تسجيل الإنسان Electrocorticographic (ECOG) إشارات للبحوث العلمية العصبية في الوقت الحقيقي ورسم الخرائط القشرية وظيفي

Summary

نحن نقدم طريقة لجمع الإشارات electrocorticographic لأغراض البحث من البشر الذين يخضعون الغازية الرصد الصرع. نبين كيفية استخدام منصة برمجيات BCI2000 لجمع البيانات ومعالجة الإشارات وتقديم الحوافز. تحديدا، علينا أن نبرهن سيجفريد، وهو أداة BCI2000 مقرها في الوقت الحقيقي لرسم خرائط الدماغ الوظيفية.

Abstract

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), magnetoencephalography or functional magnetic-resonance imaging. These techniques have either inherently low temporal or low spatial resolution, and suffer from low signal-to-noise ratio and/or poor high-frequency sensitivity. Thus, they are suboptimal for exploring the short-lived spatio-temporal dynamics of many of the underlying brain processes. In contrast, the invasive technique of electrocorticography (ECoG) provides brain signals that have an exceptionally high signal-to-noise ratio, less susceptibility to artifacts than EEG, and a high spatial and temporal resolution (i.e., <1 cm/<1 millisecond, respectively). ECoG involves measurement of electrical brain signals using electrodes that are implanted subdurally on the surface of the brain. Recent studies have shown that ECoG amplitudes in certain frequency bands carry substantial information about task-related activity, such as motor execution and planning¹, auditory processing² and visual-spatial attention³. Most of this information is captured in the high gamma range (around 70-110 Hz). Thus, gamma activity has been proposed as a robust and general indicator of local cortical function^1-5. ECoG can also reveal functional connectivity and resolve finer task-related spatial-temporal dynamics, thereby advancing our understanding of large-scale cortical processes. It has especially proven useful for advancing brain-computer interfacing (BCI) technology for decoding a user's intentions to enhance or improve communication⁶ and control⁷. Nevertheless, human ECoG data are often hard to obtain because of the risks and limitations of the invasive procedures involved, and the need to record within the constraints of clinical settings. Still, clinical monitoring to localize epileptic foci offers a unique and valuable opportunity to collect human ECoG data. We describe our methods for collecting recording ECoG, and demonstrate how to use these signals for important real-time applications such as clinical mapping and brain-computer interfacing. Our example uses the BCI2000 software platform^8,9 and the SIGFRIED¹⁰ method, an application for real-time mapping of brain functions. This procedure yields information that clinicians can subsequently use to guide the complex and laborious process of functional mapping by electrical stimulation.

Prerequisites and Planning:

Patients with drug-resistant partial epilepsy may be candidates for resective surgery of an epileptic focus to minimize the frequency of seizures. Prior to resection, the patients undergo monitoring using subdural electrodes for two purposes: first, to localize the epileptic focus, and second, to identify nearby critical brain areas (i.e., eloquent cortex) where resection could result in long-term functional deficits. To implant electrodes, a craniotomy is performed to open the skull. Then, electrode grids and/or strips are placed on the cortex, usually beneath the dura. A typical grid has a set of 8 x 8 platinum-iridium electrodes of 4 mm diameter (2.3 mm exposed surface) embedded in silicon with an inter-electrode distance of 1cm. A strip typically contains 4 or 6 such electrodes in a single line. The locations for these grids/strips are planned by a team of neurologists and neurosurgeons, and are based on previous EEG monitoring, on a structural MRI of the patient's brain, and on relevant factors of the patient's history. Continuous recording over a period of 5-12 days serves to localize epileptic foci, and electrical stimulation via the implanted electrodes allows clinicians to map eloquent cortex. At the end of the monitoring period, explantation of the electrodes and therapeutic resection are performed together in one procedure.

In addition to its primary clinical purpose, invasive monitoring also provides a unique opportunity to acquire human ECoG data for neuroscientific research. The decision to include a prospective patient in the research is based on the planned location of their electrodes, on the patient's performance scores on neuropsychological assessments, and on their informed consent, which is predicated on their understanding that participation in research is optional and is not related to their treatment. As with all research involving human subjects, the research protocol must be approved by the hospital's institutional review board. The decision to perform individual experimental tasks is made day-by-day, and is contingent on the patient's endurance and willingness to participate. Some or all of the experiments may be prevented by problems with the clinical state of the patient, such as post-operative facial swelling, temporary aphasia, frequent seizures, post-ictal fatigue and confusion, and more general pain or discomfort.

At the Epilepsy Monitoring Unit at Albany Medical Center in Albany, New York, clinical monitoring is implemented around the clock using a 192-channel Nihon-Kohden Neurofax monitoring system. Research recordings are made in collaboration with the Wadsworth Center of the New York State Department of Health in Albany. Signals from the ECoG electrodes are fed simultaneously to the research and the clinical systems via splitter connectors. To ensure that the clinical and research systems do not interfere with each other, the two systems typically use separate grounds. In fact, an epidural strip of electrodes is sometimes implanted to provide a ground for the clinical system. Whether research or clinical recording system, the grounding electrode is chosen to be distant from the predicted epileptic focus and from cortical areas of interest for the research. Our research system consists of eight synchronized 16-channel g.USBamp amplifier/digitizer units (g.tec, Graz, Austria). These were chosen because they are safety-rated and FDA-approved for invasive recordings, they have a very low noise-floor in the high-frequency range in which the signals of interest are found, and they come with an SDK that allows them to be integrated with custom-written research software. In order to capture the high-gamma signal accurately, we acquire signals at 1200Hz sampling rate-considerably higher than that of the typical EEG experiment or that of many clinical monitoring systems. A built-in low-pass filter automatically prevents aliasing of signals higher than the digitizer can capture. The patient's eye gaze is tracked using a monitor with a built-in Tobii T-60 eye-tracking system (Tobii Tech., Stockholm, Sweden). Additional accessories such as joystick, bluetooth Wiimote (Nintendo Co.), data-glove (5^th Dimension Technologies), keyboard, microphone, headphones, or video camera are connected depending on the requirements of the particular experiment.

Data collection, stimulus presentation, synchronization with the different input/output accessories, and real-time analysis and visualization are accomplished using our BCI2000 software^8,9. BCI2000 is a freely available general-purpose software system for real-time biosignal data acquisition, processing and feedback. It includes an array of pre-built modules that can be flexibly configured for many different purposes, and that can be extended by researchers' own code in C++, MATLAB or Python. BCI2000 consists of four modules that communicate with each other via a network-capable protocol: a Source module that handles the acquisition of brain signals from one of 19 different hardware systems from different manufacturers; a Signal Processing module that extracts relevant ECoG features and translates them into output signals; an Application module that delivers stimuli and feedback to the subject; and the Operator module that provides a graphical interface to the investigator.

A number of different experiments may be conducted with any given patient. The priority of experiments will be determined by the location of the particular patient's electrodes. However, we usually begin our experimentation using the SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection) mapping method, which detects and displays significant task-related activity in real time. The resulting functional map allows us to further tailor subsequent experimental protocols and may also prove as a useful starting point for traditional mapping by electrocortical stimulation (ECS).

Although ECS mapping remains the gold standard for predicting the clinical outcome of resection, the process of ECS mapping is time consuming and also has other problems, such as after-discharges or seizures. Thus, a passive functional mapping technique may prove valuable in providing an initial estimate of the locus of eloquent cortex, which may then be confirmed and refined by ECS. The results from our passive SIGFRIED mapping technique have been shown to exhibit substantial concurrence with the results derived using ECS mapping¹⁰.

The protocol described in this paper establishes a general methodology for gathering human ECoG data, before proceeding to illustrate how experiments can be initiated using the BCI2000 software platform. Finally, as a specific example, we describe how to perform passive functional mapping using the BCI2000-based SIGFRIED system.

Protocol

1. قطب كهربائي ومسلم

1. جمع قبل العملية T1 مرجح التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي (1.5T أو 3T) من رأس المريض: 256 × 256 بكسل لكل شريحة، مجال كامل من الرأي، لا الاستيفاء، 1 عرض شريحة ملم، ويفضل أن سهمي المقاطع العرضية.
2. مراقبة الزراعة الجراحية للشبكات وشرائح. جمع الصور الرقمية من الأقطاب الكهربائية في الموقع، وتلاحظ في الاعصاب على مواقع للشبكات زرع وشرائح.
3. جمع ما بعد الجراحة الجمجمة صور الأشعة السينية وفحص بالاشعة المقطعية على المخ وارتفاع القرار (1 ملم عرض شريحة، والجلد إلى الجلد، أي زاوية).
4. خلق نموذج ثلاثي الأبعاد القشرية من الدماغ المريض باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي قبل العملية، وأنه شارك في تسجيل مع الصور غرس CT بعد الشبكة. نحن نستخدم مجموعة من البرامج كاري لهذا الغرض، وتصدير هيكل 3D القشرية والقطب تنسق في شكل MATLAB. من MATLAB، ونحن تصدير الفيلم الذي يظهر الأقطاب تعيينها على الدماغ. ونحن أيضا ما ف ب القطب تنسق إلى مناطق Brodmann القياسية باستخدام الآلي Talairach أطلس.
5. مراجعة المعلومات من نموذج 3D، وصور الأشعة السينية، والصور الفوتوغرافية والمذكرات. وضع اللمسات الأخيرة على نظام الترقيم لأقطاب كهربائية، والعمل مع فنيين من المستشفى لضمان مصححة الأقطاب في المربعات الخائن بعد هذا الترقيم بالضبط. أيضا إنشاء تخطيط التخطيطي للتخطيط لأقطاب في بعدين، بحيث يمكن لجميع المواقف القطب التمييز بوضوح من دون تداخل. إذا كنت تنوي تشغيل سيجفريد (انظر القسم 4)، وحفظ هذه الإحداثيات ثنائية الأبعاد كما شظية المعلمة BCI2000، في الشكل المطلوب من قبل المعلمة ElectrodeLocations. أخيرا، حدد مواقع الكهربائي اللذين من المحتمل أن تكون electrocorticographically "الصامتة"، أي أنها ليست بالقرب من القشرة بليغ المفترضة، لاستخدامها كعامل الأرض الأولية والمرجعية (إعداد g.USBamps بواسطة الترقيع الإشارة إلى مآخذ الأزرق، والأرضإلى مآخذ أصفر، وعلى اليمين المتطرف من كل وحدة).

2. الأجهزة وإعداد برامج

1. تأكد من أن مواصفات الكمبيوتر كافية للتعامل مع متطلبات تجهيز التجربة. وهناك معالجات متعددة النواة من المرجح أن تكون ضرورية لاستيعاب متطلبات الحصول على البيانات في الوقت الحقيقي وتجهيز، وتسجيل الفيديو، والمهام الضرورية الأخرى. للتسجيل والتحليل في الوقت الحقيقي من 128 قناة في 1200 هرتز، ونحن نستخدم لمدة 3 غيغاهرتز رباعية النوى مع آلة 4 غيغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي. يجب أن تكون متصلا مكبرات الصوت إلى وحدة تحكم USB مخصص، متميزة عن وحدة تحكم (ق) المستخدمة من قبل الأجهزة الطرفية إلى عرض نطاق ترددي أخرى، مثل محركات الأقراص الصلبة الخارجية والكاميرات (ويمكن التحقق من ذلك من خلال إدارة الأجهزة للنظام). أخيرا، يجب أن يكون هناك مساحة كافية على القرص لتخزين ما يصل إلى 5 ميغابايت في الثانية من البيانات التجريبية، ونظام للأرشفة ودعم الامر.
2. إعداد معدات البحوث (مكبرات الصوت، والكمبيوتر، والشاشة مجرب، وkeyboARD، والمتكلمين، وميكروفون وكاميرا) على عربة واحدة، والتي يمكن أن تدحرجت بسرعة داخل وخارج غرفة المريض، فقط مع التيار واحدة من أجل سد في الحائط. لنقل الكمبيوتر من غرفة الى غرفة، استخدم الدالة الإسبات قبل توصيله. وينبغي أن شاشة المريض يكون الفيديو على طاولة صينية منفصلة أو ذراع جهاز العرض. معتبرا ان المريض عرضة للمصادرة، تأكد من أنه يمكن إرجاع كل المعدات للخروج من الطريق بسرعة في حالة العاملين في المجال الطبي بحاجة إلى الوصول الفوري للمريض. وينبغي أيضا على معدات يمكن تطهيرها مع مناديل مطهرة قبل وبعد استخدامها في غرفة المريض.
3. مرة مع المريض محدود، وجميع الإجراءات يجب أن تكون قوية والأمثل لتحقيق أفضل استفادة ممكنة من ذلك الوقت. في هذا الصدد، من مرونة ومتانة BCI2000 هي الخصائص لا تقدر بثمن. تأكد من أن يمكن إطلاقها التجارب في لمسة زر واحدة. في حالة BCI2000، استخدام ملف دفعي لإطلاق الحق في الجمع بينBCI2000 الوحدات تلقائيا، مع خيارات سطر الأوامر المطلوبة. يتعين على المشغل وحدات gUSBampSource، جنبا إلى جنب مع SignalProcessing المناسبة وتطبيق وحدات خاصة لتجربتك. استخدم ميزة BCI2000 للبرمجة المشغل لضمان أن يتم تحميل كافة الملفات المعلمة المطلوبة تلقائيا، بما في ذلك أي التي هي محددة لهذا المريض، مثل عدد من الأقطاب الكهربائية وأسمائهم والمواقف. والغرض من هذه الآلية هو تقليل عدد من الخطوات اليدوية من قبل المجرب، وبالتالي فإن الفرص المتاحة للخطأ. البرامج ومعالمها تحتاج إلى تم الانتهاء واختبار (وربما مع موضوع EEG) واحد على الأقل أو قبل أسبوعين من زرع. كما أنه من المستحسن للغاية لتنفيذ عملية "جافة" تشغيل قبل يوم من الجلسة التجريبية الأولى، بما في ذلك جميع المعلمات المريض محددة جديدة.

3. التجريبية الدورة مجموعة المتابعة

1. اختيار لحظة للحصول علىمما يوحي التسجيلات التجريبية للمريض، ومنحهم لاحظت في وقت سابق اليوم، ومرة ​​أخرى قبل 15 دقيقة من بدء لك. كمحاولة للتغلب على الزوار، وجبات الطعام، وبرامج العمل الوطنية، والإجراءات الطبية، والمريض الجسدية والحالة العاطفية والمعرفية. من المهم أن إقامة علاقة مع العاملين في المجال الطبي على الأرض، للمساعدة في تحقيق الاستفادة المثلى من توقيت ومدة التسجيلات.
2. عجلة المعدات إلى مكان، للاتصال التيار الكهربائي، تشغيل شاشة الفيديو الموجودة في الموضوع وتوصيله إلى جهاز الكمبيوتر، وبرنامج الأمم المتحدة للفترة السبات الكمبيوتر.
3. إطلاق BCI2000. مع المعلمة VisualizeSource تمكين، اضغط تعيين التكوين. المشاهد إشارة إلى فتح، مما يتيح لك تقييم جودة إشارة ECOG. على المشاهد انقر بالزر الايمن وتعيين مرشح تمريرة عالية لقطع هرتز 5. (وهذا وضع مرشح تؤثر فقط على التصور، وليس جمع البيانات.)
4. التحقق من وجود تدخل من ضجيج خط الطاقة: هل تفعيل فلتر الشق في العارض (في 50 هرتز أو 60 هرتز،اعتمادا على البلد الذي تتواجد فيه) فرقا كبيرا للإشارة؟ إذا كان الأمر كذلك، في محاولة للحد من هذا عن طريق إزالة أي غير المستخدمة عبر الحديث والكابلات، أو تحديد وإزالة مصادر أخرى للتدخل السلطة. تغيير الأقطاب الكهربائية المستخدمة في إشارة والأرض إذا لزم الأمر.
5. إذا كنت تستخدم لافتة للتعقب، معايرة ذلك باستخدام برنامج معايرة المقدمة من قبل الشركة المصنعة. وينبغي تجميع وحدة مصدر BCI2000 مع التمديد EyetrackerLogger شمل، وينبغي أن شنت ل- LogEyetracker = 1 علم تمكين، بحيث يمكن الحصول على بيانات تتبع العين في التوافق مع الإشارات ECOG.
6. لتجنب الانحرافات والانقطاعات، والتقليل إلى أدنى حد ممكن تدخل إشارة، وضمان أن يتم تشغيل أجهزة التلفاز وأجهزة الراديو والهواتف النقالة قبالة.
7. إعطاء تعليمات دقيقة للمريض للتجربة التي أنت على وشك تشغيله. اعتمادا على مهمة هذا الموضوع، وأعدت شرائح PowerPoint التي تظهر مهمة، لا يمكن للوضع المقترح، وما إلى ذلك، أن تكون مفيدة.
8. اضغط ابدأ على المشغل لبدء التجربة. في كل مرة تضغط على بدء أو استئناف، سيتم إنشاء ملف جديد لتجنب الكتابة فوق البيانات السابقة، وسيتم تهيئة ملف بنسخة من كل القيم المعلمة. وعندئذ يكون دفق البيانات الخام تلقائيا إلى ملف، جنبا إلى جنب مع علامات الحدث، حتى تضغط تعليق أو انتهاء التشغيل التجريبي.
9. طوال الدورة، ومراقبة سلوك المريض والإشارات ECOG عن المضبوطات المشتبه بهم، وتكون على استعداد للاستجابة لتعليمات من الطاقم الطبي.

4. الدورة التجريبية سبيل المثال: تعيين السريرية سيجفريد مع BCI2000

1. إعداد: قبل أن تبدأ الدورة، وسوف تحتاج إلى وأعدت ملف model.ini الذي يحتوي على إعدادات إشارة تجهيز سيجفريد سوف تستخدم لبناء نموذج، وملف PRM (أو منفصلة شظايا PRM.) التي تحتوي على المعلمات BCI2000 ذلك. وحدة SigfriedSigProcسوف تستخدم في الوقت الحقيقي التصور. معلمتين رئيسية هي ElectrodeLocations، ويحدد تخطيط 2-D الذي اخترته لأقطاب هذا المريض خاصة، وElectrodeCondition، الذي يحدد والتي سيتم تعيينها مهام مختلفة تحت أي ظروف. في هذا المثال، ونحن نستخدم وحدة StimulusPresentation بسيط للتواصل تعليمات للمريض، وبالتالي فإن المعلمة المحفزات يحتاج أيضا إلى أن تتكيف مع المهام نعتزم تشغيل.
2. الخطوة الأساسية التالية: بدء تشغيل وحدات gUSBampSource، DummySignalProcessing وStimulusPresentationTask، تكوين لنشاط عينة ECOG من جميع شبكات وشرائح في 1200Hz وعالية تمرير المصفاة عند 0.1 هرتز. تعليمات للموضوع على الاسترخاء والبقاء بلا حراك بعيون مفتوحة. سجل 6 دقائق من النشاط الأساسي، تحت إضاءة مريحة في بيئة هادئة.
3. الخطوة النمذجة: بدء تشغيل أداة data2model_gui واستخراج الخصائص الموجودة في صناديق هرتز 5 الابام 70-110 هرتز باستخدام طريقة الكون أقصى لكل مللي 500 من البيانات. اضغط على بناء نموذج لبناء نموذج احتمالي من السمات الطيفية المحدد باستخدام خليط جاوس.
4. الخطوة رسم الخرائط: بدء gUSBampSource، SigfriedSigProcLAVA وحدات StimulusPresentationTask وتكوين المشغل لتحميل نموذج احتمالي، ونموذج القشرية، و (2) و- والإحداثيات الكهربائي 3-الأبعاد. بعد ان يوعز هذا الموضوع، والبدء في عملية رسم الخرائط. في هذه العملية، سوف يخضع تنفيذ كل مهمة لمدة 10 ثوان في كل مرة، في كل من 5 مرات. خلال كل مهمة، سيجفريد بالكشف عن نشاط المهمة ذات الصلة ECOG التي يتم تقديم في 2 تحديثها باستمرار - و 3 الابعاد وخرائط القشرة بليغ. في خرائط 2-الأبعاد، وحجم واحمرار في كل دائرة يمثل أهمية في هذه المهمة بالذات. على وجه التحديد، وحجم كل دائرة يتناسب مع نسبة ضئيلة من مجموع الفرق إشارة في مكتبة الإسكندرية جاماالثانية والتي تتم المحاسبة عنها من قبل هذه المهمة. ومن المعروف هذه الإحصائية مثل معامل التحديد، أو آر ^2. هو في حدود (0،1) وفي الإعداد الحالية يمكن عموما بقيمة 0.1 تعتبر كبيرة. يمكن السيطرة على زيادة الدوائر إلى الحد الأقصى للقيم ² R باستخدام المتزلجون (انظر الشكل 1C). في الخرائط 3-الأبعاد، ويتم تعيينها من ² القيم ص إلى ألوان مختلفة الأحجام بدلا من دائرة.

5. ممثل النتائج

ويوضح الشكل 1 نتائج ممثل، من دورة واحدة رسم الخرائط سيجفريد في مريض واحد. وكان المريض من العمر 28 عاما، اليد اليمنى النساء الذين لديهم المستعصية توطين ذات الصلة صرع من اليسار الزمنية بداية مع تعميم ثانوي. تم زرع 120 أقطاب electrocorticographic subdurally على يسار الجدارية، والقشرة الأمامية الزمانية. والجانبية للأشعة السينية (لوحة A) وصورة داخل المنطوق (لوحة B) تصويرتكوين شبكة واحدة أمامية مع 40 الأقطاب الكهربائية، واحدة ذات الكثافة السكانية العالية شبكة الزمنية مع 68 الأقطاب، وثلاث شرائح كل من 4 أقطاب. من المضبوطات المسجلة، طبيب أعصاب المترجمة بؤر الصرع، وقرر أن من الضروري إجراء الاستئصال الجراحي للالفص الصدغي الأيسر في حين أن يجنب بليغ قشرة لغة. تم تنفيذ هذا بنجاح: في 8 أشهر في مرحلة ما بعد استئصال تم تقييم المريض كما حرر ضبط ودون عجز عصبي. سيجفريد إجراءات التعيين السلبي قشرة حددت المشاركة في وظيفة اللغة التي المتناقضة المهمة ذات الصلة التغييرات خلال المهام الاستماع. وعرضت النتائج في واجهات اثنين: واجهة 2-الأبعاد (لوحة C)، الأمر الذي يجعل تخطيط الأقطاب واضحة، وعلى واجهة ثلاثية الأبعاد 3-تشريحيا، الصحيح (لوحة D). من اليسار إلى اليمين خلافا لوحات والاستماع إلى لغة يتحدث بها مقابل خط الأساس (صوت)، والاستماع إلى النغمات مقابل خط الأساس (طن)، والاستماع إلى لغة منطوقة ضد الدعاوىtening إلى نغمات (لغة). يتم تضمين آخر هذه كصورة تقريبية عن وظيفة السمع التي تخص اللغة الاستقبالية. وأظهرت نتائج حالة VOICE اتفاق جيد مع المواقع التي تعطلت ECS تقبلا وظيفة اللغة في هذا المريض (وضعت الدوائر الصفراء في لوحة A).

الشكل 1. مثال النتائج من مريض واحد. لوحة ويظهر الجانبية للأشعة السينية. الدوائر الصفراء بمناسبة أقطاب المتورطين في اللغة الاستقبالية، في وقت لاحق كما حددتها الخرائط تنشيط جهد كهربي. لوحة (ب) هو صورة فوتوغرافية التقطت خلال زرع. لوحة C تظهر نتائج رسم الخرائط سيجفريد في تخطيط ثنائي الأبعاد التخطيطي: حجم واحمرار في كل قرص يمثل دلالة على تورط كل قطب كهربائي في هذه المهمة، وبالنسبة إلى خط الأساس. في لوحة D، يتم تعيين الإحصائية إلى اللون نفسه على ريندي الدماغ نموذج ثلاثي الأبعادأحمر من التصوير بالرنين المغناطيسي للمريض.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

جمع البيانات ECOG للبحوث يتطلب تعاونا وثيقا بين الأطباء والباحثين، مع درجة عالية متعددة التخصصات فريق حل المشاكل في علم الأعصاب السريرية، وجراحة المخ والأعصاب، وعلم الأعصاب الأساسية، وعلوم الكمبيوتر والهندسة الكهربائية. المكافأة هي أن الإشارات ECOG، وسعة خاصة في نطاق...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials