Abstract
人間の脳のメカニズムについての重要な情報を抽出するための非侵襲的脳波（EEG）、磁気脳造影（MEG）と機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を適用することの成功にもかかわらず、そのような方法は、生理学的な情報を提供するには不十分のままで皮質下レベルでの認知と感情的な機能を反映するプロセス。この点で、このような脳深部刺激（DBS）などのヒトでの近代的な侵襲的な臨床アプローチは、皮質下の脳活動を記録するために多大な可能性を提供し、ローカライズされた大脳基底核や視床の領域から神経アセンブリのコヒーレント活動を表すすなわち局所電場電位（LFPS） 。ヒトにおける侵襲的なアプローチが医療指示の後にのみ適用され、したがって、記録されたデータが変更された脳の回路に対応しているという事実にもかかわらず、貴重な洞察は、脳振動に関して無傷の脳機能の存在に関して得ることができます活動と実験認知パラダイムに応じて、障害の病態生理。この方向では、パーキンソン病（PD）患者におけるDBS研究が増えて運動機能だけでなく、感情、意思決定、注意、記憶や知覚などの、より高いレベルのプロセスだけでなく、ターゲットにしています。最近の臨床試験はまた、強迫性障害（OCD）から意識（DOC）の慢性疾患に至るまで神経精神障害における代替治療としてDBSの役割を強調する。その結果、我々は感情的な意味合いやパラダイムと例えば音声刺激（組み合わせ侵襲（LFP）の使用に焦点を当て、認知と感情的な処理トラフ実験パラダイムにおける皮質-皮質下構造の役割を評価する非侵襲的（EEG）は、ヒトの脳の録音このようなフランカータスクとして認知制御の）、DBS治療を受けている患者のために。
Introduction
ヒトにおける侵襲性の神経生理学的記録は、てんかん外科および腫瘍研究1中にelectrocorticographic皮質領域からの記録と小脳をターゲットと精液の研究に遡ります。このような記録手順の更なる発展への重要なマイルストーンは、人間の脳2の深部構造への安全で効率的なアクセスを提供する定位技術を導入しています。別に臨床治療から、ヒトでの脳の侵襲的アプローチは、特に患者における内および術後侵襲録音の場合は、脳深部刺激を受けて、外部刺激によって変調記録された活動パターンに関連して脳機能を研究するためのかなりユニークな機会を提供する（DBS ）手順。 DBSの適用可能性と有用性が強迫性障害（OCD）またはCHROなどの条件を強迫するパーキンソン病（PD）から様々な神経および精神神経疾患に対処されてきました意識（DOC）のNIC障害。
特に、DBSは、パーキンソン病3,4,5、本態性振戦6、プライマリ/一般分節性ジストニア7,8,9、ハンチントン病10,11、治療抵抗性うつ病12,13、ニコチンの治療に適用されてきましたそして、アルコール依存症14、アルツハイマー病15,16、トゥレット症候群17と意識（DOC）の慢性疾患18,19,20。
神経精神の範囲内で、DBSは、内部カプセル（ALIC）の前肢をターゲットと強迫性障害（OCD）のために承認された/ CEマークの付いた治療で、腹側カプセル/腹側線条体/腹尾状核（VCを/ターゲットに使用されていますVS）、側坐核（NAC）と視床下核（STN）21。 OCD 22でDBSについて、最近の研究では、強迫的なチェックの機構内にSTNの役割を強調しますメモリベースのパラダイム23,24,25を利用することでる。
注目すべきは、認知と感情的な意味合いを持つパラダイムの影響下での脳活動の変調は、DOC 26,27,28,29で強調されています。このように、DBSは慢性DOCのための有望な治療法としてだけでなく、中央の視床地域内および後からローカルフィールドポテンシャル（LFP）を記録することによって、皮質下活性の調節を研究する可能性を開く臨床手順としてだけでなく、強調表示されています動作可能。
DBSでは、電極の脳神経外科移植は、患者の刺激は術中インパルス刺激テストしてカスタマイズされている間、安全に、脳の解剖学的制約を占め定位技術に基づいています。術後LFPの記録は、DBS電極の初期の移植後とインパルス発生器の内部の前に可能です。特に、本プロトコルはcentereです術後のレコーディングにD。
LFPSとの組み合わせでは、皮質の脳活動の同時記録は、非侵襲的な脳波（EEG）や磁（MEG）30,31によって、インスタンスを達成することができます。これら二つの非侵襲的な方法は、その優れた時間分解能にサポートされています。 MEGは、頭蓋骨の効果32による脳波よりも影響を受けにくいですが、それが少ない金属製インプラントと頭部の動きに起因するアーチファクトの影響を受けている、それは患者のベッドサイド33で使用することができるので、EEGが有利表示されます。適用される感情の認知パラダイムに応答した皮質-皮質下の脳活動（LFPおよびEEG / MEG）の同時記録することにより、脳の振動と行動の間の異なる関係は、時間-周波数結合が34を分析に基づいて確立することができました。ターンでは、このようなパターンは、患者の個別の認知と感情の状態とoの将来のバイオマーカーにつながる可能性個別の設定を考慮した治療パラメータのptimization。
具体的には皮質と皮質下レベルでの認知と感情的な機能の評価のために、ヒトにおける侵襲性および非侵襲性の神経生理学的記録以下のプロトコルの目標、（EEGとLFPS）。
まず、本プロトコルを伴うビデオに示す神経生理学的記録のステップは、いわゆるフランカーのタスクを実行する運動障害（例1）で例の患者で記録に対応しています。
第二に、プロトコルの手順は、慢性DOC 26に発表されたDBSの例から採取し、分析し、サンプルの結果（実施例2）の方法論に着目して議論されています。
これらの2つの例は、異なる障害および様々な実験パラダイムとDBS治療患者に提案されたプロトコルの適用性を強調表示します。
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Protocol
DBS手順および侵襲性の記録は大学クリニックデュッセルドルフ、ドイツの倫理委員会によって承認されました。
1.実験パラダイムデザインと患者の同意
注：実験パラダイムを設計したり、関心の認知/感情的な側面を標的とするために、既存の実験パラダイムを選択します。
- DBS-治療を受ける患者を選択します。 DBS-患者が研究の包含基準を満たしているかどうか確認して下さい。はい、それぞれの認知パラダイムの術後の記録とアプリケーションを実行するために、患者および/または倫理委員会（該当する場合）から署名されたインフォームドコンセントを取得した場合。
注：術後の記録は、最初のDBSの手術は（一緒に特別なケーブルを用いて頭からそれに対応する外在付き）DBS電極移植のために行われた後、次の日に行われますし、第二の手術前に行わrを取りますDBS電極と刺激の永久的な移植をegarding。- フランカータスク（例1）では、術後記録を行うために、運動障害（ 例えば 、ハンチントンまたはパーキンソン病）の患者から署名されたインフォームドコンセントを得ます。フランカー実験の目的は、動作をエラーにし、皮質と皮質下レベルで脳の振動の活動に反映されているか、そのような適応を決定するために適応するための患者の能力をテストすることです。
注：患者の選択は、認知対処するためのメカニズムと、患者の障害によって決定されます。 DBS-DOCケース-例（実施例2）では、38歳の時に頭部外傷に苦しんで女性DOCの患者を選択しました。そのため、インフォームドコンセントを制限する患者の状態の、DBS治療と実験参加はもっぱら地域倫理委員会によって承認されました。 DOCの術後記録の主な目的は、かどうかを決定するました認知感情の処理に関連した脳機能は、まだ意識のような厳しい障害を有する患者において無傷でした。
- フランカータスク（例1）では、術後記録を行うために、運動障害（ 例えば 、ハンチントンまたはパーキンソン病）の患者から署名されたインフォームドコンセントを得ます。フランカー実験の目的は、動作をエラーにし、皮質と皮質下レベルで脳の振動の活動に反映されているか、そのような適応を決定するために適応するための患者の能力をテストすることです。
- （聴覚、視覚）提示する刺激の種類の間で選択します。刺激提示（ブロックまたは混合設計）の順序を特定します。刺激の持続時間、相互刺激間隔（ISI）と試行回数を選択します。
- 実用的な一例として、応答エラーのコミットメントに応じて動作を適合させる能力を調べるために、フランカータスク（実施例1、 図1A）を行います。このタスクでは、視覚刺激（垂直に配置された隣接した矢じり）で構成されています。
- フランク同じ（互換）または反対（互換性のない）方向に向いて隣接する二つの矢印（ターゲット上および下）によって標的刺激（センター内の矢印）のいずれかが、さらに試験（中央の円）を停止することを検討してください。
- 左または右にターゲットを提示し、RESを押して参加者を頼みますその左または右の親指でponseボタン。ストップ試験では、応答しないように、参加者に指示します。 200ミリ秒ターゲットの前に存在フランカー。 300ミリ秒のターゲットを表示し、2000ミリ秒（経過時間がキュートーンによって示される）に応答刺激間隔を設定します。このタスクで120の刺激それぞれの4つのブロックの合計を提示します。現在、（60％）の互換性（20％）互換性がないと停止-試験（20％）の刺激をランダムに。
注：刺激間隔のこの値は、モータ無効患者を考慮した場合逃し試行多数のを回避するために選択しました。フランカーとターゲットを同時にオフに切り替えました。患者はできるだけ迅速に応答するように指示しました。
注：（実施例2、 図1B）DBS-DOCケース-例では、実験的なパラダイムは、中性非アドレッシングとおなじみのアドレッシング音声がブロックデザインに26を刺激から成っていました。刺激持続時間は（無作為化4 5秒間刺激間隔で）4秒にアップしました。 TOT条件につき80試行のアルは、このパラダイム（ 図1B）であると考えられました。
- 術後設定記録中に患者の物理的な制約やニーズを想定しています。患者が過剰舞踏病の動き（ハンチントン病）または振戦（パーキンソン病）の存在を考慮して、コンピュータのキーボードを利用することができる場合は具体的には、決定します。
- 患者がモニタを参照してください（局所麻酔またはDBSの手術中に適用される定位ヘッドフレームが顔にし、目の周りの腫れ起こしたことがあるように）、全実験期間中に快適に座ることができていることを確認してください。患者がこれらの条件を満たしていない場合は、実験を行わないでください。
術後皮質下（LFPS）と表面（EEG）録音2.セットアップ
- ワット部屋に（補足ファイル内のマテリアルを参照してください）EEG機器を設定しますここで実験を実施します。 EEGシステムに記録コンピュータを接続します。 （補足ファイルの「材料」を参照）脳波記録ソフトウェアを起動します。
- 指定することにより、脳波記録ソフトウェアでワークスペースを定義するには、「ファイル」、次に「新規ワークスペース」をクリックしてください：5 kHzの低域カットオフ（DC）と高いカットオフ周波数（千ヘルツ）、EEGチャンネルのサンプリング周波数を（国際10/20システムによれば、少なくとも：（Fzの）前頭中央、セントロ中央）のCz（、前頭極の基準（FPZ）とグランド（乳様突起）とパラダイムさらに頭頂中央に応じて（PZ） 、後頭中央（オズ）、時間（T3 / T4）、前頭内側（F3 / F4）、前頭側方（F7 / F8））（ 図2D）とLFPチャンネル（LFPL 0、LFPL1、LFPL2、LFPL3（左半球、 図2C）; LFPR0、LFPR1、LFPR2とLFPR3（右半球））。指定されたチャンネルは、今記録用に設定されていることを確認するために、「モニター」をクリックします。
注：PRワークスペースの事前eparationは、実験時間を最小にし、記録の設定で予期しない変更を監督するために推奨されます。最高の時間分解能、正しいフィルタ設定、適切なサンプリングレートと金利のチャンネルの適切な選択を確保することをお勧めします。 - EEGシステムにパラレルポートを接続することにより、刺激のコンピュータをセットアップします。刺激ソフトウェアを起動します。コンピュータのモニタ上のパラダイムの機能（視覚刺激）および/またはスピーカ（聴覚刺激、音の合図）を確認するために「実行」をクリックしてください。刺激コンピュータから確認してくださいマーカー（トリガー）が刺激と脳波記録ソフトウェア上でその外観をチェックすることにより、対象の応答のプレゼンテーション中に記録システムに読み込まれます。
注：（5 kHzのサンプリングレート）EEGシステムによって検出されるように、少なくとも200マイクロ秒の持続時間を持っている必要があります刺激装置からのトリガ。トリガーはイベント-RELAのマーカーであるので、テッド・イベントまたはそれらの機能は、事後データ分析のために重要である特定の期間に発生する誘発関連の活動。 DBS-DOCケース-例（実施例2）では、実験的なパラダイム（ 図1B）は、トリガが提示され、各刺激の最初と最後に設定したように、聴覚刺激（おなじみのなじみのない声）から構成されていました。 1）フランカーとターゲット刺激が2）患者が応答し、3）キュートーンは、応答時間ことを患者に知らせるために聞いた、登場時フランカータスクの場合には（ 図1A）トリガーが瞬間に設定しました経過しました。 - スキンマーカーペンを使用し、経験豊富な神経科医やEEGの専門家のアドバイスに従うことによってナジオンとイニオン間の中間点として、患者の頭の頂点をマークします。さらに、10月20日システムを使用して、選択された脳波電極の位置をマークします。最初isopropで選択した各場所を洗浄することにより、頭皮に脳波の表面電極を取り付けイルアルコールパッド及び研磨ペーストを使用した後。
注：このようなアクションはDBS患者の頭に包帯を配置することによって拘束されています。しかし、経験豊富な神経科医は、各電極/チャネルに適した（おおよその）場所を定義することができるはずです。方法（該当する場合）のうち適切な接触移動髪を確保するために。外科手術用テープで固定した自己接着性電極の使用は、配置の容易さに使用されるかもしれません。 - 経皮的拡張に外部化DBS電極を接続します。外部ケーブルコネクタへの経皮的拡張を接続します。脳波記録のセットアップに応じて脳波コントロールボックスに外部ケーブルコネクタによって提供される各電極を接続します。第1の接地および基準を差し込むことにより、脳波コントロールボックスに脳波頭皮電極を接続します。
- 最初のイソプロピルアルコールパッドでエリアを清掃することにより、指定された筋肉でEMG電極（参照およびアクティブ電極）を取り付けます。脳波コントロールボックスにEMG電極を接続します。
注：このステップはオプションと運動課題はパラダイムに考えた場合、または運動障害を有する患者の場合のように筋肉の活動を監視するために必要とされるときに主に行われています。 - データを視覚化するために「モニター」をクリックします。モニタに表示されたEEGおよびEMG信号は、ジッタの存在を検出することにより、アーチファクトフリーであり、高周波成分を重畳していることを確認します。あなたは、このような生理学的記録の中に存在する妨害の種類に慣れるまで、35および/ または経験豊富な神経科医や神経科学から技術的なアドバイスを要求記録脳波信号に関連する成果物の種類やその他の要因についてのガイドラインを確認してください。
注：このステップは、オフラインデータ分析のための高品質な信号を確保することが重要です。
3.術後の記録皮質下（LFPS）と表面（EEG）脳活動
- 患者に指示を与えます。 PAを確認してくださいtientは快適で、不快感のいずれかの時点で実験を停止するために彼/彼女を指示します。
- 患者がモニターにパラダイムを参照および/またはキュートーンやサウンドを聞くことができるように、刺激ソフトウェア上で「実行」をクリックしてください。彼/彼女はタスクと快適になるまで、患者とのトレーニングセッションを実行します。患者は実験タスクを実行しながら、皮質下（LFP）および皮質（EEG）脳活動の同時記録を開始します。
注：（ 図1B）に記載のようにDBS-DOCの事例（実施例2）の場合にはパラダイムは、ブロック設計において聴覚刺激からなっていました。フランカータスク（ 図1A）の場合、3つの条件（（60％）の互換性互換性がない（20％）とストップ試験（20％））に対応する視覚刺激は、各ブロック（混合デザイン）内にランダムに提示されました各ブロックは、120の刺激からなり、パラダイムは、4つのブロックの合計で構成されていました。タスクが完成した後、データは、後でオフラインスクリーニング及び定量分析のための記録のコンピュータのハードディスク上に格納されています。
4.データ解析
注：脳波解析ソフトウェアを使用して、ステップ：
- （補足ファイルの「材料」を参照）脳波解析ソフトウェアを開き、フォルダパス（生、歴史やエクスポート）とデータの名前を指定することによって記録されたデータを可視化するために「新規作成」をクリックします。興味のあるチャンネルを選択し、「編集チャンネル」をクリックしてください。必要に応じてチャンネルの名前を変更します。
- 隣接するDBSの連絡先を参照し直すため、左右の半球のための仮想バイポーラ連絡先を作成する「チャンネルプリプロセス」とし、「新規の参照」をクリックしてください。 EEGチャネルのための仮想モンタージュを作成するには、このプロセスを繰り返します。
注：バイポーラ再参照モンタージュは、体積伝導の影響を最小限にし、記録された信号の空間的な信頼性を向上させることが重要です。 DBS-DOC cの場合にはASE例（例2）は、以下のバイポーラチャネルがセットアップされたDBS：LFPL01、LFPL12、LFPL23、LFPR01、LFPR12、LFPR23およびEEG：Czを/ Fzを、装甲/ Czに、オズ/ Pzの、T3 / Czに及びT4 / Czを。 MEGは、信号が基準フリーで記録しながら、EEG信号が共通の枠組みの中で、真の非任意のゼロ値信号を設定するために参照する必要があることを強調するために価値があります。既存の脳波参照系は、次のとおりのCzやFPZ参照、両耳上の電極間の平均、平均基準（チャンネルのすべてを考慮して）、二次元またはシングル乳様突起の基準と雑音基準を。データ解析のために、異なる再参照の配置を利用することができるDBS及びEEG信号の時間 - 周波数結合分析をターゲットとする場合、例えば、双極接点が適切です。 - モータジッタや機器障害に重点を置いた生理や機器関連成果物のデータをスクリーニングするために、「生データの検査」をクリックしてください。アーティファクトが存在するマークセグメント。
NOTE：DBS外部化、リードを介して頭皮の活動と同時に皮質下の活動を記録すると、EEGは、現在の努力は信号対雑音比を向上させることに向けられているいるようなMEGなどの手法よりもノイズアーティファクトをより強固な表示されます。運動障害を有する患者は、舞踏病などの不随意運動に苦しむと記録された信号でモータジッタリングアーチファクトの出現を振戦ことにより会計処理される必要があります。その他の外乱はまばたきや機器関連の成果物に起因するものです。 DBS-DOCケース例（例2）に着目し、アーティファクトの検査は目視検査によって行われたとアーティファクトを手動でマークしました。いくつかの成果物が指定された基準で認識されないことがあり、自動アーティファクト検査モードの唯一のアプリケーションが推奨されていません。 - ノッチフィルタを指定するには、「データのフィルタリング」とし、「IIRフィルタ」をクリックしてください：具体により50Hzの（電力線アーティファクトを扱う）とバターワースゼロ位相フィルタLowとHighカットオフパラメータをfying。指定された周波数に記録された信号をダウンサンプリングし、また、補間タイプを指定するには、「変更サンプリングレート」をクリックしてください。
- DBS-DOCの例では、低カットオフを設定：1.0000 Hzの、時定数：0.1592s、スロープ：48デシベル/ 10月。高いカットオフ：80.0000 Hzで、時定数：0.1592秒、48デシベル/ 10月とスプライン補間を使用して、512 Hzまでの周波数をダウンサンプリング。
注：必要に応じて、カスタマイズされたスクリプトによってフィルタリングを行うに基づいてよく知られているオープンソースのスイート：Fieltrip（http://www.fieldtriptoolbox.org/）、EEGLab（http://sccn.ucsd.edu/eeglab/）とSPM8（ http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/）。第一の場合には、サンプルスクリプトは、（http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing）に設けられています。他のスイートには、このステップを実行するための詳細なドキュメントを提供しています。
注：任意の時点でダウンサンプリングはナイキストの定理によれば、さらなる分析のために利用可能である周波数空間が制限されます。 80ヘルツまでの周波数帯域を考慮するとDBS-DOCのケースの例を考えると、512ヘルツの選択されたサンプリング周波数が適切です。
注：別の方法として、カスタマイズされたスクリプトによってダウンサンプリングを行うに基づいてよく知られているオープンソースのスイート：遠足（http://www.fieldtripbox.org）、EEGLab（http://sccn.ucsd.edu/eeglab）とSPM8（ http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/）。第一の場合には、スクリプトの例は、（http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing）が設けられています。他のスイートには、このステップを実行するための資料を提供しています。
- DBS-DOCの例では、低カットオフを設定：1.0000 Hzの、時定数：0.1592s、スロープ：48デシベル/ 10月。高いカットオフ：80.0000 Hzで、時定数：0.1592秒、48デシベル/ 10月とスプライン補間を使用して、512 Hzまでの周波数をダウンサンプリング。
- その後、「エクスポート」と「汎用データ」をクリックして、目的のエクスポートバイポーラチャンネル。 [エクスポートデータの「エクスポート」をクリックしてマーカー（トリガー）と「マーカー」。 「TXT」形式を選択することで、エクスポートするファイルに名前を付けます。
注：ファイル（.txt）の多重化形式でチャンネルをエクスポートしても、お勧めすることが示唆されている次のステップに遠足のツールボックスを使用するにはedはエクスポートされたチャネルに関する情報を含む「vmrk」ファイルを含めます。また、ステップ4で選択した悪い間隔に対応するマーカーをスキップするオプション）が提供されている間、エクスポートマーカーのためのファイル（.txt）形式を使用することが提案されています。
注：遠足を使用して、ステップ：
- MATLABを起動し、それがデフォルトで実行されていない場合には遠足フォルダのパスを追加する」に設定したパス」をクリックしてください。
- （実行して、遠足内の機能と互換性のあるセル・アレイ構造に以前に前処理データおよびマーカーを入れてスクリプト1-補足ファイルを指定するために逃すことなく）：ステップ7からのEEGとLFPファイルを含むディレクトリ、チャンネル名、サンプリング周波数、サンプル時間、試験。 （必要に応じて）「コメントを解除」によって示されたコードをアーティファクト拒絶反応を実行します。このスクリプトはNEXで使用される、指定したファイルにデータを保存しますtステップ。
- 実行して（目的のチャンネルのためのLFPのスペクトルパワーを計算するスクリプト2-補足ファイルを指定するために逃すことなく）：によって生成されたファイルを含むディレクトリ（スクリプト1）、方法（ウェーブレットまたはmtmconvol）、ウィンドウの幅を、対象となる周波数（FOI）、関心のある時間の期間（TOI）、および周波数ベースライン補正（オプション）。統計分析し、所望のp値のタイプを定義します。
注：DBS-DOCのケース例（実施例2）では、電力解析は、刺激ロックウェーブレット時間周波数分析を考慮して行った（モレットウェーブレット（幅= 5））ハニングテーパー、4-80ヘルツの周波数範囲-1 4秒の間の時間期間。ウェーブレットは、時間と周波数に可変解像度を持っていることによるもの。ウェーブレットを選択した場合、我々は時間的およびスペクトル分解能の間のトレードオフを決定します。具体的には、モレットウェーブレットは、正弦波形状の重みを持っています時系列における局所振動成分を捕捉可能ガウシアンカーネル編。小さい幅のパラメータを作ることは周波数分解能とその逆を犠牲にして時間分解能が向上します。ウェーブレット持続時間が= 40 F用の幅/ F /π（に等しいながら与えられた周波数Fにおけるスペクトル帯域幅は、x 2、F /幅（F = 40 Hzで、幅= 5のためのスペクトル帯域幅は16 Hzで）に等しいです。 Hzで、幅= 5ウェーブレット持続時間は39.8ミリ秒です）。クラスタベースの（時間および周波数変数）ランダム化アプローチは条件（両側検定で0.05のpレベル）39との間に統計的分析に使用しました。このステップを実行することによって得られた出力の例としては、図4Aおよび図4Dを見て下さい。時間 - 周波数応答解析は、オープンソースソフトウェアの遠足（http://www.fieldtriptoolbox.org/）に基づいてカスタマイズされたスクリプトによって行われました。このステップ缶を達成するためにスクリプトをカスタマイズする方法についての具体的な詳細http://www.fieldtriptoolbox.org/reference/ft_freqanalysisで見つけること。 - （実行して、皮質下と皮質信号間のコヒーレンスを計算するスクリプト3-補足ファイルを指定するには、忘れずに）：セグメントの長さ、割合をオーバーラップし、対象となる周波数。統計分析のためのように分析し、所望のp値のタイプを指定します。
注意：Coherenceの分析は、振幅40の一定の比率で2つの時系列間の線形関係を測定します。 DBS-DOCのケース例（実施例2）においては、50％のオーバーラップで1秒のセグメントは、1と25ヘルツの間の周波数間隔を中心にコヒーレンスを計算するために使用しました。クラスタベースの（時間および周波数変数）ランダム化手法はコヒーレンス（両側検定で0.05のpレベル）41の中に、対象分析のために使用しました。さらに、コヒーレンスの虚数部は42を算出しました。
バシコヒーレンス解析のためにスクリプトをカスタマイズするには、cの手順は（http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/coherence）に記載されています。このステップを実行することによって得られた出力の例としては、図4（b）をご覧ください。 - 参照43で補助的なファイルとして入手可能なソフトウェア実装を実行して、クロス周波数位相振幅カップリング（PAC）を計算します。
注：DBS-DOCの事例（実施例2）では、クロス周波数解析PACバイポーラチャネルの異なる組み合わせに対して記録全体フリーアーティファクトを用いて計算しました。非有意カップリング（：0.1 P-レベル）をゼロにアップを設定しながら、それは別の統計的なレベルで重要なカップリングの決意を有効にするので、特に、正規化された直接のPAC（ndPAC）43が好まれました。結果として、位相と振幅の結合のための周波数範囲は、それらの重要性に基づいて選択することができます。 DBS-DOCの事例では、位相周波数範囲WAと考え振幅周波数範囲は35から80 Hzに設定している間に3-22 Hzのです。 PAC分析のために選択しLFP-EEGチャンネルは、ステップ5.5で行わコヒーレンス解析に基づいてLFPR23とEEGFzPzました。このステップを実行することによって得られた出力の例としては、図4Cをご覧ください。
図1：（非互換）のいずれか標的刺激（センター内の矢印）（ターゲットの上下に）隣接する二つの矢印が隣接している同じ（互換）、または反対に向い：フランカータスクは（実施例1）（A） 実験パラダイムのサンプル方向は、停止試験（中央の円）も考慮されました。ターゲットが左または右に指摘されると、参加者はそれぞれ自分の左または右の親指で応答ボタンを押す必要があり、ストップ試験で参加者が応答しないように指示されています。フロリダ州ここで使用nkerタスクは、教授C. Besteと彼のグループ（謝辞を参照してください）によって最初にプログラムされたバージョンから変更されました。 DBS-DOCケース-例で使用されている（B）（実施例2）感情的な認知音声パラダイム。 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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Representative Results
DBS-DOCケース（例2）については、我々は今、DBS注入にターゲットローカリゼーションに関するデータを提供し、LFP電極およびEEGの模式図は、EEGとLFP活動（生データ）と、代表的な分析結果の代表的な録音を設定します。
図2Aは、解剖学的ア トラス36に投影された計画軌道（黒線）、セクション30、冠状動脈を示し、前交連（AC）（赤線：AC-PC平面）の背後に10.7ミリメートル。 = IML内部髄質ラミナ視床およびRT =網状視床核を持つ：レッド円は、最下層の15ミリメートル（10ミリメートルアトラスグリッドサイズ）の対象地域をマーク。 VA = ventroanterior視床核、AV =前腹側視床核、AM =前内側視床核、ファ= fasciculosus核、IthA =視床間の接着。
図2Bは 、最終的なエルを示しています3Dアトラス37上で可視化し、中央視床でectrode。アトラス38によるCTスキャンと3Dアトラスの登録後の右半球における電極の軸線に沿った断面の直交する2つの面。電極（青丸）の4つの接点は、右視床（R-サール）に位置していました。 GPiの=内部淡蒼球は、STN =視床下核は、ZIは、不確帯、RPT =網状perithalamic核、RN =赤核を=。
図2Cは、DBS電極の概略図を示します。電極接点は、各半球のための3つのバイポーラLFPチャンネル（LFPL01、LFPL12、LFPL23、LFPR01、LFPR12、およびLFPR23）、その結果、オフライン再参照しました。 DOCケース-例では、記録時に使用される電極とのEEG電極モンタージュ（10-20）（Fzを、Czに、装甲、オズ、T4、T3およびFPZ）（ 図2D）
図3Aは、バイポーラチャネルに対応する典型的なEEG記録を示しています。T4Cz、T3Cz、PzCz、OzPzとFzPz中立ノンアドレッシング状態の場合（左）とおなじみのアドレッシングconditi上（右）。
ノンアドレッシング状態（左）とおなじみのアドレッシング条件（右）の場合はLFPL23とLFPR23： 図3Bは、バイポーラチャネルに対応する典型的なLFPの記録が表示されます。
図3：。（例2からの）代表的な録音 （A）図は、EEG recordings.Theの図は、EEGは、（チャネルの再参照の詳細については4.2を参照）バイポーラチャネルに対応するトレース示して示しています。 （B）図は（チャネル再参照の詳細については4.2を参照）LFP recordings.Theの図は、LFPは、左右半球の場合のバイポーラチャネルに対応するトレースを示し示している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。この図。
おなじみの中立アドレッシング対を対比するとき、中央視床内の振動活動の刺激ロック変調の分析は、第一、第二（0.45〜0.55秒）以内にベータパワーの右側に有意（P = 0.044）増加（12月25日Hz）を明らかにしました-addressing条件（ 図4A）。
チャンネルPzCz（EEG）とLFPR23（右半球）の間のコヒーレンス解析は、シータ帯域での条件の間に有意差を明らかにしました。また、コヒーレンスの虚数部は、LFPおよびEEG（ 図4B）との間の位相遅延を示す、ゼロからの偏差を示しました。ローカル分析は、おなじみのアドレス指定の条件（ 図4C）で右ローカルLFPチャネル（LFPR23-LFPR23）のために（5〜75 Hzで最大と。）有意な（P = 0.01）シータガンマPACを明らかにしました。
図4D、トップを）明らかにしました。 40 Hzの周りのガンマ（緑の円/楕円）は80ヘルツ（ 図4D、トップ）までの広いと高いガンマが続いていることも注目されます。 4-6.5 Hzから期間2.6から2.8秒（赤い円）、LFPL23にした（p = 0.048）、ならびにLFPR23に増加傾向でおなじみのアドレッシング条件の大幅なシータ増加が明らかにされた（ 図4D、ボトム） 。
図4：時間-周波数電力解析（実施例2から）EEG-LFPコヒーレンス （A）ローカル振動パワー第一、第二のためにおなじみのアドレッシング条件に対する中立対照的な;。カラーコードは、t値を表します。トップ：リットル EFTチャネルLFPL23。下：右チャンネルLFPR23。 12月25日Hzで重要なベータ増加した（p = 0.044）、0.45から0.55秒（赤い円）。 （26から許可を得て変更されました）。 （B）身近なアドレス指定の条件（赤線）と中性非アドレッシング条件（青線）。 Coherenceには、持続時間0-4秒でエポックから独立した1秒セグメントに計算され、すべてのセグメントにわたって平均しました。トップ（左）：チャネルLFPL23左半球とコヒーレンス、トップ（右）：チャンネルLFPR23右半球とのコヒーレンス。条件間の有意差（p = 0.044）は、チャネルPzCz、5-6ヘルツと一貫性のための赤い円/星で示されています。下：LFPR23右半球とチャネルのCz（緑色の丸）との間のコヒーレンスの虚数部はLFPと脳波との間の位相遅れを意味し、ゼロからの偏差を示している（したがって、体積伝導によるものではない影響を与えます）。 （26から許可を得て変更されました）"_blank">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。
図4C：。（ 例2からの）位相振幅カップリング（PAC）PAC位相周波数3-22 Hzの振幅、周波数35-80 Hzのため。色は、正規化された直接の位相・振幅クロス周波数結合（ndPAC）をコードします。スプリアスカップリングは0（P = 0.01）に設定されています。条件：左：ニュートラル、右：おなじみのアドレッシング。トップ：最大精通アドレッシング状態でPACを示す右側ローカルLFPチャネルLFPR23-LFPR23のPAC。 5-75 Hzの（赤い円）で。下：LFPR23-EEGPzCzと右LFP-EEGの組み合わせのPAC。 （26から許可を得て変更された） 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。
図4D：LFP 時間-周波数解析（実施例2からの）時間LFP23でのローカル電源の周波数が変化するプロット。 TOP：トライアル（0-4秒）の期間にわたっておなじみのアドレス指定状態のベースラインからの電力差。左：広い周波数帯域5-80 Hzで、右：ガンマバンド。一番上の行：左半球（LFPL23）、下段：右半球（LFPR23）。 LFPL23上4-6.5 Hzから期間2.6から2.8秒（赤い円）でお馴染みのアドレッシング条件の大幅なシータの増加を示した条件間の統計は対照的に、p = 0.048およびLFPR23上（トレンド）を大きく：BOTTOM。カラーマップは、t値を符号化します。トップ：左半球（LFPL23）、底：右半球（LFPR23）。 （26から許可を得て変更された） 時間をクリックしてくださいこの図の拡大版を表示するには、ERE。
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Discussion
頭皮EEGおよびMEGのような非侵襲的脳記録技術とは対照的に、提案された組み合わせの侵襲性及び非侵襲性の神経生理学的記録のフレームワークは、認知、感情的なタスクに関連する皮質および皮質下の領域から情報を抽出する顕著な機会を提供します。そのような情報は、44の機能する複数の周波数帯域および脳に関連する組織のさまざまなレベルで脳の振動活動によって反射されます。私たちの記録フレームワークに関連する脳の振動パターンは、次のとおりです。皮質下の振動活動（LFPS）、特定の周波数帯域上の皮質と皮質下の地域での活動との間に直線的な相関関係の変化を示す皮質 - 皮質下コヒーレンスの変化、皮質下の位相・振幅のカップリング（PAC）を位相相結合（PPC）。具体的には、PAC及びPPCの関連性は、異なる周波数帯域の振動との間の関係と相互作用のように強調されています脳機能を理解するのに有用であることが示されています。 PACの場合、低周波振動の位相は、従って、より遅いリズムの位相の速いリズムの振幅エンベロープの同期生じる高周波振動の力に関連しています。 PPCは、低周波1 45の高周波発振およびmサイクルのnサイクルの間の振幅の独立した位相ロックを表します。皮質/皮質下のDBS-DOCケース例（例2）に着目し、分析がシータに増加視床皮質コヒーレンスと一緒に中央視床内のベータとシータ帯における振動活動の変調を明らかにしたおなじみのアドレッシング音声条件のデータを記録しましたバンド。また、シータ相 - ガンマ振幅カップリングは、局所的に視床内で明らかになりました。これらの知見は、感情や認知処理における視床の関与をサポートするだけでなく、機能の股関節を強調するだけでなくトンは、慢性DOC患者に無傷であり、それはそのような患者26内の意識の状態の評価に有用である可能性があります。
方法論的に、我々の2つの例により例示されるように、感情的、認知処理に関連して、皮質・皮質下の脳活動の記録および分析のために最も関連する手順は次のとおりです。
1）実験パラダイムの設計、彼/彼女は最大化しながら、彼/彼女の完全性を損なうことなく、研究に指定されたタスクを実行できるようになることを保証し、術後の設定で考慮患者のニーズと制約を取ることによって、実験終了の成功のチャンス。
2）術後の記録を行うために、患者、患者の家族や倫理委員会から署名されたインフォームドコンセントを得ます。 DBS-DOCの事例では（例2）の承認を単独による患者への倫理委員会から得ました。sの無意識の状態（昏睡）。運動障害を有する患者の場合には同意は、患者から直接得られました。
3）皮質下のLPFと皮質M（EEG）活動の同時記録のための適切な実験設定の定義。 EEGの場合、我々は強調する：患者の頭皮上の脳波チャンネルモンタージュと電極配置の適切な選択とセットアップを。特に、電極配置は、DBS手術後の患者の頭に起因する包帯の存在に挑戦することができたので、プロの脳波や神経科医のアドバイスは非常に適切な配置のために推奨されます。患者（EEG-アンプの「オフラベル」使用）の脳に直接送られる任意の電流を防止するために、任意のインピーダンス制御チェックを実行しないことをお勧めします。多くのEEGシステムにおけるインピーダンスチェックのモードが生じる電圧とimpedanので、すべての取り付けられた電極を通過する小電流を利用することに注意してくださいCESは、オームの法則によって推定されています。適切な記録サンプリングレート及び周波数帯域の選択は、主にEEG機器の機能、サンプリングレートは、（帯域幅制限された信号中のエイリアス周波数を除去するために必要なことを示す研究とナイキストサンプリング規則の下で調査質問、などの要因によって決定されますハーフナイキスト・レートに等しい値に）信号に2倍の最高周波数成分が存在します。
適切なソフトウェアツールの4）選択：DBS-DOCデータの定量分析（実施例2）のすべての計算は、オープンソース・スイート46と自己カスタマイズされたスクリプト（補足ファイルを参照）は、商業的な解析ソフトウェアによって行われました。オープンソース・ソフトウェア・ツールの利点は、（一般的なライセンス帰属下）は、既存のスクリプトを変更し、組み合わせることにより、自分の解析パイプラインをカスタマイズするための機会です。しかし、ミリアンペアのように、より深い理解を行うために、信号処理およびプログラミングのthematical基礎が必要とされています。また、このようなカスタマイズされたパイプラインによって処理されたデータは、特定のスイートに必要なフォーマットに準拠する必要があります。商用ソフトウェアツールの場合には、データの処理が可能な限り直感的な各処理ステップを行い、グラフィカルインターフェイスによって容易にされるが、ユーザーがアルゴリズムを変更する能力が制限されているソフトウェアに含ま。現在のプロトコルによって例示されるようにデータ限りがあるシステムから別のシステムへ互換性のある方法でエクスポート（インポート）することができるように、商用およびオープンソースソフトウェアツールの組み合わせが実りあります。
5）制限と変更：提案侵襲的/非侵襲的記録フレームワークは、その使用および提供録音の両方に制限があります。臨床技術として、それは、特定の医学的状態および脳ターゲットのDBS治療を受ける患者、スタッドのために考慮結果として脳の領域に向けられていますyは手術計画によって制約されます。この技術によって提供される録画の空間分解能は、LFP電位のレベルであり、従って、マルチスケールレベルでの脳活動の分析を必要とする医学的翻訳研究は、単一細胞レベルでの記録を伴う動物研究によって補完されなければなりません。それは、単一事例研究を扱うようDBS-DOCケース-例（例2）に関しては、制限は、得られた結果の一般化にも関係します。
可能な修飾とフランカータスク（例1）のトラブルシューティングには、指定された時間内に反応する患者の不能に関する応答刺激間隔（> 2000ミリ秒）の拡大が含まれます。これは、認知および感情低下と共にぎくしゃく不随意運動を特徴とするハンチントン病患者の場合に特に重要です。また、もともと120刺激の4つのブロックからなるタスク（EACH）ため、疲労を継続することにより、患者の無力に短縮することができます。この点で、物理的な状態および年齢は、患者の選択のための決定要因の要因であろう。
提案された侵襲的/非侵襲的脳記録アプローチは、認知と感情パラダイムに関連する皮質 - 皮質下レベルで脳の振動パターンを抽出するための強力なツールを表していないだけであると結論付け、だけでなく、時間 - 周波数位相の重要性を強調され、異なる空間的および時間的な分解能で、脳の同期パターンを抽出するために分析します。この技術の将来のアプリケーションは、運動障害を患っている患者だけでなく、DOC、OCD、うつ病や認知症などの精神疾患だけでなく、標的とすることによって、認知と感覚処理の皮質 - 皮質下の神経相関の研究が含まれています。
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Disclosures
著者は、彼らが競合する金融利害関係を持たないことを宣言します。
Acknowledgments
この作品は、ERA-NET NEURON / BMBFドイツ（タイモン）によってサポートされていました。出版料は大学病院デュッセルドルフからの助成金で覆われています。ここで使用フランカータスクは、教授C. Besteと彼のグループ47によって最初にプログラムされたバージョンから変更されました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| BrainAmp Amplifier | Brain Products GmbH, Gilching Germany | Quantity: 2 | |
| BrainVision Recorder Software | Brain Products GmbH, Gilching Germany | 1 License | |
| BrainVision Analyzer Software | Brain Products GmbH, Gilching Germany | 1 License | |
| Fiber Optic cables and USB connectors | Brain Products GmbH, Gilching Germany | These come with the above listed equipment | |
| Electrode Input box (64 channels) | Brain Products GmbH, Gilching Germany | Quantity: 1 | |
| EEG gel | Natus Inc | Quantity: 1 | |
| Isopropyl alcohol | Schülke & Mayr GmbH, Germany | Quantity: 1 | |
| Skin preparation gel | Weaver and Co, USA | Quantity: 1 | |
| MATLAB | Math-Works, Natick, Massachusetts, USA | 1 License | |
| FieldTrip toolbox | http://www.fieldtriptoolbox.org/ | Open Source | |
| Macroelectrodes (model 3387 quadripolar DBS lead) | Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA | Quantity: 2 | |
| Sterile percutaneous extension wires (model 3550-05) | Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA | Quantity: 2 | |
| Twist lock cable (model 3550-03) | Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA | Quantity: 2 | |
| custom made connectors to DIN 428092 touch proof connectors | Quantity: 2 | ||
| Vercise Lead kit DB -2201 | Boston Scientific | Quantity: 2 | |
| Contact extension kit NM-3138 | Boston Scientific | Quantity: 2 | |
| O.R. cabel & extension SC-4100 A | Boston Scientific | Quantity: 2 | |
| connector to touch proof | Twente Medical Systems International B.V. | Quantity: 2 | |
| CT scanner Modell PQ2000 (Postoperative CT scans) | Philips Healthcare GmbH Hamburg | Quantity: 1 | |
| Presentation Software (Flanker Task) | Neurobehavioral systems Inc. | 1 License | |
| MEG System | Elekta Neuromag Inc | Alternatively | |
| High-density EEG sensor net (128 or 256 channels) | Electrical Geodesics Inc (EGI), USA | Alternatively |
References
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