Grabación electrocorticográfica Humanos (ECoG) Las señales de la investigación neurocientífica y en tiempo real el mapeo cortical funcional

Resumen

Se presenta un método para recoger las señales de electrocorticográfica con fines de investigación de los seres humanos que están sometidos a supervisión de la epilepsia invasiva. Se muestra cómo utilizar la plataforma de software BCI2000 de recogida de datos, procesamiento de señales y la presentación del estímulo. En concreto, se demuestra Sigfried, una herramienta basada en BCI2000 de mapas en tiempo real funcional del cerebro.

Resumen

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.

Protocolo

1. Electrodo de localización

1. Se recoge una pre-operatorio T1 resonancia magnética estructural (1.5T o 3T) de la cabeza del paciente: 256 x 256 píxeles por rebanada, el campo de visión completo, sin interpolación, un ancho de corte mm, preferiblemente sagital secciones.
2. Tenga en cuenta la implantación quirúrgica de las redes y bandas. Recoge fotografías digitales de los electrodos in situ, y las notas del neurocirujano sobre la ubicación de las redes implantadas y las tiras.
3. Recoge los post-operatorios de cráneo imágenes de rayos X y tomografías computarizadas del cerebro a alta resolución (1 mm de ancho de corte, piel con piel, sin ángulo).
4. Crear un modelo cortical tridimensional del cerebro del paciente utilizando la resonancia magnética pre-operatorio, y co-registro con la red después de la implantación de las imágenes de TC. Utilizamos el paquete de software CURRY para este propósito, y exportar la estructura cortical en 3D y un electrodo de coordenadas en el formato de MATLAB. Desde MATLAB, exportamos una película que muestra los electrodos asignados en el cerebro. También mAP el electrodo coordina con el estándar de las áreas de Brodmann utilizando un sistema automatizado de atlas de Talairach.
5. Revise la información del modelo en 3D, imágenes de rayos X, fotografías y notas. Finalizar un esquema de numeración para los electrodos, y el trabajo con los técnicos del hospital para asegurar que los electrodos estén conectadas a la repartidores después de esta numeración exacta. También crear un diseño esquemático para el trazado de los electrodos en dos dimensiones, de tal manera que todas las posiciones de los electrodos puede distinguirse claramente sin solapamiento. Si se va a ejecutar Sigfried (ver sección 4), salvo estas coordenadas de dos dimensiones como un fragmento de parámetros BCI2000, en el formato requerido por el parámetro ElectrodeLocations. Por último, seleccione dos ubicaciones de los electrodos que pueden ser electrocorticographically "silenciosa", es decir, no están cerca de la corteza elocuente presunto, para usar como motivo inicial y de referencia (preparar los g.USBamps parcheando la referencia a las tomas de color azul, y tierraa las tomas de color amarillo, de la extrema derecha de cada unidad).

2. Hardware y configuración del software

1. Asegúrese de que las especificaciones del ordenador son los adecuados para el manejo de los requerimientos de procesamiento del experimento. Un procesador multi-core es probable que sea necesario para dar cabida a las demandas de la adquisición en tiempo real y procesamiento de datos, grabación de vídeo, y otras tareas necesarias. Para la grabación y el análisis en tiempo real de 128 canales a 1200 Hz, se utiliza un 3 GHz quad-core con 4 GB de memoria RAM. Los amplificadores deben estar conectados a un controlador de USB dedicado, distinto del controlador (s) utilizado por otros periféricos de gran ancho de banda, tales como discos duros externos y cámaras (esto puede ser verificado a través de Administrador de dispositivos del sistema). Por último, debe haber suficiente espacio en disco para almacenar hasta 5 MB por segundo de datos experimentales, y un sistema para archivar y realizar backups.
2. Configurar el equipo de investigación (amplificadores, la computadora, la pantalla del experimentador, keyboard, altavoces, micrófono y cámara) en un solo carro, que puede ser rápidamente puso dentro y fuera de la habitación del paciente, con sólo un solo cable de alimentación para enchufar en la pared. Para mover el equipo desde una habitación a otra, utilice la función de hibernación antes de desenchufarla. La pantalla del paciente de vídeo debe estar en una mesa bandeja separada o en el brazo del monitor. Teniendo en cuenta que el paciente es propenso a convulsiones, asegúrese de que todos los equipos se puede rodar fuera de la manera rápida en caso de que el personal médico necesita acceso inmediato para el paciente. El equipo también debe ser desinfectada con antiséptico antes y después de su uso en la habitación del paciente.
3. Tiempo con el paciente es limitado, y todos los procedimientos deben ser robustos y optimizados para hacer el mejor uso de ese tiempo. En este sentido, la flexibilidad y la solidez de BCI2000 son características valiosas. Asegúrese de que los experimentos pueden ser lanzados en el toque de un botón. En el caso de BCI2000, utilice un archivo por lotes para iniciar la combinación correcta deBCI2000 módulos de forma automática, con la necesaria línea de comandos. El operador y los módulos de gUSBampSource se requieren, junto con el SignalProcessing apropiado y módulos de aplicación para su experimento en particular. Utilice la función de operador BCI2000 de secuencias de comandos para garantizar que todos los archivos de parámetros necesarios se cargan automáticamente, incluyendo los que son específicos de este paciente, tales como el número de electrodos y sus nombres y posiciones. El propósito de esta automatización es reducir al mínimo el número de pasos manuales por el experimentador, y por lo tanto las posibilidades de error. El software y los parámetros que se han finalizado y probado (tal vez con un tema EEG) por lo menos una o dos semanas antes de la implantación. También es muy recomendable realizar una "seca" ejecutar el día antes de la primera sesión experimental, incluyendo todos los nuevos pacientes los parámetros específicos.

3. Sesión montaje experimental

1. Elige tu momento paralo que sugiere grabaciones experimentales para el paciente, dando cuenta de ellos al principio del día, y de nuevo 15 minutos antes de empezar. Trabaje alrededor de los visitantes, comidas, siestas, procedimientos médicos y del paciente al estado físico, emocional y cognitivo. Es importante establecer una relación con el personal médico en el suelo, para ayudar en la optimización del tiempo y la duración de las grabaciones.
2. Rueda el equipo en su lugar, conectarse a la toma de corriente, encienda la pantalla de vídeo del sujeto y conectarlo a la computadora, y des-hibernar el equipo.
3. Lanzamiento BCI2000. Con el parámetro VisualizeSource activado, pulse Set Config. El visor de la señal se abre, lo que le permite evaluar la calidad de la señal ECoG. Haga clic derecho en el visor y ajuste el filtro de paso alto a un corte de 5 Hz. (Este ajuste del filtro sólo afectará a la visualización, y no la recogida de datos.)
4. Compruebe si hay interferencias del ruido de la línea de alimentación: ¿La activación de un filtro de corte en el visor (a 50 Hz o 60 Hz,dependiendo de qué país se encuentra en) hacer una gran diferencia a la señal? Si es así, tratar de reducir esta mediante la eliminación de los no utilizados de la Cruz-que hablan los cables, o la identificación y eliminación de otras fuentes de interferencia de energía. Cambiar los electrodos utilizados para la referencia y el suelo si es necesario.
5. Si usted está usando un ojo-tracker, la calibración utilizando el software de calibración proporcionado por el fabricante. El módulo de fuente de BCI2000 debe ser compilado con la extensión EyetrackerLogger incluido, y debería ponerse en marcha con la opción - LogEyetracker = 1 flag activado, de modo que los datos de seguimiento de los ojos pueden ser adquiridos en sintonía con las señales de ECoG.
6. Para evitar distracciones e interrupciones, y para minimizar la interferencia de señal posible, asegúrese de que los televisores, radios y teléfonos móviles están apagados.
7. Dar instrucciones precisas al paciente para el experimento que se va a ejecutar. Dependiendo de la tarea del sujeto, preparado diapositivas de PowerPoint que muestran la tarea, la postura sugerida, etc, puede resultar útil.
8. Pulse Iniciar en el operador para iniciar el experimento. Cada vez que pulse Inicio o reanudación, un nuevo archivo será creado para evitar sobrescribir los datos anteriores, y el archivo se inicializa con una copia de todos los valores de los parámetros. Los datos brutos a continuación, se emitirá de forma automática en el archivo, junto con marcadores de eventos, hasta que se pulse de suspensión o de los acabados de ejecución de experimentación.
9. A lo largo de la sesión, vigilar la conducta del paciente y las señales de ECoG para las convulsiones, sospechosos, y estar listo para responder a las instrucciones del personal médico.

4. Ejemplo experimental de la sesión: Asignación de Sigfried clínica con BCI2000

1. Preparación: Antes de que comience la sesión, tendrá que haber preparado un archivo model.ini que contiene los parámetros de procesamiento de señales Sigfried se utilizan para construir un modelo y un archivo PRM (o por separado fragmentos de movilidad reducida.) Que contiene los parámetros que BCI2000. el módulo SigfriedSigProcva a utilizar para visualización en tiempo real. Dos parámetros fundamentales que son ElectrodeLocations, especificando el diseño en 2-D que usted ha elegido para los electrodos de particulares de este paciente, y ElectrodeCondition, que especifica que las diferentes tareas se asignarán en qué condiciones. En este ejemplo, estamos utilizando el módulo de StimulusPresentation simple para comunicar las instrucciones para el paciente, por lo que el parámetro de estímulos también debe adaptarse a las tareas que intentamos hacer funcionar.
2. Paso de referencia: Inicio de los módulos gUSBampSource, DummySignalProcessing y StimulusPresentationTask, configuradas para la actividad ECoG muestra de todas las redes y las tiras de 1200Hz, paso-alto-filtrada a 0,1 Hz. Instruya al sujeto para relajarse y permanecer inmóvil con los ojos abiertos. Registro 6 minutos de actividad basal, bajo la iluminación confortable en un ambiente tranquilo.
3. Paso de modelado: Inicie la herramienta data2model_gui y extraer características en 5 contenedores Hz from 70 a 110 Hz utilizando el método de entropía máxima para cada 500 ms de datos. Presione construir el modelo para construir un modelo probabilístico de las características espectrales seleccionados utilizando mezclas de gaussianas.
4. Paso Cartografía: Inicie el gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA y los módulos de StimulusPresentationTask y configurar el operador para cargar el modelo probabilístico, el modelo cortical, y el 2 - y 3-dimensionales coordenadas de los electrodos. Después de instruir el asunto, iniciar el proceso de asignación. En este proceso, un sujeto se realizar cada tarea durante 10 segundos a la vez, en cada uno de 5 repeticiones. Durante cada tarea, Sigfried detecta tarea relacionada con la actividad ECoG que se presenta en continua actualización 2 - y 3-mapas tridimensionales de la corteza elocuente. En los mapas de dos dimensiones, el tamaño y enrojecimiento de cada círculo representa su importancia en esta tarea en particular. Específicamente, el tamaño de cada círculo es proporcional a la fracción de la varianza total de la señal en el ba gammaª, que se contabilizará por la tarea. Esta estadística se conoce como el coeficiente de determinación, o ^r2. Es en el intervalo (0,1) y en la configuración actual un valor de 0,1 en general puede considerarse significativo. La ampliación de los círculos a un máximo de valores de r ² se puede controlar mediante los controles deslizantes (ver Figura 1 C). En los mapas en 3 dimensiones, los valores de r ² se asignan a los diferentes colores en lugar de circulares de tamaño.

5. Los resultados representativos

La figura 1 muestra los resultados representativos, de una sesión de mapeo Sigfried en un paciente. El paciente era un hombre de 28 años de edad, diestro mujer que tenía intratable localización relacionada con la epilepsia de la izquierda-temporal inicio con generalización secundaria. 120 electrodos subdurales electrocorticográfica fueron implantados por delante del izquierdo frontal, parietal y la corteza temporal. Una radiografía lateral (panel A) y una fotografía intraoperatoria (panel B) representan elconfiguración de una rejilla frontal con 40 electrodos, una mayor densidad de rejilla temporal con 68 electrodos, y tres tiras de cada uno de 4 electrodos. A partir de los ataques registrados, un neurólogo localizado el foco epiléptico y se determinó que era necesario para llevar a cabo la resección quirúrgica del lóbulo temporal izquierdo sin dañar la corteza elocuente lenguaje. Esto se realizó con éxito: a los 8 meses después de la resección, el paciente ha sido evaluado como libres de crisis y sin déficits neurológicos. El procedimiento de asignación de pasivos Sigfried corteza identificados participan en la función del lenguaje mediante el contraste relacionadas con las tareas cambios durante las tareas de escucha. Los resultados se presentan en dos interfaces: una interfaz de 2-dimensional (panel C), lo que hace que la disposición de los electrodos claro, y una interfaz 3-dimensional anatómicamente correcto (panel D). De izquierda a derecha, el contraste paneles de escuchar el lenguaje hablado basal frente (VOZ), escuchar los tonos de línea de base frente al (tonos), y escuchar el lenguaje hablado frente a lisfondo mientras se escucha tonos (idioma). El último de éstos se incluye como una imagen aproximada de la función auditiva que es específico para el lenguaje receptivo. Los resultados de la condición VOZ mostraron una buena concordancia con los lugares en los que interrumpieron la función ECS lenguaje receptivo en este paciente (marcados como círculos de color amarillo en el panel A).

Figura 1. Resultados del ejemplo de un paciente. El panel A muestra una radiografía lateral. Los círculos amarillos marcan los electrodos implicados en el lenguaje receptivo, tal como se determinó posteriormente mediante el mapeo estimulación electrocortical. Grupo B es una fotografía tomada durante la implantación. El panel C muestra los resultados de los mapas en un Sigfried esquemática de dos dimensiones de diseño: el tamaño y enrojecimiento de cada disco representa la importancia de la implicación de cada electrodo en la tarea, respecto al valor basal. En el panel D, la misma estadística se asigna a color en un rende el cerebro en tres dimensiones del modelorojo de resonancia magnética del paciente.

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Discusión

La recolección de datos para la investigación ECoG requiere una estrecha colaboración entre clínicos e investigadores, con un gran equipo multidisciplinario solución de problemas en la neurología clínica, neurocirugía, neurología básica, ciencias de la computación y la ingeniería eléctrica. La recompensa es que las señales ECoG, y en las amplitudes particular en el intervalo de gamma de alta frecuencia (70-110Hz), son altamente valiosos. No sólo proporcionar información científica sobre los correlatos n...

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Materiales