Nörobilimsel Araştırma ve Gerçek-zamanlı Fonksiyonel Kortikal Haritalama İnsan elektrokortikografik (ECoG) Sinyaller Kayıt

Bu prosedürün amacı, klinik epilepsi izlemi altındaki hastalardan araştırma kalitesinde elektrokortikografik veriler elde etmek ve bu verileri gerçek zamanlı fonksiyonel haritalama yapmak için kullanmaktır. Bu işlem, öncelikle klinik izlemi tehlikeye atmadan veya kesintiye uğratmadan klinik epilepsi izleme sistemine bağlanabilen, araştırma kalitesinde bir sinyal toplama sisteminin kurulmasıyla gerçekleştirilir. Fonksiyonel haritalamanın ikinci adımı, hasta uyanıkken ancak sessizce dinlenirken bazal sinyallerin kaydedilmesidir.

Ardından, yüksek gama frekans aralığındaki beyin aktivitesini temsil eden özellikleri çıkarmak için sinyaller işlenir ve bunlar hastanın bazal beyin durumuna dair bir model oluşturmak için kullanılır. Son adımda, Siegfried sisteminin yenilik tespit algoritmaları korteksin yüksek gama aktivitesinin bazal durumdan önemli ölçüde farklı olduğu bölgelerini vurgularken, hastanın basit bilişsel veya motor görevler gerçekleştirmesi sağlanır. Nihayetinde, her bir elektrot konumundaki belirleme katsayısı, görevin gerçekleştirilmesi sırasında hangi kortikal alanların anlamlı aktivasyon gösterdiğini ortaya koyar.

Ardından, katılımları kortikal elektriksel stimülasyon haritalaması ile doğrulanır; hasta verileri, tamamlayıcı bilgiler sağlayarak stimülasyon haritalama prosedürünü kolaylaştırır ve daha az zaman alıcı hale getirir. ELEKTROKORTİKOGRAFİ veya ECoG, hastanın alışılmış nöbetlerini kaydetmek için subdural ızgara ve şerit elektrotların kullanımı ile tanımlanır. Rezeksiyon sırasında korunması gereken konuşkan korteksin bir haritasını çıkarmak için, motor işlev veya dilsel işlev gibi belirli fonksiyonlara müdahale etmeye çalışarak bu elektrotlar aynı anda bir veya iki tane olacak şekilde elektriksel olarak stimüle edilir.

ECOG, EEG veya fonksiyonel MR gibi diğer ölçüm tekniklerinde bulunmayan yüksek zamansal ve yüksek uzamsal çözünürlük kombinasyonuna sahiptir. Özellikle, çok çeşitli beyin fonksiyonlarının oldukça bilgilendirici bir korelasyonu olan yüksek gama frekans aralığında, elektriksel beyin aktivitesinin kaliteli kayıtlarını almanın tek yoludur. ECOG, ızgaraların doğrudan beyin yüzeyine yerleştirildiği invaziv bir kayıt tekniğidir; bu nedenle bir operasyon gerektirir ve yalnızca cerrahi müdahale gerektiren klinik durumlarda uygulanır.

Klinisyenler bu süre zarfında nöbet odağını lokalize etmek için yeterli bilgiye sahip olana kadar, hastalar tipik olarak yaklaşık bir hafta boyunca epilepsi izleme ünitesinde kalırlar. Hasta onay verdiği takdirde araştırmalara katılabilir ve klinik izleme sürecini aksatmadığımız sürece bu durum, araştırmacıların çalışan insan beynini kaydetmesi için eşsiz bir fırsat penceresi sunar. Bu videoda, ameliyat öncesi bir MRI ile ameliyat sonrası bir CT'yi birlikte kaydederek (coregistration) ECOG elektrotlarının nasıl lokalize edileceğini göstereceğim ve ECOG sinyallerindeki gama özelliklerine dayalı yeni bir fonksiyonel haritalama yöntemini tanıtacağım. Ameliyat öncesinde, hastanın başının dilim başına 256 x 256 piksel, tam görüş alanı, interpolasyon olmadan, 1 mm dilim genişliğinde ve tercihen sagital dilimlere sahip T1 ağırlıklı yapısal MRI görüntüsünü elde edin.

Ardından cerrahi gününde, grid ve şerit elektrotların cerrahi implantasyonunu gözlemleyin ve elektrotların in situ dijital fotoğraflarının yanı sıra beyin cerrahının implante edilen bölgelere ilişkin notlarını toplayın. Ameliyattan sonra, ciltten cilde yüksek çözünürlükte, bir milimetre kesit genişliğinde ve açısız olarak alınmış postoperatif kafatası röntgen görüntülerini ve beyin BT taramalarını edinin. Daha sonra, hastanın beyninin preoperatif MRI görüntülerinden üç boyutlu bir kortikal model oluşturmak için curry yazılım paketini kullanın ve ardından bunu grid implantasyonu sonrası BT görüntülerine korejistre edin.

Ardından, her bir elektrot konumuna sırasıyla sağ tıklayın ve lokalizasyon için "export cursor" seçeneğini belirleyin. Elektrotların 3D koordinatlarını kaydetmek için, deneğin 3D kortikal yapısını ve elektrot koordinatlarını MATLAB formatında dışa aktarın. Sonrasında, elektrotların beyin yüzeyine haritalanmış halini gösteren bir video dışa aktarımı oluşturun.

Ayrıca, otomatik bir rack atlası kullanarak elektrot koordinatlarını standart Broadman alanlarına eşleyin. 3D modelden, röntgen görüntülerinden, fotoğraflardan ve notlardan gelen bilgileri gözden geçirin. Elektrotlar için bir numaralandırma şeması belirleyin ve elektrotların ayırıcı kutulara bağlandığından emin olmak için hastane teknisyenleriyle birlikte çalışın.

Bu numaralandırmayı aynen takip edin. Ayrıca, tüm elektrot konumlarının birbiriyle örtüşmeden net bir şekilde ayırt edilebilmesi için elektrotların dizilimine yönelik şematik bir yerleşim planı oluşturun. Başlangıç topraklama ve referans olarak kullanmak üzere, muhtemel konuşma ve hareket merkezlerinden (eloquent cortex) uzakta, elektrokortikografik olarak sessiz olması beklenen iki elektrot konumu seçin.

Ardından, birbirine bağlı bir GUSB amplifikatör grubu hazırlayın. Bir tanesini seçerek bunları senkronize edin. Ana cihaz olarak, bunun sink çıkışını diğerinin S sink girişine bağlayın ve ana cihazın seri numarasını BCI 2000 olarak girin.

Cihaz kimliği ana parametresi. Yığının en sağında bulunan mavi referans soketlerini birbirine ve sarı toprak soketlerini birbirine bağlayın. Oturum başlamadan önce seçtiğiniz referansı maviye ve toprağı sarıya buradan yamalayacaksınız.

Siegfried yazılımının bir model oluşturmak için kullanacağı sinyal işleme ayarlarını içeren bir model .inni dosyası hazırlayın. Ayrıca, BCI 2000 sisteminin veri toplama ve gerçek zamanlı görselleştirme için kullanacağı parametreleri içeren bir .PRM dosyası veya ayrı .PRM fragmanları hazırlayın. Siegfried için iki temel parametre, hastanın elektrotları için seçilen 2D düzeni belirten elektrot konumları ve hangi görevlerin hangi koşullar altında eşleştirileceğini belirten elektrot durumudur.

Hasta ile geçirilen sürenin sınırlı olduğunu unutmayın. Bu nedenle, tüm prosedürlerin sağlam, optimize edilmiş ve önceden denenmiş olması gerekir. Deneysel kayıtları hastaya önermek için uygun bir an seçin; hem günün erken saatlerinde hem de oturumdan 15 dakika önce bilgilendirme yapın.

Ekipmanı hastanın yatak başına yerleştirin, ardından hastanın video monitörünü fişe takıp açın ve bilgisayarı uyku modundan çıkarın. Ayrıca, veri toplama sistemini ayırıcı konnektörler aracılığıyla ECOG ızgaralarına bağlayın. BCI 2000 yazılımını başlatın.

Ardından, görselleştirilmiş kaynak parametresi etkinleştirilmişken, görüntüleyici üzerinde sağ tıklayıp "set config" seçeneğini belirleyin ve yüksek geçiren filtreyi 5 Hz kesme frekansına ayarlayın. Not: Bu ayar yalnızca görselleştirmeyi etkileyecek, veri toplama işlemini etkilemeyecektir. Görüntüleyicide bir çentik filtresini (notch filter) etkinleştirmenin sinyalde büyük bir fark yaratıp yaratmadığını gözlemleyerek, şebeke hattı gürültüsünden kaynaklanan etkileşimleri kontrol edin.

Eğer böyle bir durum oluşursa, kullanılmayan çapraz konuşma kabloları gibi güç girişim kaynaklarını kaldırarak bunu azaltmaya çalışın. Gerekirse referans ve toprak için kullanılan elektrotları değiştirin. Bir göz izleyici kullanıyorsanız, dikkat dağıtıcı unsurları ve kesintileri önlemek ve olası sinyal girişimini en aza indirmek için üretici tarafından sağlanan kalibrasyon yazılımını kullanarak kalibrasyon yapın.

Odadaki tüm televizyonların, radyoların ve cep telefonlarının kapalı olduğundan emin olun. Deneysel oturuma öncelikle bazal aktiviteyi kaydederek başlayın. Denekten rahatlamasını ve gözleri açık bir şekilde hareketsiz kalmasını isteyin.

Ardından, GUSB amp kaynak sahte sinyal işlemesini ve stimülüs sunumunu başlatın. Görev modülleri. Sessiz bir ortamda, rahat bir aydınlatma altında altı dakikalık bazal aktivite kaydı yapın.

Ardından, her 500 milisaniyelik veri için maksimum entropi yöntemini kullanarak, 70 ile 110 hertz arasındaki beş hertzlik bantlardan özellikler çıkarmak üzere yapılandırılmış veri-model GUI aracını başlatın. Galiyum karışımları kullanarak seçilen spektral özelliklerin olasılıksal bir modelini oluşturmak için model oluştur (build model) düğmesine basın. Şimdi hastaya, bu görev kapsamında yürütülecek deneysel görev için kesin talimatlar verin.

Denek, beş tekrarın her birinde her bir görevi her seferinde 10 saniye boyunca gerçekleştirecektir. GUSB amp kaynağı Siegfried Sig Pro lava ve stimülasyon sunum görevi modüllerini başlatın ve operatörü probabilistik modeli, kortikal modeli, iki ve üç boyutlu elektrot koordinatlarını yükleyecek şekilde yapılandırın. Deneyi başlatmak ve haritalama sürecini başlatmak için operatör üzerindeki başlat düğmesine basın.

Ham veriler, durdurma düğmesine basılana veya deneysel çalışma sona erene kadar olay işaretleyicileriyle birlikte otomatik olarak aktarılır; başlatma veya devam ettirme düğmesine her basıldığında, her görev sırasında önceki verilerin üzerine yazılmasını önlemek için yeni bir dosya oluşturulur. Siegfried yazılımı, korteksin sürekli güncellenen iki ve üç boyutlu haritalarında sunulan görevle ilgili ECOG aktivitesini tespit eder. Her dairenin boyutu ve kırmızılığı, yürütülen görevdeki önemini temsil eder.

Dairelerin maksimum R kare değerlerine göre ölçeklendirilmesi, oturum boyunca kaydırıcılar kullanılarak kontrol edilebilir. Şüpheli nöbetler için hastanın davranışlarını ve ECOG sinyallerini izlediğinizden emin olun; tıbbi personeli derhal uyarmaya ve talimatlarına yanıt vermeye hazır olun. Burada, temsili bir hastaya ait örnek bir lateral röntgen görüntüsü görülmektedir.

Sarı daireler, daha sonra elektrokortikal stimülasyon haritalaması ile belirlenen ve alıcı dil ile ilişkili olan elektrotları işaret etmektedir. Burada, bu hasta için implantasyon sırasında çekilmiş bir fotoğraf görülmektedir. Bu şemalar, Siegfried haritalama sonuçlarını şematik iki boyutlu bir düzende göstermektedir.

Her bir diskin boyutu ve kırmızılığı, her bir elektrodun görevdeki katılımının bazal düzeye göre anlamlılık düzeyini temsil etmektedir ve burada aynı istatistik, hastanın MRI görüntülerinden oluşturulan üç boyutlu bir beyin modeli üzerinde renklere aktarılmıştır. Bu video, insan ECOG verilerinin araştırma amaçlarıyla nasıl kaydedilebileceğini ve BCI 2000 yazılım paketi kullanılarak gerçek zamanlı olarak nasıl işlenebileceğini göstermiştir. BCI 2000 gerçek zamanlı uygulama örneklerinden biri, fonksiyonel haritalama aracıdır.

Siegfried haritalaması, gerçekleştirilen görevlerin sayısına bağlı olarak 10 dakika içinde tamamlanabilir. Ön sonuçlar saniyeler içinde görülebilir ve her biri 10 saniye süren beş ila 10 tekrarda kararlı sonuçlar elde edilebilir. Siegfried haritalamasının avantajı, tüm ızgara boyunca aynı anda fonksiyonel ilgi sağlanmasıdır; buna karşın elektriksel stimülasyon, her bir elektrot bölgesinde akım stimülasyonu gerektirir ki bu çok daha fazla zaman alan bir işlemdir ve potansiyel olarak nöbetleri tetikleyebilir.

Hâlâ elektriksel haritalama yapıyoruz, ancak başlangıçta Siegfried kullanarak süreci büyük ölçüde kısaltan hızlı bir ön harita elde ediyoruz. Gelecekte, ızgara tasarımındaki iyileştirmelerin, epilepsi izleminin ötesinde; örneğin felçli hastalarda fonksiyonların geri kazandırılması, protez uzuvların hareket ettirilmesi ve ayrıca vokal kas felci veya ALS tipi hastalıkları olan kişilerde iletişimin geliştirilmesi gibi uygulamalara olanak sağlaması umulmaktadır.

İzlediğiniz için teşekkürler.