Enregistrement de l'homme (Electrocorticographic ECoG) Signaux pour la recherche neuroscientifique et en temps réel la cartographie fonctionnelle corticale

Résumé

Nous présentons une méthode pour collecter des signaux electrocorticographic des fins de recherche de l'homme qui sont en cours de surveillance d'épilepsie invasive. Nous montrons comment utiliser la plate-forme BCI2000 logiciels pour la collecte des données, traitement du signal et la présentation du stimulus. Plus précisément, nous démontrons Sigfried, un outil basé sur BCI2000 en temps réel la cartographie fonctionnelle du cerveau.

Résumé

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.

Protocole

1. Localisation des électrodes

1. Prélever un pré-opératoire pondérée en T1 IRM structurelle (1.5T ou 3T) de la tête du patient: 256 x 256 pixels par tranche, sur le terrain plein de vue, aucune interpolation, 1 tranche de largeur mm, de préférence les coupes sagittales.
2. Observer l'implantation chirurgicale des grilles et des bandes. Recueillir des photos numériques des électrodes in situ, et les notes du neurochirurgien sur les emplacements des grilles et des bandes implantées.
3. Recueillir les post-opératoires radiographie du crâne et le cerveau des images tomodensitométrie à haute résolution (1 mm largeur de la tranche, peau à peau, pas d'angle).
4. Créer un modèle tridimensionnel corticale du cerveau du patient à l'aide de l'IRM pré-opératoire, et co-enregistrer avec les images post-implantation de la grille CT. Nous utilisons le logiciel CURRY à cet effet, et d'exporter la structure 3D corticale et l'électrode coordonne au format MATLAB. À partir de MATLAB, nous exportons un film qui montre les électrodes mappés sur le cerveau. Nous aussi MAP coordonne l'électrode de standards aires de Brodmann l'aide d'un atlas de Talairach automatisé.
5. Vérifiez les informations à partir du modèle 3D, X-ray images, des photographies et des notes. Finaliser un schéma de numérotation pour les électrodes, et le travail avec les techniciens des hôpitaux afin de s'assurer que les électrodes sont patchés dans la répartiteurs suite à cette numérotation exactement. Également créer un plan schématique pour tracer les électrodes en deux dimensions, tels que tous les postes d'électrodes peuvent être clairement distingués, sans chevauchement. Si vous allez courir Sigfried (voir section 4), à l'exception de ces coordonnées à deux dimensions comme un fragment BCI2000 paramètre, dans le format requis par le paramètre ElectrodeLocations. Enfin, sélectionnez deux emplacements des électrodes qui sont susceptibles d'être electrocorticographically «silencieuse», c'est à dire qu'ils ne sont pas près de le cortex éloquent présumée, à utiliser comme un motif initial et de référence (préparer les g.USBamps par rapiéçage la référence aux sockets bleus, et au solaux prises jaunes, sur l'extrême droite de chaque unité).

2. Configuration matérielle et logicielle

1. Assurez-vous que les spécifications de l'ordinateur sont suffisantes pour traiter les exigences de traitement de l'expérience. Un processeur multi-core sera probablement nécessaire pour répondre aux demandes en temps réel de l'acquisition de données et le traitement, l'enregistrement vidéo, et d'autres tâches nécessaires. Pour l'enregistrement et analyse en temps réel de 128 canaux à 1200 Hz, nous utilisons un 3-GHz quad-core machine avec 4 Go de RAM. Les amplificateurs doivent être connectés à un contrôleur USB dédié, distinct du contrôleur (s) utilisé par d'autres périphériques gourmands en bande passante, tels que des disques durs externes et les appareils photo (cela peut être vérifié par l'intermédiaire du Gestionnaire de périphériques du système). Enfin, il doit y avoir suffisamment d'espace disque pour stocker un maximum de 5 Mo par seconde de données expérimentales, et un système d'archivage et de les sauvegarder.
2. Mettre en place le matériel de recherche (amplificateurs, ordinateur, écran expérimentateur, Keyboard, haut-parleurs, microphone et la caméra) sur un seul chariot, qui peut être déployée rapidement dans et hors de la chambre du patient, avec seulement un cordon d'alimentation unique à brancher dans le mur. Pour déplacer l'ordinateur d'une pièce à, utilisez la fonction Mise en veille prolongée avant de le débrancher. Écran vidéo Le patient doit être sur un plateau de table séparée ou bras de moniteur. Considérant que le patient est sujet à des crises, assurez-vous que tout le matériel peut être sorti de la voie rapide en cas besoin de personnel médical un accès immédiat pour le patient. Le matériel doit également être désinfectés avec des lingettes antiseptiques avant et après utilisation dans la chambre du patient.
3. Temps avec le patient est limitée, et toutes les procédures doivent être robustes et optimisées pour tirer le meilleur parti de ce moment-là. À cet égard, la flexibilité et la robustesse de BCI2000 sont des caractéristiques précieuses. Assurez-vous que les expériences peuvent être lancés à la pression d'un bouton. Dans le cas de BCI2000, utiliser un fichier batch pour lancer la bonne combinaison deBCI2000 modules automatiquement, avec le ligne de commande requis des options. L'opérateur et les modules gUSBampSource sont nécessaires, avec le Traitementdusignal appropriée et des modules d'application pour votre expérience particulière. Utilisez la fonction de l'opérateur BCI2000 de script pour faire en sorte que tous les fichiers de paramètres requis sont automatiquement chargés, y compris celles qui sont spécifiques à ce patient, tels que le nombre d'électrodes et de leurs noms et qualités. Le but de cette automatisation est de minimiser le nombre d'étapes manuelles par l'expérimentateur, et donc les possibilités d'erreur. Le logiciel et ses paramètres doivent avoir été finalisé et testé (avec peut-être un sujet EEG) au moins une ou deux semaines avant l'implantation. Il est également fortement conseillé d'effectuer un "sec" trajet le jour précédant la première session expérimentale, y compris tous les nouveaux patients des paramètres spécifiques.

3. Session expérimentale Set-up

1. Choisissez votre moment poursuggérant des enregistrements expérimentaux pour le patient, en leur donnant remarquerez tôt dans la journée, et encore 15 minutes avant de commencer. Contourner les visiteurs, les repas, les siestes, les procédures médicales et physique du patient, l'état émotionnel et cognitif. Il est important d'établir un rapport avec le personnel médical sur le sol, pour aider à optimiser la synchronisation et la durée des enregistrements.
2. Roue de l'équipement en place, se connecter à la prise de courant, tournez sur l'écran vidéo du sujet et le connecter à l'ordinateur, et non en veille prolongée l'ordinateur.
3. Lancement BCI2000. Avec le paramètre VisualizeSource activé, appuyez sur Set Config. Le spectateur signal ouvre, vous laissant apprécier la qualité du signal ECoG. Cliquez-droit sur le spectateur et régler le filtre passe-haut à un seuil de 5 Hz. (Ce réglage du filtre affectera seulement la visualisation, et non la collecte de données.)
4. Vérifiez les interférences du bruit de ligne électrique: Est-ce l'activation d'un filtre coupe-bande dans la visionneuse (à 50 Hz ou 60 Hz,selon le pays où vous vous trouvez) faire une grande différence pour le signal? Si c'est le cas, essayez de réduire cela en supprimant tout montant inutilisé du cross-parler câbles, ou à identifier et éliminer les autres sources de puissance d'interférence. Changer les électrodes utilisées à titre de référence et la masse si nécessaire.
5. Si vous utilisez un eye-tracker, le calibrer en utilisant le logiciel de calibration fourni par le fabricant. Le module BCI2000 source doit être compilé avec l'extension EyetrackerLogger inclus, et devrait être lancé avec l'option - LogEyetracker = 1 indicateur est activé, de sorte que l'œil les données de suivi peuvent être acquises en phase avec les signaux ECOG.
6. Pour éviter les distractions et les interruptions, et de minimiser les interférences possibles, veiller à ce que les téléviseurs, les radios et les téléphones mobiles sont éteints.
7. Donner des instructions précises au patient pour l'expérience, vous êtes sur le point de fonctionner. Selon la tâche du sujet, préparé des diapositives Powerpoint qui montrent la tâche, la posture a suggéré, etc, peuvent se révéler utiles.
8. Appuyez sur Démarrer sur la console pour démarrer l'expérience. Chaque fois que vous appuyez sur Démarrer ou Reprendre, un nouveau fichier sera créé pour éviter d'écraser les données précédentes, et le fichier sera initialisé avec une copie de toutes les valeurs des paramètres. Les données brutes seront ensuite écoutés automatiquement dans le fichier, ainsi que des marqueurs d'événements, jusqu'à ce que vous appuyez sur Pause ou les finitions terme expérimentales.
9. Tout au long de la session, de surveiller le comportement du patient et les signaux pour les convulsions ECOG suspects, et être prêt à réagir à des instructions du personnel médical.

4. Session Exemple expérimental: Sigfried cartographie clinique avec BCI2000

1. Préparation: Avant le début de la session, vous aurez besoin d'avoir préparé un dossier model.ini qui contient les paramètres de traitement du signal Sigfried va utiliser pour construire un modèle, et un fichier prm (ou séparée des fragments PRM.) Contenant les paramètres que BCI2000. le module SigfriedSigProcva utiliser pour visualisation en temps réel. Deux paramètres principaux sont ElectrodeLocations, précisant la mise en page 2-D que vous avez choisi pour les électrodes particulières de ce patient, et ElectrodeCondition, qui spécifie les différentes tâches seront cartographiés dans quelles conditions. Dans cet exemple, nous utilisons le module StimulusPresentation simple pour communiquer des instructions au patient, afin que le paramètre stimuli doit également être adaptée aux tâches que nous l'intention de courir.
2. Étape de base: Début des modules gUSBampSource, DummySignalProcessing et StimulusPresentationTask, configurés à l'activité de l'échantillon ECoG toutes les grilles et les bandes à 1200Hz, passe-haut-filtré à 0,1 Hz. Demander au sujet de se relaxer et de rester immobile, les yeux ouverts. Enregistrement de 6 minutes d'activité de base, sous un éclairage à l'aise dans un environnement calme.
3. Étape de la modélisation: Démarrez l'outil data2model_gui et extraire des caractéristiques dans les bacs Hz 5 from 70 à 110 Hz en utilisant au maximum la méthode d'entropie pour toutes les 500 ms de données. Appuyez sur Construire le modèle pour construire un modèle probabiliste des caractéristiques spectrales sélectionnées en utilisant des mélanges gaussiens.
4. Étape de cartographie: Démarrez le gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA et modules StimulusPresentationTask et configurer l'opérateur de charger le modèle probabiliste, le modèle cortical, et le 2 - et les coordonnées d'électrodes 3-dimensions. Après avoir demandé le sujet, commencer le processus de cartographie. Dans ce processus, d'un sujet ne exécution de chaque tâche pendant 10 secondes à la fois, sur chacun de 5 répétitions. Au cours de chaque tâche, Sigfried détecte une activité ECoG tâche liée qui est présenté en 2 continuellement mis à jour - et 3-dimensions des cartes du cortex éloquent. Dans les cartes en 2 dimensions, la taille et la rougeur de chaque cercle représente son importance dans cette tâche particulière. Plus précisément, la taille de chaque cercle est proportionnelle à la fraction de la variance totale du signal dans le ba gammae qui est représenté par la tâche. Cette statistique est connue comme le coefficient de détermination, ou R ^2. Il est dans la gamme (0,1) et dans la configuration actuelle d'une valeur de 0,1 peut généralement être considérée comme significative. La mise à l'échelle des cercles à un maximum de valeurs de r ² peut être contrôlé à l'aide des curseurs (voir la figure 1C). Dans les cartes en 3 dimensions, les valeurs de R ² sont mis en correspondance avec des couleurs différentes, plutôt que les tailles de cercle.

5. Les résultats représentatifs

La figure 1 montre des résultats représentatifs, d'une séance de cartographie Sigfried chez un patient. Le patient était un homme de 28 ans droitier femme qui avait intraitable localisation liée à l'épilepsie de gauche-temporelle avec l'apparition généralisation secondaire. 120 électrodes ont été implantées sous-durale electrocorticographic plus à gauche frontal, pariétal et le cortex temporal. Une radiographie latérale (partie A) et une photographie intra-opératoire (groupe B) représentent laconfiguration d'un réseau frontale avec 40 électrodes, une densité plus élevée de la grille temporelle avec 68 électrodes, et trois bandes chacune de 4 électrodes. A partir des saisies enregistrées, un neurologue localisé le foyer épileptique et a déterminé qu'il était nécessaire d'effectuer une résection chirurgicale du lobe temporal gauche, tout en épargnant le cortex langage éloquent. Ceci a été réalisé avec succès: à 8 mois après résection du patient a été évalué comme la saisie libre et sans déficits neurologiques. La procédure de cartographie passive Sigfried cortex identifiés impliqués dans la fonction du langage en comparant les tâches liées à des changements au cours de tâches d'écoute. Les résultats ont été présentés dans deux interfaces: une interface en 2 dimensions (panneau C), ce qui rend la disposition des électrodes clair, et une interface en 3 dimensions anatomiquement correcte (panneau D). De gauche à droite le contraste panneaux écoute de la langue parlée de base vs (VOICE), qui entend des sons de base vs (TONS), et écouter de la langue parlée vs lisTening aux tonalités (langue). Le dernier d'entre eux est incluse comme une image approximative de la fonction auditive qui est spécifique à langage réceptif. Les résultats de la condition VOIX montré une bonne concordance avec les emplacements au cours de laquelle ECS perturbé la fonction du langage réceptif chez ce patient (marqué par des cercles jaunes dans la partie A).

Figure 1. Exemple de résultats d'un patient. Panel A montre une radiographie latérale. Cercles jaunes marquent les électrodes impliquées dans le langage réceptif, comme la suite été identifiés par la cartographie de stimulation électrocorticale. Groupe B est une photographie prise lors de l'implantation. Groupe C montre les résultats de la cartographie Sigfried dans un schéma à deux dimensions mise en page: la taille et la rougeur de chaque disque représente l'importance de l'implication de chaque électrode dans la tâche, par rapport au scénario de référence. Dans le panneau D, la même statistique est associée à la couleur sur un Rende tridimensionnelle du cerveau modèlerouge à partir de l'IRM du patient.

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Discussion

Collecte de données pour la recherche ECOG exige une coopération étroite entre les cliniciens et les chercheurs, avec une très équipe multi-disciplinaire résoudre les problèmes en neurologie clinique, neurochirurgie, des neurosciences fondamentales, informatique et génie électrique. La récompense est que les signaux ECOG, et des amplitudes particulières dans la gamme de fréquences haute gamma (70-110Hz), sont de grande valeur. Non seulement ils donnent un aperçu scientifique sur les corrélats neuraux de la...

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