、データを記録し、研究（または臨床）取得システムの設定が適切に選択されていることを確認。
- 録音中に、最小限にバックグラウンドノイズを維持するために部屋の照明やテレビの電源をオフにします。さらに、このような、彼らの足をタップ話したり、自分の足を振っとして行動を控えるように患者に尋ねる。
- タスクを開始し、作業を行う患者を記録。 30分間のタスクを実行するために対象として下さい。ロボットアームシステムのサンプリングレートは1KHzであり、SEEG記録方式のものは、2キロヘルツである。
注：この期間は、他のパラダイムでは異なる場合があります。
5。データ解析
- 最初に、その患者のフォーマを確保するために記録されたSEEGデータをデ識別するンは、機密のままであり、彼/彼女のデータが匿名で送信されていること。
- 術後のCTや術前のMRIから電極位置の座標を取得します。
- 行動のタスクからの利益のデジタルタイムスタンプを持つ神経生理学的録音を合わせます。
- イベント依存の脳活動の調節を分析する信号分析方法を適用する。
注：この研究では、事象関連SEEG信号のパワースペクトル密度（PSD）はChronuxのマルチテーパツールボックス26,27を用いて計算した。各試験のデータは、関連するイベント（時間ゼロ）に対して整列し、計算されたPSDは、基準PSDに対する各周波数ビンに正規化した。
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Representative Results
これらの結果では、第二次のタスクを演奏一つの主題で捕捉辺縁系からSEEGデータの分析を提示する。大脳辺縁系（ 図1） - （150Hzの40）変調私たちは、戦争、タスクのさまざまな側面が重要なγ帯域を呼び起こすことを実証することができます。にかかわらず、タスク有事の、視覚野における、高速なレイテンシーの画面の結果上のオブジェクトのプレゼンテーション（〜200ミリ秒）の広帯域応答を見られるように。また、報酬期間中の応答の持続時間と報わ裁判に比べて報わ試験のための誘発反応の力との間の電位差の差があるように見える。これとは対照的に、下前頭回のみ報酬が発生試験で変調される。この変調は、報酬情報が処理されていた期間を示唆し、待ち時間（〜500ミリ秒）になりました。報酬関連の応答性のこの部分の機能と一致している皮質は、下前頭回は、意思決定や報酬、評価28に関与していると考えられているように。
この分析では、それは活性のこのバンドが認知処理29を表していると考えられるように、ガンマ帯域範囲内の電気生理学的データの周波数成分を調べることを選択した。しかし、このような周波数帯域の他のコンテンツ、誘発された活性、またはネットワークベースの分析のような行動タスク、ローカルフィールドデータの相対に用いることができる分析技術の多種多様ある。また、オフラインの統計分析は、行動タスクに関して統計的有意性を描写します。
図1。戦争で三つの異なるエポック（t = 0）のに対する活性のパワースペクトル。タスク最初の行は（：時間はエポックと比較して、y軸：周波数や色ベースラインにZスコアを相対的に表し、x軸）、下前頭回と2行目の活動は視覚野の活性を示している描写。各列のグラフの時間ゼロは、賭けのオプション（左の列）、正の報酬（中央の列）の外観、および負の報酬の外観（右欄）の外観を表します。カラースケールは、ベースラインに対する各周波数帯域における記録された信号電力のパーセント変化である。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
彼らは行動のタスクに従事ようにここでは、ヒトでの頭蓋内電気生理学的研究を行うための方法を提示してきた。この方法論とその簡単な順列は、人間の動きや認知を研究するために重要である。本質的に任意の技術に利点と欠点が存在する一方で、頭蓋内電極から記録する他の電気生理学的およびイメージング技術に優る利点を有する。主な利点の二つのより良好な制御および行動タスクの設計で高品質のデータを収集する能力である。
頭蓋内電極記録は、行動タスクの間の脳活動を測定するために使用される他の方法に勝る多数の利点を有する。すなわち、研究の大部分は、高い空間カバレッジの利点が、（ - 1.5秒、1のオーダーの）限られた時間分解能を提供するなどのfMRIやPETなどのイメージング技術を用いて行われている。そのようなものとして、これらの研究は著しく見積もるベースラインの状態に対する活性の変化として、脳機能と行動の特定のコンポーネントに動的処理の相対的な現実的な推定値を提供することはできません。脳内の深い生成されたMEGの研究は、一方で、（<1秒）より良好な時間分解能を有するが、空間的カバレッジは、皮質のターゲットに制限された信号によって混乱することができる。それらは、高時間分解能を提供するように単一および複数ユニットの研究は、脳機能への洞察を提供することに成功している。しかしながら、従来のシングルおよびマルチユニット研究の限界は、組織の小さな容積に空間的範囲を限定する、直接関心のある脳領域に電極の配置に関する。したがって、これらの研究は、脳の一部（または核）に集中する傾向があり、脳核が行動30を制御するために通信する方法の相互接続され調べることができない。これとは対照的に、頭蓋内電極は、高い時間分解能（1ミリ秒）とワイドを提供研究者は行動の肥えた特定のコンポーネントが可能な時間スケールで同時に脳の複数の構造間での情報処理を調べることができるように（200電極位置まで）、空間のカバレッジ、。
データ品質に加えて、これらの被験者において実施することができる行動研究の設計に利点がある。動物実験とは対照的に、ヒト患者の認知能力は、高速データ·アクイジション、より大きなサンプルサイズにつながる、複雑なタスクの簡単なトレーニング期間を可能にします。第二に、これらの研究から得られた神経活動は神経処理や行動のいずれかで、種の変動を考慮する必要がなくなり、人間の行動に関連しています。被験者が長期間監視領域内にあり、これらの研究を実施するには相当なリスクがないので、最終的に、それは特定のタスクの多くの試験を収集するために、同一で複数のタスクを実行することが可能である患者。それは統計的検出力を改善し、コントロール試験の実行を可能にするので、この利点は特に重要である。ヒトの研究に使用される他の技術では、時間（手術室、すなわち、シングル/マルチユニット記録）とコスト（ すなわち、fMRIのかMEG）拘束が強い推論を行う能力を制限する小さなデータ収集期間、またはアカウントにつながる観察された効果のために別の説明のために。これとは対照的に、動物モデルで実施された研究は、長い記録にわたり可能にするが、典型的に行動訓練の制約のために行動の1種類に限定されています。さらに、患者はまた、タスクが、どのように潜在的に将来の患者の体験を改善する上で、正または負のフィードバックを提供することができる。
この種の研究に多くの利点がありますが、同様にいくつかの欠点がある。これらの患者は、自分の部屋に閉じ込められているとして、彼らはAFTE監視されている間にR手術、行動タスクは、コンセントの位置、部屋の中の機器からのバックグラウンドノイズ、または臨床担当者からの中断を含むことができる、部屋の制約に適応しなければならない。観察は予想外の成果物が考慮されるように、録音中に行われるべきである。収集されたデータに関しては、EZを見つけるための努力に外科チームによってのみ決定された目標と脳領域は、したがって研究者は常に自分の理想的なターゲットからかによって影響されない脳領域からデータを収集しないことを理解する必要があります病気。別の欠点は、患者が、彼らは、行動タスクを実行している時に服用することができる任意の鎮痛薬または薬の交絡の影響の可能性である。これらの交絡を考慮するためのコントロールがなければ、薬がタスクを実行するために患者の能力にどのような影響を与えるかを判断する方法はありません。いくつかのケースでは、鎮痛薬または薬の効果をfとすることができるが、研究のocus。
この技術の他の問題は、患者の安全と診療所の電気生理学的データの整合性が含まれています。すなわち、あらゆる努力を実験タスク中に患者への傷害を防ぐためになされるべきである。例えば、この研究では、彼らが行動のタスクを実行しながら、椅子に患者を持っていることを選んだ。私たちが使用される椅子は、私たちのてんかん発作監視室における通常の家具であり、発作のイベント中に患者の傷害を低減するように設計されています。私たちは、実験が完了した後に椅子に残るための実験や要望を起動する前に、多くの場合、患者は椅子に既にある。臨床データの保護に関しては、収集システムへの接続は、臨床目的のためのデータ収集を中断することなくなされるべきである。私たちは、臨床収集システムから独立している私達の被験者において調査データを収集するための第二の収集システムの使用によってこれを達成する。しかし、これはよい行動プレゼンテーションシステムと先見の明を収集システムに行動のシステムを接続するために必要なハードウェア要件を与えられた場合、事前に補正することができる臨床収集システムとの間の同期エラーを引き起こす。最後に、研究チームは、特に臨床スタッフの周りのスケジューリングに関して、患者の医療ニーズに対応するために柔軟でなければならない。
直接行動に人間の脳の活動を相関させて、脳機能と機能障害の理解を進めるための重要な機会です。頭蓋内の記録を通して得られたデータは、他の侵襲的かつ非侵襲的な技術よりも多くの利点を持っていますが、これらの他の技術が無効または廃止されたレンダリングされません。実際には、非侵襲的にまたは動物モデルに集め頭蓋内記録とデータの組み合わせには、無料であり、唯一の情報processiのメカニズムを理解する能力を強化NGおよび行動制御。人間の電気生理学的実験は、障害物を充填し、忍耐の多くを必要としているが、これらの技術は、人間の行動に関連して、新規で刺激的な情報を得る能力を持っている。
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Disclosures
著者らは、開示することは競合がない。
Acknowledgments
この作品は、EFRI-MC3によってサポートされていました：＃1137237 SVSとJTGに授与
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| InMotion ARM | Interactive Motion Technologies | InMotion Arm | http://interactive-motion.com/inmotion-arm-the-new-standard-of-care/ Equipment our lab used, can use other equipment to collect data |
| MATLAB | Mathworks Inc | MATLAB | http://www.mathworks.com/ Need version r2007b or higher to run Monkeylogic |
| Data Acquisition Toolbox | Mathworks Inc | Data Acquisition Toolbox | http://www.mathworks.com/products/daq/ Must have to run Monkeylogic |
| Image Processing Toolbox | Mathworks Inc | Image Processing Toolbox | http://www.mathworks.com/products/image/ Must have to run Monkeylogic |
| Monkeylogic | Wael Asaad and David Freedman | Monkeylogic | http://www.brown.edu/Research/monkeylogic/ Free download, must have MATLAB to run |
| Chronux | Medametrics, LLC | Data Processing Toolbox | http://www.chronux.org/ |
| Brainstorm | MEG/EEG Analysis Application | http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/ | |
| Laptop | Dell | Latitude E5530 | http://www.dell.com/us/business/p/latitude-e5530/pd?ST=dell%20latitude%20e5530&dgc=ST&cid=263756&lid=4781504&acd=12309152537461010 |
| NI Card | National Instruments | NI USB-6008 | http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986 12-Bit, 10 kS/sec Low-Cost Multifunction DAQ |
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