Imaging della sorgente elettromagnetica nella valutazione prechirurgica di bambini con epilessia resistente ai farmaci

Riepilogo

La magnetoencefalografia (MEG) e l'elettroencefalografia ad alta densità (HD-EEG) sono raramente registrate contemporaneamente, sebbene forniscano informazioni di conferma e complementari. Qui, illustriamo il setup sperimentale per la registrazione simultanea di MEG e HD-EEG e la metodologia per l'analisi di questi dati con l'obiettivo di localizzare le aree cerebrali epilettogene ed eloquenti nei bambini con epilessia resistente ai farmaci.

Abstract

Per i bambini con epilessia resistente ai farmaci (DRE), la libertà dalle crisi si basa sulla delineazione e la resezione (o ablazione/disconnessione) della zona epilettogena (EZ) preservando le aree cerebrali eloquenti. Lo sviluppo di un metodo di localizzazione affidabile e non invasivo che fornisca informazioni clinicamente utili per la localizzazione dell'EZ è, quindi, fondamentale per ottenere risultati chirurgici di successo. L'imaging elettrico e magnetico (ESI e MSI) è stato sempre più utilizzato nella valutazione prechirurgica di questi pazienti, mostrando risultati promettenti nella delineazione delle aree cerebrali epilettogene ed eloquenti. Inoltre, la combinazione di ESI e MSI in un'unica soluzione, vale a dire l'imaging elettromagnetico della sorgente (EMSI), eseguita su registrazioni simultanee di elettroencefalografia ad alta densità (HD-EEG) e magnetoencefalografia (MEG) ha dimostrato una maggiore accuratezza della localizzazione della sorgente rispetto a entrambe le modalità da sole. Nonostante questi risultati incoraggianti, tali tecniche vengono eseguite solo in pochi centri per l'epilessia terziaria, raramente vengono registrate contemporaneamente e sono sottoutilizzate nelle coorti pediatriche. Questo studio illustra la configurazione sperimentale per la registrazione simultanea di dati MEG e HD-EEG, nonché il quadro metodologico per l'analisi di questi dati con l'obiettivo di localizzare la zona irritativa, la zona di insorgenza delle crisi e le aree cerebrali eloquenti nei bambini con DRE. Più specificamente, vengono presentati i setup sperimentali per (i) registrare e localizzare l'attività epilettiforme interictale e ictale durante il sonno e (ii) registrare le risposte evocate visivamente, motoriamente, uditiva e somatosensoriale e mappare le aree eloquenti rilevanti del cervello (ad esempio, visive, motorie, uditive e somatosensoriali) durante il compito visuomotorio, nonché le stimolazioni uditive e somatosensoriali. Vengono inoltre presentati i passaggi dettagliati della pipeline di analisi dei dati per l'esecuzione di EMSI, ESI e MSI individuali utilizzando il dipolo di corrente equivalente (ECD) e la mappatura parametrica statistica dinamica (dSPM).

Introduzione

L'epilessia è uno dei disturbi neurologici più comuni e invalidanti caratterizzati da convulsioni ricorrenti e non provocate che possono essere di natura focale o generalizzata. Nonostante la disponibilità di diverse terapie farmacologiche efficaci (ad esempio, farmaci anticonvulsivanti [ASM]), circa il 20-30% di questi pazienti non è in grado di controllare le proprie crisi e soffre di epilessia resistente ai farmaci (DRE)¹. Per questi pazienti, la chirurgia dell'epilessia è il trattamento più efficace per eliminare le convulsioni; un intervento chirurgico di successo può essere ottenuto attraverso la resezione completa (o ablazione/disconnessione) della zona epilettogena (EZ), definita come l'area minima indispensabile per la generazione delle crisi^{epilettiche 2}. L'accurata delineazione e resezione (o ablazione/disconnessione) dell'EZ, preservando la corteccia eloquente, sono fattori cruciali per garantire la libertà dalle crisi. Per stabilire la candidatura chirurgica, un team multidisciplinare utilizza diversi strumenti diagnostici non invasivi per definire diverse aree corticali (ad esempio, zona irritativa, zona di insorgenza delle crisi [SOZ], zona di deficit funzionale e lesione epilettogena), che fungono da approssimatori indiretti dell'EZ³. Il monitoraggio extra-operatorio con EEG intracranico (iEEG) è necessario quando nessuno di questi metodi identifica in modo inequivocabile l'EZ. Il ruolo dell'iEEG è quello di definire con precisione l'EZ localizzando la SOZ (cioè l'area cerebrale in cui si generano le convulsioni cliniche) e mappare le aree cerebrali eloquenti. Tuttavia, presenta gravi limitazioni dovute alla sua invasività ^4,5,6, offre una copertura spaziale limitata e necessita di una chiara ipotesi di localizzazione prechirurgica⁷. Di conseguenza, l'effettivo focus e l'entità della SOZ possono essere persi, portando a un intervento chirurgico non riuscito. Inoltre, la sua interpretazione richiede la registrazione di più crisi cliniche stereotipate durante diversi giorni di ricovero, il che aumenta le possibilità di complicanze (ad esempio, infezione e/o sanguinamento)⁵. Pertanto, esiste un'esigenza insoddisfatta di sviluppare metodi di localizzazione affidabili e non invasivi in grado di fornire informazioni clinicamente utili e migliorare complessivamente la valutazione prechirurgica dei bambini con DRE.

Negli ultimi decenni, l'imaging elettrico e magnetico (ESI e MSI) è stato sempre più utilizzato nella valutazione prechirurgica di pazienti con DRE per la delineazione delle aree cerebrali epilettogene e funzionali. In particolare, ESI e MSI consentono la ricostruzione di sorgenti neurali da registrazioni non invasive, come l'EEG ad alta densità (HD-EEG) e la magnetoencefalografia (MEG), per aiutare a guidare la pianificazione chirurgica o il posizionamento degli elettrodi iEEG. ESI e MSI possono essere applicati per localizzare sia le scariche epilettiformi interictali (IED), come picchi e onde taglienti, sia l'attività ictale (convulsioni). Può inoltre essere utilizzato per la localizzazione di diverse aree funzionali del cervello coinvolte nelle funzioni sensoriali, motorie, uditive e cognitive. La ricostruzione di eventi elettrofisiologici, come IED e convulsioni, permette l'identificazione rispettivamente della zona irritativa (cioè l'area cerebrale dove hanno origine gli IED) e della SOZ, che sono considerati un valido surrogato per la localizzazione dell'EZ. La localizzazione della corteccia eloquente (cioè delle aree cerebrali indispensabili per determinate funzioni corticali)³ permette invece di mappare la localizzazione e l'estensione delle aree eloquenti rispetto alla resezione programmata e, quindi, di ridurre in anticipo i potenziali deficit funzionali che ci si può aspettare dalla chirurgia dell'epilessia 8,9,10,11 . Diversi studi hanno indagato l'utilità clinica di ESI e/o MSI nella valutazione prechirurgica dell'epilessia e hanno mostrato risultati promettenti nella delineazione dell'EZ 12,13,14,15,16,17,18,19. Ad esempio, Mouthaan et ^al.14 hanno eseguito un'ampia meta-analisi utilizzando i dati non invasivi di 11 studi prospettici e retrospettivi sull'epilessia e hanno riportato che queste tecniche di localizzazione della fonte possono identificare complessivamente l'EZ con alta sensibilità (82%) e bassa specificità (53%). Altri studi hanno anche dimostrato che MSI ed ESI possono localizzare correttamente il fuoco epilettico all'interno dell'area resecata in pazienti epilettici con risonanza magnetica normale (MRI)19,20,21. Questi risultati di localizzazione sono particolarmente importanti per quei pazienti che non sono idonei alla chirurgia dell'epilessia a causa di risultati clinici o di imaging inconcludenti. In sintesi, ESI e MSI possono contribuire in modo significativo alla mappatura prechirurgica delle aree cerebrali epilettogene e funzionali nei pazienti con DRE.

Nonostante questi risultati incoraggianti, tali tecniche sono attualmente eseguite regolarmente solo in pochi centri di epilessia terziaria e sono spesso sottoutilizzate nelle popolazioni pediatriche. Inoltre, l'HD-EEG e il MEG sono raramente registrati contemporaneamente, sebbene forniscano informazioni sia di conferma che complementari. Il MEG è sensibile per rilevare sorgenti superficiali con orientamento tangenziale, ma è cieco alle sorgenti orientate radialmente situate nel giro o nelle aree più profonde del cervello 22,23,24,25,26. Inoltre, il MEG offre una migliore risoluzione spaziale (millimetri) rispetto all'EEG 16,22,25. A differenza dei segnali EEG, i segnali MEG sono privi di riferimenti e non sono essenzialmente influenzati dalle diverse conduttività dei tessuti cerebrali (ad esempio, meningi, liquido cerebrospinale, cranio e cuoio capelluto)^25,27 fornendo misurazioni non distorte dei campi magnetici prodotti dal cervello. D'altra parte, l'EEG può rilevare sorgenti di tutti gli orientamenti, ma offre una risoluzione spaziale inferiore rispetto al MEG ed è più suscettibile agli artefatti^26,28. A causa di queste sensibilità complementari all'orientamento e alla profondità della sorgente, circa il 30% dell'attività epilettiforme (ad esempio, IED) può essere registrata solo su MEG ma non su EEG, e viceversa 26,29,30,31,32. A differenza dell'EEG, che consente registrazioni prolungate, l'acquisizione delle crisi cliniche con MEG è difficile a causa del tempo di registrazione limitato che di solito è insufficiente per registrare gli eventi ictali nella maggior parte dei pazienti. Inoltre, gli artefatti causati dai movimenti della testa correlati alle convulsioni possono spesso interferire con la qualità delle registrazioni MEG 29,33,34,35. D'altra parte, le registrazioni MEG sono più veloci e più facili rispetto all'EEG, soprattutto nei bambini poiché non è necessario collegare sensori sopra la testa dei bambini³⁵.

I progressi nell'hardware hanno reso possibile la registrazione simultanea di dati MEG e HD-EEG con un elevato numero di sensori (oltre 550 sensori) che coprono l'intera testa. Inoltre, i moderni sviluppi nelle tecnologie EEG hanno ridotto al minimo il tempo di preparazione per l'HD-EEG a meno di un quarto d'ora³⁶. Ciò è particolarmente importante per le popolazioni pediatriche con comportamenti difficili che non sono in grado di stare ferme per periodi prolungati. Inoltre, i progressi nelle tecnologie software hanno permesso la combinazione di ESI e MSI in un'unica soluzione, ovvero l'imaging elettromagnetico della sorgente (EMSI), eseguito su registrazioni simultanee HD-EEG e MEG. Diversi studi teorici ed empirici hanno riportato una maggiore accuratezza della localizzazione della sorgente con EMSI rispetto a entrambe le modalità da sole 13,30,31,37,38,39,40,41. Utilizzando diversi approcci di localizzazione della fonte per ricostruire l'attività in risposta a stimoli sensoriali, Sharon et al.³⁷ hanno scoperto che l'EMSI aveva risultati di localizzazione costantemente migliori rispetto all'ESI o all'MSI da soli rispetto alla risonanza magnetica funzionale (fMRI), che funge da punto di riferimento non invasivo per l'accuratezza precisa della localizzazione. Gli autori hanno suggerito che questa migliore localizzazione è dovuta all'aumento del numero di sensori per risolvere la soluzione inversa e ai diversi modelli di sensibilità delle due modalità di imaging³⁷. Allo stesso modo, Yoshinaga et al.³¹ hanno eseguito l'analisi del dipolo su dati EEG e MEG simultanei di pazienti con epilessia correlata alla localizzazione intrattabile e hanno dimostrato che l'EMSI ha fornito informazioni che non sarebbero state ottenibili utilizzando una sola modalità e ha portato a una localizzazione di successo per la chirurgia dell'epilessia in uno dei pazienti analizzati. In uno studio prospettico in cieco, Duez et al.¹³ hanno dimostrato che l'EMSI ha raggiunto un odds ratio significativamente più alto (cioè la probabilità di diventare libero da convulsioni) rispetto a ESI e MSI, un'accuratezza di localizzazione ≥52% e una concordanza ≥53% e ≥36% con l'irritante e il SOZ, rispettivamente. Uno studio più recente del nostro gruppo⁴² ha dimostrato che l'EMSI ha fornito stime di localizzazione superiori e migliori prestazioni di previsione dei risultati rispetto all'ESI o all'MSI da soli, con errori di localizzazione da resezione e SOZ rispettivamente di ~8 mm e ~15 mm. Nonostante questi risultati promettenti, mancano studi che forniscano il quadro metodologico relativo all'EMSI nei bambini con DRE.

Questo studio illustra la configurazione sperimentale per l'esecuzione simultanea di registrazioni MEG e HD-EEG, nonché il quadro metodologico per l'analisi di questi dati con l'obiettivo di localizzare la zona irritativa, la SOZ e le aree cerebrali eloquenti nei bambini con DRE. Più specificamente, vengono presentati i setup sperimentali per (i) registrare e localizzare l'attività epilettiforme interictale e ictale durante il sonno e (ii) registrare le risposte evocate visivamente, motoria, uditiva e somatosensoriale e mappare le aree cerebrali eloquenti rilevanti (cioè visive, motorie, uditive e somatosensoriali) durante un compito visuomotorio, nonché le stimolazioni uditive e somatosensoriali. Vengono inoltre presentati i passaggi dettagliati della pipeline di analisi dei dati per l'esecuzione di EMSI, ESI e MSI individuali utilizzando il dipolo di corrente equivalente (ECD) e la mappatura parametrica statistica dinamica (dSPM).

Protocollo

Le procedure sperimentali qui applicate sono state approvate dal North Texas Regional Institutional Review Board (2019-166; Investigatore principale: Christos Papadelis). La sezione seguente descriverà il protocollo sperimentale per la localizzazione non invasiva della sorgente di IED, insorgenza ictale e risposte evocate da eventi (cioè visive, motorie, uditive e somatosensoriali) utilizzando registrazioni simultanee MEG e HD-EEG seguite nel nostro laboratorio. L'International Federation of Clinical Neurophysiology⁴³ e l'American Clinical MEG Society⁴⁴ hanno fornito "standard minimi" per la registrazione clinica di routine e l'analisi dei dati MEG ed EEG spontanei. Le procedure per le registrazioni HD-EEG qui descritte si applicano solo ai sistemi di elettrodi EEG a spugna. Il processo di preparazione complessivo per ogni argomento è di circa 2-3 ore, comprendendo le registrazioni effettive di ~1,5 ore.

1. Preparazione del sistema MEG

1. Prima dell'arrivo del soggetto, eseguire una registrazione MEG in una stanza vuota di alcuni minuti per catturare i livelli di rumore di fondo e gli artefatti magnetici e verificare che tutti i sensori MEG funzionino correttamente.
2. Utilizzando il programma di regolazione dei sensori MEG, assicurarsi che il valore medio del rumore bianco di tutti i sensori MEG sia compreso tra 2 e 5 fT/√Hz (fT/cm√Hz per i gradiometri).

2. Preparazione del soggetto

1. Assicurarsi che il soggetto si senta a proprio agio con l'ambiente. Nel caso di bambini piccoli, consentire loro di esplorare la sala di registrazione (compresa la stanza schermata magneticamente [MSR]) e vedere l'apparecchiatura di test che verrà utilizzata per l'acquisizione dei dati.
   1. Esamina e fornisci le istruzioni al soggetto utilizzando il modulo di consenso allo screening. Se necessario, spiega la procedura ai bambini piccoli usando parole speciali, giocattoli e giochi sviluppati per ogni fascia d'età. Chiedi al soggetto (o ai genitori del soggetto) se ha avuto un attacco epilettico nelle ultime ~2 ore prima della visita.
      NOTA: Il modulo di consenso allo screening include una descrizione del test, nonché la sua sicurezza, il motivo per cui viene eseguito il test e una descrizione generale dello studio.
2. Rimuovere qualsiasi materiale metallico e/o magnetico dal soggetto e fornire al soggetto indumenti appropriati forniti dall'ospedale (ad esempio, camici ospedalieri, camici). Inoltre, chiedere al soggetto di togliersi le scarpe per evitare che la polvere magnetica penetri nella MSR. Se non è possibile rimuovere altri elementi ferromagnetici, come lavori odontoiatrici o dispositivi medici impiantati, utilizzare uno smagnetizzatore (ad es. smagnetizzatore) per rimuovere gli artefatti magnetici residui che possono causare interferenze o livelli di rumore elevati durante le registrazioni MEG. Dopo esservi assicurati che tutte le fonti di rumore magnetico siano state rimosse, chiedete al soggetto di sedersi e mettersi comodo su una sedia di legno dove verranno applicate le successive procedure di misurazione.
   NOTA: Lo smagnetizzatore non deve essere applicato direttamente su dispositivi elettronici impiantati (ad es. pacemaker, dispositivi di neuromodulazione).
3. Misurare la circonferenza della testa del soggetto per selezionare la dimensione appropriata della rete EEG (di solito 32-34 cm fino a 58-61 cm). Utilizzando il lato centimetrico del metro, misurare la circonferenza della testa tenendo il nastro dalla parte del soggetto a ~1 cm sopra l'inione e poi di nuovo alla nasione.
   NOTA: Il nasion è il punto craniometrico tra gli occhi, mentre l'inion è la punta della protuberanza occipitale esterna.
   1. Seleziona la dimensione netta corretta che si adatta alla circonferenza della testa del soggetto e immergila per almeno 5 minuti (massimo 10 minuti) in una soluzione liquida miscelata composta da 1 qt di acqua calda del rubinetto, 1 cucchiaio di elettroliti (cioè cloruro di potassio) e 1 cucchiaio di shampoo per bambini. Durante questo processo di ammollo, assicurarsi che la rete sia capovolta con le spugne rivolte verso l'esterno e i fermagli completamente allentati per immergere completamente i sensori all'interno del secchio di plastica contenente la soluzione.
      NOTA: Per fare in modo che l'amplificatore della rete non si avvicini alla soluzione e rimanga sempre asciutto, avvolgere un asciugamano attorno alla spina della rete selezionata e, se possibile, posizionarlo su una sedia o un supporto vicino al lavandino dove si trova il secchio di plastica.
4. Posizionare cinque bobine magnetiche servite come bobine di indicatore della posizione della testa (HPI) in posizioni note direttamente sul cuoio capelluto del soggetto utilizzando nastro di carta microporoso: uno su ciascun lato della fronte vicino all'attaccatura dei capelli, uno su ciascun osso mastoideo e uno sulla parte superiore della testa.
   NOTA: Le bobine HPI definiscono la posizione della testa rispetto ai dispositivi di interferenza quantistica superconduttori (SQUID) posti all'interno del sistema MEG emettendo campi magnetici noti che possono essere localizzati durante la scansione. Il numero di bobine HPI dipende dal sistema MEG, ma di solito varia da 3 a 5 bobine HPI.
5. Posizionare elettrodi aggiuntivi utilizzando del nastro adesivo per misurare la frequenza cardiaca (elettrocardiografia, ECG), i movimenti oculari o le palpebre (elettrocardiografia, EOG) e l'attività muscolare (elettromiografia, EMG); Il posizionamento di questi elettrodi permette anche il monitoraggio dello stato di salute del soggetto.
   1. Posizionare due elettrodi ECG sul lato destro e sinistro del torace sotto le clavicole, rispettivamente, per registrare il battito cardiaco del soggetto e due elettrodi EOG sul lato superiore e inferiore dell'occhio destro, rispettivamente, per registrare i movimenti oculari verticali o le palpebre.
      1. Per misurare l'attività muscolare durante il compito visuomotorio, inoltre, pulire le dita del soggetto con tamponi imbevuti di alcol per una migliore adesione del nastro sulla pelle e fissare con nastro un totale di due paia di elettrodi a coppa non monouso su ciascuna mano: uno sul primo interosseo dorsale (FDI) e uno sull'abduttore breve del pollice (APB).
      2. Prima di fissare tutti questi elettrodi, posizionare la pasta conduttiva all'interno della coppa dell'elettrodo fino a riempirla leggermente per ridurre l'impedenza cutanea e garantire una miscela ottimale di adesività e conduttività.
   2. Per la stimolazione tattile, attaccare sottili membrane elastiche direttamente alle parti distali e volatili di tre dita (cioè pollice [D1], medio [D3] e mignolo [D5]) di entrambe le mani. Gonfiare le membrane con impulsi di aria compressa attraverso tubi di plastica rigida utilizzando un dispositivo di stimolazione a soffio d'aria. Rilasciare gli impulsi di aria compressa con un intervallo interstimolo di 1,5 ± 0,5 s seguendo un ordine pseudocasuale. Regolare la pressione dello stimolatore tattile a 50 psi.
6. Mentre il soggetto è ancora seduto sulla sedia di legno, distante da qualsiasi oggetto metallico, determina le posizioni tridimensionali (3D) dei punti di riferimento anatomici fiduciali, delle cinque bobine HPI e di altri punti di forma della testa utilizzando un digitalizzatore. Durante questo processo di digitalizzazione della testa, chiedi al soggetto di sedersi comodamente, guardare dritto davanti a sé e rimanere praticamente immobile poiché piccoli movimenti possono influire sull'accuratezza della localizzazione.
   1. Posizionare il ricevitore di riferimento attraverso gli occhiali di plastica (cioè gli occhiali con il cubo di riferimento attaccato su un lato) sulla testa del soggetto e regolare i fermagli per garantire un quadro di riferimento fisso al soggetto che deve rimanere relativamente fermo durante l'intera misurazione.
   2. Attraverso il ricevitore dello stilo primario, individuare i punti di riferimento anatomici fiduciali (ad esempio, nasion e punti preauricolari sinistro/destro) e la posizione delle bobine HPI e campionare uniformemente ulteriori punti del cuoio capelluto (almeno 100, preferibilmente vicino a ~500) per migliorare una ricostruzione di alta qualità della superficie della testa.
      NOTA: I punti di riferimento anatomici fiduciali definiscono il sistema di coordinate del soggetto. Il digitalizzatore genera le coordinate di un sensore nello spazio 3D utilizzando un trasmettitore (tipicamente montato dietro il soggetto sullo schienale della sedia di legno) e due ricevitori (cioè lo stilo e i ricevitori di riferimento).
   3. Al termine della digitalizzazione, posizionare il ricevitore dello stilo a ~15 cm di distanza dal soggetto e dal trasmettitore e digitalizzare un punto casuale per completare il processo di digitalizzazione.
      NOTA: Questa fase finale del processo di digitalizzazione può differire da altri prodotti commerciali.
7. Prima di applicare la rete EEG, chiedere al soggetto di sedersi su una sedia vicino all'amplificatore EEG e posizionare degli asciugamani sul petto e sulle spalle per assorbire eventuali gocciolamenti dovuti all'applicazione della rete. Togliete la retina EEG dal secchio di plastica, giratela con le spugne rivolte verso l'interno e avvolgetela delicatamente attorno a un asciugamano per assorbire la soluzione miscelata in eccesso.
   1. Con il soggetto seduto sulla sedia e istruito a tenere gli occhi chiusi durante questo passaggio, metti entrambe le mani all'interno della rete e allargala con le dita, quindi posizionala sulla testa del soggetto.
   2. Senza spostare le posizioni delle bobine HPI, regolare la rete tesa sulla testa del soggetto utilizzando le dita per assicurarsi che i canali di riferimento e nasion siano posizionati correttamente rispettivamente al centro del cuoio capelluto e tra gli occhi del soggetto, e infine allacciare il sottogola una volta che la rete è nella posizione corretta.
8. Utilizzando un impedenziometro EEG, assicurarsi che tutte le impedenze degli elettrodi del cuoio capelluto siano comprese nell'intervallo 0-50 kΩ (si consigliano valori ˂5 kΩ) per evitare distorsioni del segnale. Per ridurre le impedenze dell'elettrodo del cuoio capelluto, verificare che ogni elettrodo abbia un buon contatto meccanico ed elettrico con il cuoio capelluto utilizzando un batuffolo di cotone di legno per rimuovere i peli del soggetto tra l'elettrodo e il cuoio capelluto o una pipetta di plastica usa e getta per trasferire una soluzione mista più conduttiva nelle spugne degli elettrodi, se necessario.
   1. Una volta che tutte le impedenze sono idealmente fino a 50 kΩ, scollegare l'amplificatore e preparare il soggetto per la digitalizzazione dell'elettrodo EEG.
      NOTA: Eseguire la digitalizzazione dell'elettrodo EEG all'esterno dell'MSR e garantire spazio sufficiente intorno al soggetto per gestire il processo di scansione.
9. Determinare le posizioni 3D degli elettrodi EEG utilizzando uno scanner ottico portatile. Durante questo processo, chiedi al soggetto di sedersi comodamente e di guardare dritto davanti a sé, a meno che non venga indicato diversamente.
   1. Innanzitutto, apri il software dello scanner ottico, seleziona il modello di sensore che corrisponde al layout del sensore EEG utilizzato durante le registrazioni, quindi avvia il processo di scansione.
   2. Durante la scansione, tenere lo scanner a una certa distanza dalla rete EEG (di solito ~45 cm), con le sue aperture di scansione perpendicolari alla superficie dei sensori, e spostarlo lentamente intorno alla testa del soggetto seguendo strisce arcuate dall'alto (centro della testa) verso il basso (ultima fila di sensori lungo il collo) per registrare le posizioni fisiche di tutti i sensori.
      NOTA: Lo scanner ottico digitalizza le posizioni degli elettrodi EEG sulla testa del soggetto e li trasforma in un file di coordinate 3D; di solito è caratterizzato da due sensori ottici che emettono sorgenti luminose a infrarossi (IR). Ogni posizione scansionata di solito appare su una nuvola di sensori 3D. La nuvola di sensori 3D fornisce un feedback per la scansione, il rilevamento e l'allineamento delle posizioni dei sensori, mentre la mappa dei sensori 2D fornisce un feedback per l'etichettatura di queste posizioni dei sensori. Il processo di scansione delle posizioni degli elettrodi EEG richiede un totale di 5-10 minuti, compreso il sondaggio dei punti fiduciali. Tuttavia, il tempo di scansione può talvolta dipendere dalle prestazioni dello scanner ottico nel rilevare le posizioni degli elettrodi.
10. Una volta scansionati tutti gli elettrodi EEG (almeno il 95%), sonda i punti fiduciali (cioè i punti nasion e i punti preauricolari sinistro/destro) e quattro sensori di allineamento (cioè i nodi di allineamento anteriore, sinistro e destro e il nodo REF) utilizzando la sonda ottica wireless per allineare la nuvola di sensori 3D al modello di sensore selezionato.
    NOTA: I sensori di allineamento sono numerati in base alla configurazione della rete del sensore EEG.
    1. Per sondare i punti fiduciali, posizionare la punta della sonda ottica sulla pelle del soggetto al centro del punto di interesse fiduciale, assicurandosi che le aperture di scansione dello scanner puntino verso i dischi riflettenti della sonda. Allo stesso modo, posizionare la punta della sonda ottica al centro del sensore di allineamento di interesse per sondare i sensori di allineamento.
11. Una volta che tutti i sensori sono stati scansionati e sondati, rivedere le loro posizioni ed etichette sulla nuvola di sensori 3D e sulla mappa dei sensori 2D rispetto alla rete EEG effettiva per controllare ed eventualmente correggere eventuali errori; se non si sono verificati errori durante il processo di scansione, esportare il file di .txt delle coordinate 3D e convertirlo nel formato preferito.
    NOTA: Le coordinate degli elettrodi 3D sono solitamente memorizzate in formato .txt e possono essere convertite tramite software di scansione ottica in diversi formati (ad es. .xml, .sfp, .elp o .nsi).
12. Dopo aver completato il processo di digitalizzazione degli elettrodi EEG (passaggi 2.9-2.11), preparare il soggetto da trasferire all'interno dell'MSR per l'esecuzione dei dati di riposo/sonno (passaggio 2.13), attività visuomotoria (passaggio 2.14), stimolazione uditiva (passaggio 2.15) e stimolazione somatosensoriale (passaggio 2.16).
13. Per i dati di riposo/sonno, impostare il gantry del sistema MEG in posizione supina (Figura 1A) e disporre il letto non magnetico e compatibile in modo che il poggiatesta rimovibile sia allineato con l'apertura a forma di casco nella parte inferiore del dewar. Dopo aver regolato il letto nella posizione corretta, impostare la valvola del freno del letto in posizione di blocco spento. Posiziona un lenzuolo o una coperta sopra il letto e un piccolo cuscino in schiuma sul poggiatesta rimovibile per il fissaggio della testa e il comfort durante la registrazione.
    NOTA: Il dewar è un contenitore criogenico riempito con elio liquido in cui le schiere di sensori sono disposte spazialmente sul fondo tramite un'apertura a forma di casco progettata per circondare la testa del soggetto. Il casco si adatta a una circonferenza della testa fino a 59-61 cm. Il gantry è il sistema meccanico che supporta il dewar che permette di modificarne l'elevazione e l'angolo in base alla posizione di misurazione (cioè seduto o supino).
    1. Trasferisci il soggetto all'interno dell'MSR e aiutalo a sedersi sul bordo del letto e sdraiarsi su di esso. Posizionare diverse coperte sul corpo del soggetto per tenerlo al caldo durante la registrazione assicurandosi che i cavi degli elettrodi siano facilmente accessibili, e allacciare leggermente le cinture di sicurezza (o tirare su le ringhiere se presenti), spiegando al soggetto che questo passaggio serve a impedirgli di rotolare fuori dal letto durante il sonno. Se necessario, posizionare un asciugamano arrotolato aggiuntivo sotto il collo per fornire supporto al collo e alle spalle del soggetto.
    2. Sbloccare la valvola del freno del lettino per muovere delicatamente la testa del soggetto, che viene posizionata sul poggiatesta rimovibile sotto l'apertura a forma di casco del dewar fino a toccare l'interno del casco. Per aumentare il rapporto segnale/rumore (SNR), avvicinare il più possibile la testa del soggetto al casco.
    3. Collegare le bobine HPI, gli elettrodi ECG ed EOG ai pannelli corrispondenti del sistema MEG, collegare la rete EEG all'unità amplificatore all'interno dell'MSR e controllare le misurazioni delle coordinate della testa dalla stazione di acquisizione all'esterno dell'MSR per valutare se la testa del soggetto è posizionata correttamente sotto il dewar.
    4. Con il consenso del soggetto, ridurre l'intensità della luce all'interno dell'MSR per aiutare a stimolare il rilassamento e il sonno. Quando il soggetto si sente rilassato e a proprio agio, chiedigli di riposare con gli occhi chiusi o di dormire durante la registrazione. Rassicurare il soggetto che sarà osservato sul monitor al di fuori dell'MSR tramite la telecamera a colori schermata a radiofrequenza montata sulla parete dell'MSR per l'intera registrazione.
14. Per il compito visuomotorio, impostare il gantry del sistema MEG in posizione verticale (Figura 1B) e sistemare la sedia MEG in modo che la testa del soggetto sia sotto il gantry, vicino all'apertura a forma di casco nella parte inferiore del dewar. Dopo aver regolato la sedia nella posizione corretta, impostare la valvola del freno della sedia in posizione di blocco ("0").
    1. Trasferire il soggetto all'interno dell'MSR. Aiutalo a sedersi sulla sedia non magnetica e compatibile e a trovare una posizione comoda e rilassata. Posiziona diverse coperte sul corpo del soggetto per tenerlo al caldo durante la registrazione, assicurandoti che i cavi degli elettrodi siano facilmente accessibili, e posiziona il tavolo rimovibile in modo che il soggetto possa metterci le mani sopra durante l'attività. Se necessario, posizionare un asciugamano sotto le ginocchia del soggetto per aiutare a mantenere la posizione seduta e non scivolare verso il basso.
       NOTA: Poiché il soggetto potrebbe rilassarsi durante il compito visuomotorio e, quindi, assumere una posizione più bassa rispetto a quella iniziale, sollevare con cautela la sedia al termine di ogni sessione di lavoro tramite il pedale di elevazione (se presente) o posizionare asciugamani o coperte sulla sedia in modo che la testa del soggetto tocchi nuovamente l'interno del casco. Se necessario, posizionare asciugamani o coperte aggiuntivi dietro la testa del soggetto non solo per un migliore comfort, ma anche per aiutare il soggetto a mantenere la testa il più dritta possibile. La stimolazione visuomotoria può essere eseguita alternativamente in posizione supina per evitare di muovere il dewar nel bel mezzo di una sessione di registrazione.
    2. Una volta che il soggetto si trova nella posizione corretta, collegare le bobine HPI, ECG, EOG, FDI e APB sul pannello destro della macchina MEG, collegare la rete EEG all'unità amplificatore all'interno dell'MSR e sollevare la sedia tramite il pedale di elevazione (se presente) con piccoli movimenti o posizionare asciugamani o coperte aggiuntivi sulla sedia fino a quando la testa del soggetto non tocca leggermente l'interno del casco (controllare le misure del coordinate del responsabile dalla stazione di acquisizione al di fuori dell'MSR).
    3. Posizionare lo schermo di proiezione, in cui verranno proiettati gli stimoli visivi tramite un sistema di specchi di proiezione posizionato all'esterno dell'MSR, di fronte al soggetto (Figura 1B), e spiegare il compito visuomotorio da svolgere durante la registrazione. In particolare, istruire il soggetto a battere il dito indice sul tavolo solo quando lo stimolo visivo (ad esempio, un'immagine) appare sullo schermo, rispettivamente, per la mano destra e sinistra. Assicurati che il soggetto capisca il compito o si senta a proprio agio nell'eseguirlo da solo; Se necessario, esercitati più volte con il soggetto per aiutarlo a familiarizzare con esso.
       NOTA: Se una sessione di stimolazione visuomotoria viene eseguita in posizione supina, uno specchio viene posizionato a una distanza sopra il viso del soggetto per riflettere gli stimoli visivi provenienti dal proiettore.
    4. Prima di chiudere la porta del MSR, chiedi al soggetto se si sente a suo agio a stare da solo all'interno della stanza; in caso contrario, una persona del team o i suoi genitori rimarranno all'interno dell'MSR durante le sessioni di registrazione. Inoltre, rassicurare il soggetto che sarà osservato sul monitor al di fuori dell'MSR per l'intera registrazione.
15. Per la stimolazione uditiva, utilizzare la configurazione descritta al punto 2.14 con lo schermo di proiezione di fronte al soggetto seduto. Aiuta il soggetto a indossare le cuffie (o gli auricolari) attraverso le quali vengono erogati i trigger sonori (ad esempio, suoni cinguettio modulati).
    1. Istruire il soggetto a fissare gli stimoli (ad esempio, un punto verde su uno sfondo nero) proiettati sullo schermo mentre ascolta i trigger sonori. Se necessario, eseguire una sessione di formazione per aiutare il soggetto a comprendere meglio la procedura. Prima di chiudere lo sportello dell'MSR, ripetere le procedure di sicurezza come descritto in precedenza.
16. Per la stimolazione somatosensoriale, utilizzare la configurazione descritta al punto 2.14. Chiedi al soggetto quale video (o film) vuole guardare sullo schermo del proiettore di fronte a lui/lei.
    1. Chiedi al soggetto di rilassarsi con gli occhi aperti, guardare il video selezionato, rimanere il più fermo possibile e ignorare gli stimoli tattili inviati alle sue dita durante la registrazione. Spiega al soggetto che sentirà dei leggeri colpi sulla pelle sulla punta delle dita, rispettivamente, per ogni mano. Se il soggetto si sente a disagio, eseguire una sessione di allenamento per rassicurarlo.
       NOTA: La fissazione degli occhi su un bersaglio visivo è una tecnica consolidata per ridurre al minimo gli artefatti biologici che possono influenzare la qualità della registrazione e distrarre il soggetto dagli stimoli tattili erogati durante l'acquisizione dei dati.

3. Acquisizione dati

NOTA: L'acquisizione simultanea di dati MEG ed EEG viene eseguita nella struttura MEG del Cook Children's Medical Center (CCMC). Maggiori dettagli sull'uso clinico del MEG su bambini pediatrici con epilessia possono essere trovati altrove ^8,27,45.

1. Registra i segnali MEG utilizzando il sistema MEG a testa intera (copertura del sensore: 1.220 cm²) caratterizzato da 306 canali raggruppati in 102 elementi identici a triplo sensore con un magnetometro e due gradiometri planari ortogonali. Impostare una frequenza di campionamento di almeno 1 kHz.
   NOTA: I magnetometri a bobina singola misurano la componente del campo magnetico perpendicolare alla superficie del casco MEG. I gradiometri planari sono costituiti da una configurazione a bobina "a forma di otto" caratterizzata da coppie di magnetometri posti a una piccola distanza tra loro e misurano la differenza del campo magnetico tra le loro posizioni (cioè la differenza tra i due anelli di "otto"), chiamata anche gradiente spaziale. Rispetto ai magnetometri, i gradiometri planari sono meno sensibili alle sorgenti cerebrali profonde ma più robusti nel rilevare le sorgenti superficiali sopprimendo il rumore ambientale. Questi 306 canali vengono immersi e raffreddati in elio liquido a -296 °C (4,2 K) per diventare superconduttori.
2. Registra i segnali EEG contemporaneamente utilizzando la rete EEG non magnetica a 256 canali con sensori di elettrodi Ag/AgCl distribuiti uniformemente su cuoio capelluto, guance e parte posteriore del collo. Impostare una frequenza di campionamento di almeno 1 kHz.
3. Chiudere lo sportello dell'MSR per iniziare la registrazione. Attraverso il sistema di interfono vocale, comunica con il soggetto, verificando se si sente a suo agio a stare da solo all'interno dell'MSR. Monitora costantemente il soggetto su video e, in caso di emergenza, entra immediatamente nell'MSR.
   NOTA: Nel caso in cui non si senta a proprio agio o l'enorme porta MSR lo intimidisca, una persona del team o i suoi genitori possono rimanere all'interno dell'MSR durante le sessioni di registrazione seduti su una sedia di legno vicino al soggetto; Assicurarsi che tutti gli oggetti metallici siano stati rimossi prima di entrare nella stanza.
4. Prima di ogni registrazione, istruire il soggetto tramite il sistema di interfono vocale a mantenere ferma la sua posizione per ~30 s prima di iniziare l'attività. Per il compito visuomotorio, comunicare inoltre tramite l'interfono quale dito indice (destro o sinistro) utilizzerà per la prima sessione di registrazione.
   1. Durante questo periodo in cui il soggetto rimane fermo, premere il pulsante di misurazione dalla finestra di dialogo di misurazione HPI sul sistema di acquisizione dati MEG per misurare il campo magnetico generato dalla corrente immessa nelle bobine HPI e determinare le posizioni di misurazione della testa rispetto all'array di sensori MEG; pertanto, verificare che il soggetto sia ben posizionato (testa |coordinata z| ˂ 75 mm) e annotare le misurazioni 3D per ogni sessione.
   2. Se c'è ancora spazio tra la testa del soggetto e il casco, rientrare all'interno dell'MSR e regolare l'altezza della sedia tramite il pedale di elevazione (se presente), posizionare asciugamani o coperte sulla sedia o istruire il soggetto tramite l'interfono su come spostare la testa in una posizione più vicina al casco (se il soggetto è seduto), e infine controllare nuovamente le posizioni di misurazione della testa. In caso di registrazioni di riposo/sonno, rientrare nell'MSR e avvicinare il letto al casco, riducendo il divario spaziale testa-casco.
5. Una volta che il soggetto è ben posizionato rispetto al casco MEG e pronto per iniziare, iniziare la prima sessione di registrazione (durata ~10 min) seguendo un ordine preciso (vedere il passaggio 3.5.1) per una sincronizzazione MEG ed EEG accurata (vedere il passaggio 3.12).
   NOTA: Per garantire registrazioni di alta qualità, la prima sessione di registrazione è fondamentale per catturare gli artefatti presenti nei dati dovuti ai movimenti del soggetto o causati dall'ambiente esterno. Se necessario, rientrare all'interno dell'MSR per regolare eventuali collegamenti dei canali o la posizione del soggetto sulla sedia MEG. Si consiglia di prendere nota di eventuali artefatti o eventi insoliti durante le registrazioni che possono essere rivisti in seguito, se necessario.
   1. Premere il pulsante di registrazione sul software di acquisizione dati EEG per avviare la registrazione EEG. Premere il pulsante di registrazione sul software di acquisizione dati MEG per avviare la registrazione MEG. Infine, premere il pulsante di avvio dal software del computer di stimolazione per visualizzare gli stimoli visivi o fornire stimoli uditivi.
      NOTA: Il computer di stimolazione che esegue il software di stimolo visivo (o uditivo) è collegato al sistema di specchi del proiettore all'esterno dell'MSR, che può essere acceso o spento a seconda del tipo di registrazione eseguita. Durante le registrazioni di riposo/sonno, il sistema è spento poiché il soggetto sta riposando o dormendo, ma l'esecuzione del software di stimolo visivo sul computer di stimolazione aiuta a cronometrare ogni sessione di registrazione. Durante il compito visuomotorio, così come durante le stimolazioni uditive e somatosensoriali, il sistema viene acceso permettendo al soggetto di osservare gli stimoli o un video proiettato sullo schermo posto di fronte a lui/lei mentre il software è in esecuzione. Per questo studio, è stato selezionato un totale di (i) 107 stimoli (cioè 85 immagini sovrapposte su uno sfondo a scacchiera e 22 sfondi a scacchiera) con un intervallo di ~4 s tra ogni stimolo per il compito visuomotorio; (ii) 200 cinguettii modulati con un intervallo interstimolo di 3 s per la stimolazione uditiva; e (iii) 200 stimoli tattili per ogni dito (cioè D1, D3 e D5) seguendo una sequenza semi-casuale con un intervallo inter-stimolo di ~1,5 s per la stimolazione somatosensoriale.
6. Per interrompere le registrazioni, premere il pulsante di arresto sul software di acquisizione dati MEG e quindi il pulsante di arresto sul software di acquisizione dati EEG. Al termine di ogni sessione di registrazione, comunicare con il soggetto tramite l'interfono per rassicurarlo e se non sono necessari collegamenti di canale o regolazioni di posizione all'interno dell'MSR, procedere con la sessione successiva.
   1. Per il compito visuomotorio, seleziona diversi stimoli visivi per ogni sessione per mantenere il soggetto motivato e intrattenuto durante la registrazione.
7. Per i dati visuomotori o di riposo/sonno, registrare un totale di ~1 ora di registrazione simultanea di MEG ed EEG, caratterizzata da 5-6 sessioni. Tuttavia, il numero di sessioni può variare per ogni materia. Inoltre, registrare un totale di ~20 minuti (1-2 sessioni di ~10 minuti ciascuna) e ~14 minuti (1-2 sessioni di ~7 minuti ciascuna) di registrazione simultanea MEG ed EEG rispettivamente per i dati di stimolazione uditiva e somatosensoriale.
   NOTA: In questo studio, i dati MEG ed EEG vengono automaticamente memorizzati alla fine delle registrazioni rispettivamente nei formati .fif e .mff nel sistema di archiviazione IT di CCMC.
8. Al termine della registrazione, inserire l'MSR per aiutare il soggetto ad alzarsi dalla sedia o dal letto e chiedergli di sedersi su una sedia all'esterno dell'MSR per rimuovere sia la rete EEG che gli elettrodi.
   1. Istruire il soggetto a chiudere gli occhi fino a quando non viene detto diversamente e aiutarlo a rimuovere la rete EEG allentando completamente i sottogola ed estraendo delicatamente la rete con due mani (dalla fronte verso la parte posteriore della testa del soggetto) fino a quando non è completamente staccata. Durante questo passaggio, assicurarsi di non tirare i capelli del soggetto durante la rimozione della rete. Inoltre, aiutare il soggetto a rimuovere delicatamente gli elettrodi rimanenti (ad es. ECG, EOG ed EMG in caso di attività visuomotoria) precedentemente fissati con nastro adesivo sulla pelle.
9. Dopo aver rimosso la rete EEG e gli elettrodi, informare il soggetto (e i suoi genitori) che tutte le procedure sono state finalmente completate.
10. Dopo che il soggetto ha lasciato la stanza, pulire accuratamente lo scanner ottico (come descritto nel manuale dell'utente) e riporlo all'interno della sua custodia protettiva.
    1. Pulire e disinfettare le superfici di qualsiasi apparecchiatura utilizzata durante le registrazioni (ad esempio, sedie, letti, scrivanie) con salviette al perossido di idrogeno approvate dall'ospedale o spray disinfettanti e asciugamani di carta, mettere le coperte e gli asciugamani usati all'interno del contenitore fornito dall'ospedale e gettare via qualsiasi pezzo di nastro adesivo usato.
    2. Conservare gli strumenti di misura all'interno dell'armadio di stoccaggio e pulire l'interno delle coppe degli elettrodi riempite di pasta conduttiva utilizzando tamponi di cotone di legno sotto l'acqua corrente del rubinetto.
    3. Per sciacquare la rete EEG, riempire il secchio di plastica nel lavandino con acqua di rubinetto calda e pulita e ripetere i passaggi seguenti per un totale di quattro volte.
       1. Immergere la rete EEG nell'acqua e agitare delicatamente la rete EEG per 10-20 s (o immergerla all'interno e all'esterno del secchio ~25 volte).
       2. Scolare l'acqua dal secchio e riempire il secchio con acqua di rubinetto pulita e calda.
    4. Per disinfettare la rete EEG, riempire il secchio di plastica nel lavandino con la soluzione disinfettante composta da 2 qt di acqua tiepida del rubinetto e 1 cucchiaio di disinfettante e immergere la rete EEG al suo interno per 10 minuti. Sciacquare il secchio dalla soluzione disinfettante e seguire il processo di risciacquo e scarico tre volte per rimuovere eventuali residui di soluzione dalla rete EEG.
    5. Per il processo di risciacquo o disinfezione, rimuovere la rete EEG immersa dal secchio, asciugarla rimuovendo l'acqua in eccesso con l'aiuto di un asciugamano pulito e asciutto e riporla appendendola vicino al lavandino.
11. Per sopprimere le interferenze magnetiche interne ed esterne e gli artefatti di misurazione/movimento dai dati MEG, applicare l'estensione temporale del metodo tSSS (Signal Space Separation) al file .fif MEG dei dati grezzi.
    NOTA: Il filtraggio spaziotemporale Maxwell (tSSS) è ideale per sopprimere le fonti di interferenza situate all'interno o molto vicino all'array di sensori MEG, ovvero le interferenze interne.
12. Quando si eseguono registrazioni MEG ed EEG simultanee, allineare spazialmente i sistemi di coordinate dei due dispositivi di acquisizione rispetto ai punti di riferimento anatomici sulla testa del soggetto (Figura 2A) e correggere la deriva lineare dell'orologio tra i segnali che si verifica a causa delle possibili diverse frequenze di campionamento (Figura 2B).
    NOTA: Durante le registrazioni, sia i segnali MEG che EEG possono essere influenzati anche da spostamenti lenti nel tempo dovuti a possibili ritardi nella pressione dei pulsanti Start e End e a una deriva interna del clock che si verifica quando i trigger vengono inviati al software di acquisizione dati MEG ed EEG. Per garantire una sincronizzazione precisa tra questi segnali, è stato sviluppato un codice interno in Python che utilizza gli eventi di trigger inviati su entrambi i sistemi durante l'acquisizione dei dati come segnale di trigger comune. Il codice include tre funzioni disponibili nella libreria software MNE-Python: due funzioni che leggono i segnali MEG ed EEG e una funzione che estrae le informazioni degli eventi di trigger dai segnali, come i nomi dei canali e i timestamp (ad esempio, la data e l'ora del verificarsi dell'evento). Le differenze di tempo tra il verificarsi di eventi di trigger in ciascun segnale (ad esempio, delta) definiscono la deriva lineare del clock nel tempo (Figura 2B). Una descrizione dettagliata del codice sviluppato viene fornita nei passaggi successivi (vedi 3.12.1-3.12.4).
    1. Utilizzare la differenza tra il primo evento di trigger che si verifica su ciascun segnale come valore di offset (ad esempio, la parte da tagliare da uno dei due segnali) per allineare le registrazioni.
       NOTA: Le funzioni mne.io.read_raw_fif e mne.io.read_raw_egi convertono le registrazioni MEG ed EEG in un formato array 2D, mentre la funzione mne.find_events estrae le informazioni sugli eventi dai segnali grezzi.
    2. Una volta allineati questi primi trigger, calcolare il coefficiente di correlazione di Pearson per valutare il grado di correlazione tra i segnali; Si consigliano valori p < 1 x ^10-6 per garantire un perfetto allineamento.
       NOTA: La funzione pearsonr della libreria scipy stima il coefficiente di correlazione di Pearson tra i segnali MEG ed EEG e il valore p di questa correlazione.
    3. Per convalidare questa accuratezza di correlazione, stimare il tasso di deriva tra i due segnali eseguendo un adattamento polinomiale di primo grado e utilizzare l'entità risultante della disparità rappresentata dal coefficiente della funzione polinomiale per ricampionare i segnali sull'asse x dell'adattamento polinomiale (Figura 2B).
       NOTA: La funzione polyfit della libreria numpy adatta i segnali MEG ed EEG all'interno di una funzione polinomiale; Questa funzione restituisce un coefficiente che rappresenta l'entità della disparità tra i due segnali. La funzione mne.resample ricampiona i segnali MEG ed EEG in base al coefficiente della funzione polinomiale.
    4. Al termine del ricampionamento, confrontare i timestamp dell'ultimo evento di attivazione che si verifica su ciascun segnale e rimuovere quelle finestre temporali che non sono comuni sia nei segnali MEG che in quelli EEG. Infine, unire i segnali MEG ed EEG sincronizzati per creare un'unica registrazione caratterizzata da sensori MEG ed EEG che possono essere utilizzati per ulteriori analisi.
       NOTA: La funzione mne.add_channels unisce i due segnali per creare un'unica registrazione.
13. Alla fine di ogni registrazione di ~1,5 ore, utilizzare un totale di 5-6 (~10 minuti ciascuna), 1-2 (~10 minuti ciascuna) e 1-2 (~7 minuti ciascuna) sessioni di registrazioni MEG ed EEG sincronizzate, rispettivamente per i dati di stimolazione visuomotoria (e riposo/sonno), uditiva e somatosensoriale, per l'analisi dei dati.
    NOTA: Idealmente, il soggetto deve eseguire il tocco del dito destro per tre registrazioni visuomotorie e il tocco del dito sinistro per le restanti tre registrazioni visuomotorie.

4. Analisi dei dati

1. Mappatura della zona irritativa
   1. Generare le superfici corticali 3D dalla risonanza magnetica del soggetto utilizzando il processo di ricostruzione corticale di FreeSurfer, che è uno strumento di neuroimaging open source per l'elaborazione, l'analisi e la visualizzazione di immagini RM del cervello umano⁴⁶.
   2. Importa l'anatomia ricostruita su Brainstorm, che è un'applicazione open-source di MATLAB dedicata alla visualizzazione e all'elaborazione dei dati MEG ed EEG⁴⁷, per visualizzare i risultati della ricostruzione corticale. Da Brainstorm, impostare i punti fiduciali (ad esempio, nasion, preauricolare sinistro/destro, commessura anteriore/posteriore e interemisferica) sulla risonanza magnetica importata che definiscono il sistema di coordinate del soggetto.
   3. Importa il segnale MEG e HD-EEG simultaneo su Brainstorm e registra i sensori MEG ed EEG sulla risonanza magnetica utilizzando il processo di registrazione della risonanza magnetica per regolare il loro allineamento ai punti fiduciali digitalizzati. Se necessario, proiettare i sensori EEG sulla superficie corticale.
   4. Aprire la registrazione simultanea MEG e HD-EEG e ispezionare visivamente i dati grezzi per rimuovere i canali difettosi. Inoltre, applica la tecnica di correzione degli artefatti SSP (Signal-Space Projection) disponibile in Brainstorm per rifiutare gli artefatti biologici (ad esempio, battiti cardiaci, battiti delle palpebre) dalle registrazioni.
   5. Applicare filtri notch (50 o 60 Hz, a seconda dell'interferenza della linea di alimentazione) e passa-banda (1-70 Hz) ai dati MEG e HD-EEG simultanei.
   6. Selezionare porzioni di dati contenenti attività interictale caratterizzate da IED frequenti, come picchi e onde taglienti, e con artefatti di movimento minimi (se possibile).
      NOTA: Gli IED sono forme d'onda transitorie caratterizzate da un'evoluzione temporale di <70 ms, un'ampiezza di >50 μV e una forma nitida che può essere chiaramente distinta dall'attività di fondo nella banda di frequenza 1-70 Hz⁴⁸. La Figura 3A rappresenta un esempio di porzioni dei segnali simultanei MEG e HD-EEG con frequenti IED visibili su entrambe le registrazioni.
   7. Utilizzando l'impostazione di visualizzazione standard di 10 s per pagina, contrassegnare il picco negativo di ciascun IED che si verifica sia sulle registrazioni MEG che EEG (Figura 3A), nonché su ciascuna modalità da sola. Prima di contrassegnare ogni IED, controlla il campo topografico e le potenziali mappe rispettivamente per il MEG e l'EEG.
      NOTA: Anche le distribuzioni di tensione di punti temporali aggiuntivi durante la fase di salita di ogni IED, piuttosto che il suo picco, devono essere controllate per tenere conto della possibile propagazione dell'attività epilettica⁴⁹. Maggiori dettagli su come contrassegnare gli eventi di picchi interictali utilizzando Brainstorm possono essere trovati altrove (https://neuroimage.usc.edu/brainstorm/Tutorials/Epilepsy).
   8. Calcola un modello realistico della testa, definito come un modello geometrico a tre strati (cioè cuoio capelluto, cranio interno e cranio esterno) (Figura 3B), utilizzando il software OpenMEEG BEM (metodo dell'elemento di contorno simmetrico) disponibile in Brainstorm. Utilizzare il volume MRI come spazio sorgente (griglia del punto sorgente con risoluzione spaziale di 5 mm).
      NOTA: Il software OpenMEEG BEM utilizza il metodo degli elementi di confine simmetrici per calcolare un modello in avanti realistico caratterizzato dal cuoio capelluto (cioè interfaccia aria-cuoio capelluto), dal cranio esterno (cioè interfaccia scalpo-cranio) e dal cranio interno (interfaccia cranio-cervello). Come soluzione alternativa, il metodo degli elementi finiti (FEM) può essere utilizzato per risolvere il problema in avanti poiché consente una rappresentazione realistica specifica del soggetto del conduttore del volume della testa. I valori di conducibilità del tessuto cranico sono spesso assunti dalla letteratura e possono variare a seconda dell'età del soggetto⁵⁰ anni. Per risolvere il modello in avanti utilizzando il FEM, calcolare il modello realistico della testa, definito come un modello geometrico da tre a cinque strati (cioè materia bianca, materia grigia, liquido cerebrospinale, cranio e pelle), utilizzando il software DUNEuro FEM disponibile in Brainstorm 47,50,51. Maggiori dettagli sulla stima del modello diretto utilizzando FEM possono essere trovati altrove (https://neuroimage.usc.edu/brainstorm/Tutorials/Duneuro).
   9. Localizzare i generatori sottostanti dei picchi interictali selezionati utilizzando il metodo ECD non vincolato sull'array di sensori MEG, EEG e MEG ed EEG combinati separatamente. Per localizzare queste sorgenti di dipolo, calcolare la covarianza del rumore dalle registrazioni MEG in una stanza vuota o impostarla come matrice identità.
      NOTA: Considerare l'esecuzione della localizzazione della sorgente su IED medi con distribuzioni di tensione simili come approccio alternativo nel caso in cui l'SNR degli IED sia basso^{a 12}.
   10. Eseguire il metodo di scansione del dipolo disponibile in Brainstorm al picco di ogni IED precedentemente contrassegnato per selezionare i dipoli sorgente più significativi nell'intero volume del cervello. Selezionare solo dipoli sorgente con una bontà di adattamento >60% e stimare la loro clusterness definita per ciascun dipolo come il numero di dipoli situati a 15 mm dal suo centro (Figura 3C).
       NOTA: Maggiori dettagli sulla clusterness ECD possono essere trovati altrove⁵².
2. Mappatura della SOZ
   1. Genera le superfici corticali 3D dalla risonanza magnetica del soggetto utilizzando il processo di ricostruzione corticale di FreeSurfer⁴⁶.
   2. Importa l'anatomia ricostruita su Brainstorm⁴⁷ per visualizzare i risultati della ricostruzione corticale. Impostare i punti di riferimento sulla risonanza magnetica importata che definiscono il sistema di coordinate del soggetto.
   3. Importa il segnale simultaneo MEG e HD-EEG (contenente l'evento ictale) su Brainstorm e registra i sensori MEG ed EEG sulla risonanza magnetica utilizzando il processo di registrazione della risonanza magnetica per regolare il loro allineamento ai punti fiduciali digitalizzati. Se necessario, proiettare i sensori EEG sulla superficie corticale.
      NOTA: Se il soggetto ha avuto un attacco durante le registrazioni, rivedere gli appunti presi durante la registrazione per valutare in quale sessione è stato registrato l'evento ictale.
   4. Aprire la registrazione simultanea MEG e HD-EEG e ispezionare visivamente i dati grezzi per rimuovere i canali difettosi. Applica la tecnica di correzione degli artefatti SSP disponibile in Brainstorm⁴⁷ per rifiutare gli artefatti biologici (ad esempio, battiti cardiaci, battiti di ciglia) dalla registrazione.
   5. Applicare filtri notch (50 o 60 Hz, a seconda dell'interferenza della linea di alimentazione) e passa-banda (1-70 Hz) ai dati MEG e HD-EEG simultanei.
   6. Secondo le note di registrazione, identificare l'inizio della crisi e la sua cessazione (se annotata) e contrassegnare questi eventi sul segnale per identificare la parte corretta dei dati contenenti scariche epilettiformi ictali. Esempi di insorgenza di convulsioni sono mostrati nella Figura 4 rispettivamente per MEG e HD-EEG.
      NOTA: Quando un soggetto ha un attacco epilettico durante l'acquisizione del MEG, il personale medico è tenuto ad assistere immediatamente il soggetto e a fornire cure di emergenza. Pertanto, la durata di quelle porzioni di dati con eventi ictali può essere breve.
   7. Utilizzando l'impostazione di visualizzazione standard di 10 s per pagina, contrassegnare il picco negativo di ogni raffica di scariche epilettiformi (ad esempio, picchi ripetitivi, onde acute o complessi spike-wave) che si verificano durante l'evento ictale su MEG ed EEG, nonché su ciascuna modalità da sola. Prima di ogni marcatura del picco, controllare il campo topografico e le mappe potenziali rispettivamente per il MEG e l'EEG (Figura 4A).
      NOTA: Le convulsioni sono classificate come generalizzate o focali a seconda di dove inizia la loro insorgenza. Sebbene dipenda dalla sindrome epilettica, una crisi epilettica è un fenomeno di almeno 10 s caratterizzato da scariche elettriche ripetitive che possono variare in frequenza, ampiezza e morfologia.
   8. Calcola il modello realistico della testa a tre strati (ad esempio, cuoio capelluto, cranio interno ed esterno) per i sensori MEG ed EEG utilizzando il software OpenMEEG BEM disponibile in Brainstorm. Utilizzare il volume MRI come spazio sorgente (griglia del punto sorgente con risoluzione spaziale di 5 mm).
      NOTA: Per risolvere il modello in avanti utilizzando il FEM, calcolare il modello realistico della testa, definito come un modello geometrico da tre a cinque strati (cioè materia bianca, materia grigia, liquido cerebrospinale, cranio e pelle), utilizzando il software DUNEuro FEM disponibile in Brainstorm 47,50,51. Maggiori dettagli sulla stima del modello diretto utilizzando FEM possono essere trovati altrove (https://neuroimage.usc.edu/brainstorm/Tutorials/Duneuro).
   9. Localizzare i generatori sottostanti delle scariche ictali selezionate utilizzando il metodo ECD non vincolato sull'array di sensori MEG, EEG e MEG ed EEG combinati separatamente. Per localizzare queste sorgenti di dipolo, calcolare la covarianza del rumore dalle registrazioni MEG in una stanza vuota o impostarla come matrice identità.
   10. Eseguire il metodo di scansione del dipolo disponibile in Brainstorm al picco di ciascuna forma d'onda ictale precedentemente contrassegnata per selezionare i dipoli sorgente più significativi nell'intero volume cerebrale. Seleziona solo dipoli sorgente con una bontà di adattamento >60% e stima la loro clusterness (distanza dei dipoli dal centro di ciascun dipolo impostata a 15 mm)⁵².
3. Mappatura della corteccia eloquente
   1. Eseguire i passaggi 4.2.1-4.2.3 precedentemente descritti utilizzando i segnali registrati durante il compito visuomotorio, nonché durante le stimolazioni uditive e somatosensoriali.
   2. Apri le registrazioni simultanee MEG e HD-EEG e ispeziona visivamente i dati grezzi per rimuovere i canali difettosi. Separatamente, per ogni sessione, applicare la tecnica di correzione degli artefatti SSP disponibile in Brainstorm⁴⁷ per rifiutare gli artefatti biologici (ad esempio, battiti cardiaci, battiti di ciglia) dalle registrazioni. Inoltre, scartare o contrassegnare come "Intervallo errato" tutti quei segmenti di dati contaminati da artefatti che non possono essere utilizzati per ulteriori analisi.
   3. Applicare filtri notch (50 o 60 Hz, a seconda dell'interferenza della linea di alimentazione) e passa-banda (1-100 Hz) ai dati MEG e HD-EEG simultanei.
   4. Per mappare la corteccia motoria, aprire i segnali EMG registrati dagli elettrodi FDI e APB e contrassegnare manualmente l'evento di tapping eseguito dal soggetto, separatamente per la mano destra e sinistra, selezionando il primo picco di attivazione muscolare diverso dalla linea di base sulla coppia-elettrodo FDI. Esegui questo passaggio separatamente per ogni sessione utilizzando Brainstorm⁴⁷.
      NOTA: Utilizzare la scheda Filtro per la visualizzazione solo su Brainstorm e selezionare gli intervalli di frequenza (ad esempio, passa-alto: 30 Hz; passa-basso: 300 Hz; tacca: 60 Hz) che possono aiutare a contrassegnare correttamente i picchi dell'attività EMG durante il tocco. Il nome degli eventi deve essere lo stesso in tutte le sessioni; Ad esempio, gli eventi in cui il soggetto ha eseguito il tocco del dito destro (o sinistro) possono essere denominati "Tap_right" (o "Tap_left"). Questo passaggio ci consente di eseguire un'analisi univoca sullo stesso tipo di evento che si è verificato in tutte le sessioni.
   5. Da ogni sessione, importare gli eventi che si verificano su segmenti privi di artefatti selezionando i seguenti parametri: Stimoli visivi: [-200; +500] ms Finestra temporale, inclusa la linea di base di [-200; 0] ms prima dell'insorgenza dello stimolo; Eventi di tocco: [-1500; +1000] finestra temporale di ms, inclusa la linea di base di [-1500; -1000] ms prima dell'insorgenza dello stimolo visivo; Suoni CHIRP modulati: [-500; +1000] ms finestra temporale, inclusa la linea di base di [-500; 0] ms prima dell'inizio dello stimolo; e stimoli tattili: [-100; +500] ms finestra temporale, inclusa la linea di base di [-100; 0] ms prima dell'insorgenza dello stimolo.
   6. Una volta che gli eventi di un compito specifico sono stati importati da tutte le sessioni, applicare il montaggio di riferimento medio per aumentare l'SNR sui dati EEG e stimare la media tra gli stimoli per ottenere i campi e i potenziali evocati dall'evento. Nel caso di compiti motori (ad esempio, picchiettare) e stimolazione tattile, quest'ultimo passaggio viene eseguito rispettivamente per la mano destra e sinistra.
      NOTA: I pannelli A e B della Figura 5, Figura 6, Figura 7 e Figura 8 mostrano esempi di risposte evocate visivamente, motoriamente, uditiva e somatosensoriale, rispettivamente, per MEG ed EEG e il loro campo topografico relativo e le mappe di potenziale. Il numero totale di stimoli per un compito specifico dipende strettamente dal numero di sessioni completate; Nel caso di un'attività motoria, questo numero dipende anche dall'attività di maschiatura eseguita correttamente.
   7. Per i campi e i potenziali evocati visivi, motori, uditivi o somatosensoriali, calcola il modello realistico della testa a tre strati (cioè cuoio capelluto, cranio interno e cranio esterno) per i sensori MEG ed EEG utilizzando il software OpenMEEG BEM disponibile in Brainstorm. Utilizzare la superficie corticale 3D come spazio sorgente.
      NOTA: Per risolvere il modello in avanti utilizzando il FEM, calcolare il modello realistico della testa, definito come un modello geometrico da tre a cinque strati (cioè materia bianca, materia grigia, liquido cerebrospinale, cranio e pelle), utilizzando il software DUNEuro FEM disponibile in Brainstorm 47,50,51. Maggiori dettagli sulla stima del modello diretto utilizzando FEM possono essere trovati altrove (https://neuroimage.usc.edu/brainstorm/Tutorials/Duneuro).
   8. Per ogni campo e potenziale evocato da eventi, calcolare le sorgenti corticali sugli eventi medi utilizzando il dSPM implementato nel toolbox Brainstorm per l'array di sensori MEG, EEG e MEG ed EEG combinati separatamente. Impostare la matrice di covarianza del rumore utilizzando il periodo di riferimento pre-stimolo specifico per ogni attività (vedere il passaggio 4.3.5).
   9. A seconda del compito, estrarre le fonti corticali massime osservate nell'area cerebrale eloquente coinvolta [corteccia visiva primaria (V1), corteccia motoria primaria (M1), corteccia uditiva primaria (A1) o corteccia somatosensoriale primaria (S1)] che possono essere definite utilizzando un atlante o attraverso la ricostruzione di un sensore virtuale (ad esempio, regione di interesse, ROI) in quella posizione (Figura 5C, Figura 6C, Figura 7C e Figura 8C).
   10. Eseguire la decomposizione tempo-frequenza della wavelet di Morlet sul campo evocato dall'evento e sulle potenziali sorgenti nell'area cerebrale eloquente coinvolta (V1, M1, A1 o S1) con una scala lineare (intervallo di frequenza: 1:1:100 Hz).
       NOTA: Per stimare le oscillazioni evocate che sono bloccate nel tempo e in fase all'inizio dello stimolo, il segnale MEG/EEG viene inizialmente mediato sugli eventi e poi diventa soggetto all'analisi tempo-frequenza^53,54.
   11. Eseguire la standardizzazione delle mappe delle sorgenti corticali utilizzando il metodo di perturbazione correlata agli eventi disponibile in Brainstorm per normalizzarle rispetto alla linea di base (vedere il passaggio 4.3.5), separatamente per ogni evento (Figura 5D, Figura 6D, Figura 7D e Figura 8D).
       NOTA: La standardizzazione delle mappe di origine utilizzando le perturbazioni correlate agli eventi è una misura di normalizzazione per le mappe di potenza tempo-frequenza che stima la deviazione dalla media rispetto alla linea di base in percentuale. Maggiori dettagli su questo processo di standardizzazione sono disponibili altrove (https://neuroimage.usc.edu/brainstorm/Tutorials/TimeFrequency#Normalized_time-frequency_maps).
4. Convalida
   1. Acquisizione della registrazione iEEG extra-operatoria attraverso l'impianto di griglie subdurali e/o elettrodi di profondità. Il numero, il tipo e il posizionamento degli elettrodi intracranici sono decisi dall'équipe multidisciplinare per l'epilessia in base all'ipotesi clinica generata dalla somma delle informazioni ottenute dai test diagnostici non invasivi della valutazione prechirurgica.
      NOTA: Come parte della valutazione prechirurgica, l'iEEG extraoperatorio viene registrato per diversi giorni tramite un sistema EEG digitale utilizzando una frequenza di campionamento di 1.024 Hz.
   2. Identificare la SOZ come definita da un epilettologo esperto in base alle informazioni cliniche disponibili per ciascun soggetto.
      NOTA: La SOZ è definita come l'area cerebrale che mostra la prima scarica elettrografica ictale inequivocabile, che è diversa dall'attività di fondo che può verificarsi prima o in concomitanza con l'insorgenza ictale clinicamente definita. Tutti i canali coinvolti in questa scarica elettrografica ictale sono considerati contatti SOZ, anche se catturano convulsioni che originano da diverse aree cerebrali.
   3. Durante l'evento ictale registrato su iEEG, segnare il picco di ogni raffica di scariche epilettiformi che si verifica in ciascun elettrodo intracranico ed eseguire la localizzazione della sorgente su questi eventi ictali utilizzando il metodo ECD come precedentemente descritto nei passaggi 4.1.7-4.1.10.
   4. Confrontare i risultati della localizzazione iEEG rispetto al SOZ clinicamente definito come gold standard per i risultati della localizzazione della fonte.

Discussione

In questo studio, illustriamo la configurazione sperimentale per registrare simultaneamente MEG e HD-EEG in bambini con DRE mentre riposano/dormono, eseguono un compito o ricevono stimoli e proponiamo un quadro metodologico per localizzare la zona irritativa, la SOZ e le aree cerebrali eloquenti utilizzando EMSI, nonché MSI ed ESI individuali. Forniamo inoltre raccomandazioni tecniche per l'unione di dati MEG e HD-EEG provenienti da diversi prodotti disponibili in commercio che presentano caratteristiche uniche. Presentiamo i dati di tre casi per migliorare l'utilità clinica dell'EMSI nella localizzazione delle aree cerebrali epilettogene ed eloquenti. I risultati qui indicano che i risultati EMSI superano quelli ottenuti con entrambe le modalità da sole, molto probabilmente a causa del valore additivo delle proprietà complementari dei segnali MEG ed EEG nella soluzione combinata e probabilmente a causa dell'aumento del numero di sensori utilizzati per registrare i dati (>550 sensori). In particolare, l'EMSI ha localizzato in modo non invasivo l'irritativo e le SOZ con risultati concordanti come ESI sul gold standard iEEG, che ha confermato le osservazioni cliniche.

La metodologia proposta include le seguenti fasi critiche: (i) acquisizione di alta qualità di registrazioni simultanee MEG e HD-EEG (cioè SNR elevato) con un elevato campionamento spaziale di sensori (>550 sensori) che coprono l'intero cervello delle attività interictali e ictali, nonché campi e potenziali evocati visivi, motori, uditivi e somatosensoriali, da bambini con DRE (fasi 3.1-3.2); (ii) sincronizzazione temporale e co-registrazione spaziale di segnali MEG e HD-EEG registrati con diversi sistemi di acquisizione (step 3.12); (iii) un'attenta pre-elaborazione e selezione di porzioni di dati contenenti attività interictale (fasi 4.1.1-4.1.7), attività di insorgenza ictale (fasi 4.2.1-4.2.7) e risposte correlate agli eventi (fasi 4.3.1-4.3.6), rispettivamente; e (iv) localizzazione accurata della sorgente della zona irritativa, SOZ e aree cerebrali eloquenti di interesse utilizzando metodi di localizzazione della sorgente affidabili (ad esempio, ECD con clustering e dSPM) (passaggi 4.1.8-4.1.9, 4.2.8-4.2.9 e 4.3.7-4.3.9, rispettivamente).

Il passaggio più critico quando si eseguono registrazioni simultanee MEG e HD-EEG è quello di sincronizzare spazialmente (allineamento tra gli spazi di coordinate) e temporalmente (correzione della deriva lineare dell'orologio) i dati registrati dai due sistemi di acquisizione. Tale sincronizzazione è fondamentale per garantire la corretta identificazione degli eventi interictali, ictali e visivi/motori/uditivi/tattili che si verificano contemporaneamente nei segnali MEG e HD-EEG. Errori nella selezione del punto temporale di questi eventi possono influenzare i risultati della localizzazione della sorgente e identificare aree del cervello che non sono necessariamente coinvolte nella generazione di questi eventi.

I sistemi MEG offrono spesso sistemi EEG compatibili a 32, 64 e 128 canali incorporati nel prodotto per l'esecuzione simultanea di misurazioni MEG ed EEG. In questi casi, non è necessario sincronizzare temporalmente i dati inviando segnali di trigger comuni. Allo stesso modo, la maggior parte dei sistemi EEG sono oggi compatibili con tutti i sistemi MEG. Nonostante questi progressi nell'hardware, solo pochi centri per l'epilessia eseguono registrazioni simultanee MEG e HD-EEG come parte della valutazione prechirurgica. Qui, abbiamo sfruttato tale integrabilità e abbiamo combinato i sistemi MEG a 306 canali e EEG a 256 canali per registrare simultaneamente l'attività cerebrale con >550 sensori che coprono la testa del soggetto. Finora, sono disponibili pochi software per l'analisi avanzata di dati MEG, HD-EEG e iEEG (ad esempio, Brainstorm, CURRY, EEGLab, FieldTrip, MNE o NUTMEG). Sono quindi necessari studi futuri per convalidare la metodologia proposta con un nuovo software di analisi di neuroimaging. Infine, la combinazione di MSI ed ESI in un'unica soluzione (EMSI) ha aumentato la complessità computazionale dell'analisi dei dati.

Il metodo descritto presenta alcune limitazioni che dovrebbero essere affrontate in studi futuri. Abbiamo selezionato manualmente gli IED che si verificano sia sui dati MEG che HD-EEG di due pazienti rappresentativi, ignorando i picchi interictali che si sono verificati in uno solo dei due segnali (MEG o EEG). La selezione manuale dei picchi può essere un approccio soggettivo e dispendioso in termini di tempo che può essere semplificato utilizzando approcci automatizzati per il rilevamento degli IED sviluppati negli ultimi decenni^57,58,59. Tuttavia, l'ispezione visiva è sempre consigliata per un'analisi attenta e un rilevamento raffinato di ogni IED. Inoltre, abbiamo usato il SOZ come approssimatore dell'EZ. Tuttavia, la SOZ non sempre prevede gli esiti chirurgici^60,61,62,63. Gli studi futuri possono, quindi, utilizzare l'esito chirurgico come verità di base per una delineazione più precisa dell'EZ^{13,14,15,16,17,19,20}. Sebbene le convulsioni possano essere rilevate con successo utilizzando MEG ed EEG simultanei e localizzate utilizzando tecniche di localizzazione della fonte appropriate^44,64, è relativamente raro registrare tali eventi ictali nella pratica clinica, specialmente da pazienti ambulatoriali in ASM. Ciò è dovuto principalmente alla durata limitata delle registrazioni MEG e agli eccessivi movimenti del corpo che si verificano durante le convulsioni (ad esempio, la testa del paziente è scivolata fuori dal dewar), che possono causare artefatti biologici che possono influenzare gravemente i risultati della localizzazione della fonte. In una recente revisione, Stefan et al. ha riportato l'insorgenza di convulsioni durante le registrazioni MEG nel 7%-24% dei pazienti, con un tempo medio di registrazione da 30 minuti fino a 5,7 ore in diversi studi⁶⁵. Al CCMC, 18 pazienti su 89 (20,2%) hanno avuto eventi ictali catturati durante registrazioni simultanee MEG e HD-EEG eseguite negli ultimi ~2 anni. Tuttavia, solo 8 dei 18 pazienti (44,4%) sono stati analizzati con successo. Nei casi in cui le registrazioni MEG interictali mostrino risultati normali o inconcludenti, è possibile utilizzare MEG ictale o HD-EEG per localizzare l'EZ con elevata precisione. Tuttavia, i requisiti tecnici e logistici per queste registrazioni dovrebbero essere affrontati. Inoltre, i dati rappresentativi per la localizzazione eloquente della corteccia tramite EMSI non sono stati confrontati con alcun gold standard per la localizzazione di queste aree funzionali del cervello, come la risonanza magnetica funzionale non invasiva o la stimolazione elettrocorticale intraoperatoria. Ulteriori indagini potrebbero, quindi, integrare EMSI e fMRI verso uno strumento di imaging multimodale non invasivo per migliorare l'accuratezza della localizzazione di queste aree cerebrali eloquenti nei bambini con DRE. Questo lavoro può anche essere esteso per localizzare altre aree funzionali del cervello, come le regioni eloquenti del linguaggio. La localizzazione delle funzioni linguistiche è di fondamentale importanza durante la valutazione prechirurgica dei pazienti con DRE per determinare la loro candidatura chirurgica, pianificare l'estensione della resezione chirurgica e prevenire deficit funzionali postoperatori permanenti⁶⁶. Diversi studi non invasivi hanno dimostrato che la mappatura linguistica utilizzando il MEG può fornire risultati concordanti, simili al test Wada invasivo, che è spesso considerato il gold standard per identificare l'emisfero linguistico dominante^67,68,69,70. Uno studio recente ha proposto un approccio multimodale in cui la combinazione di diverse tecniche (ad esempio, mappatura della stimolazione corticale, elettrocorticografia ad alta gamma, risonanza magnetica funzionale e stimolazione magnetica transcranica) può fornire informazioni reciproche, confermative e complementari per la mappatura del linguaggio prechirurgico⁷¹. Nonostante questi vantaggi, la mappatura delle aree linguistiche è ancora impegnativa nei pazienti pediatrici che presentano barriere cognitive, intellettuali e linguistiche a causa della loro età. Pertanto, nel prossimo futuro dovrebbero essere sviluppati compiti più specifici per l'età e configurazioni a misura di bambino. In questo lavoro, abbiamo analizzato i dati MEG e HD-EEG utilizzando un software non certificato per scopi clinici. Sebbene questi strumenti si siano dimostrati preziosi ed efficaci, comportano problemi di responsabilità che dovrebbero essere considerati quando si riportano i risultati della valutazione prechirurgica per uso clinico. Qui, descriviamo le procedure per le registrazioni HD-EEG utilizzando solo sistemi di elettrodi EEG a base di spugna. I sistemi alternativi che utilizzano elettrodi EEG a base di gel sono ampiamente utilizzati sia in ambito clinico che di ricerca. Sebbene forniscano registrazioni EEG SNR più elevate, richiedono un tempo di preparazione più lungo (~40-60 min) e quindi sono meno adatti per l'uso pediatrico. In alternativa, diversi laboratori utilizzano sistemi EEG a base di gel a bassa densità durante le registrazioni MEG, che sono vantaggiosi in termini di tempo di preparazione (rispetto ai sistemi HD-EEG), ma offrono una risoluzione spaziale significativamente inferiore a causa del ridotto numero di elettrodi che coprono l'intero cuoio capelluto^12,16,72,73.

Attualmente, la localizzazione delle aree cerebrali epilettogene nei pazienti con epilessia è ancora ottenuta principalmente con il monitoraggio iEEG. Inoltre, la metodologia per la localizzazione precisa delle aree cerebrali eloquenti è scarsamente definita, e le configurazioni sperimentali attualmente utilizzate nei laboratori MEG sono inappropriate per i pazienti pediatrici, mentre l'uso dell'HD-EEG per questo scopo è molto limitato. Un'accurata localizzazione di queste aree può facilitare la valutazione prechirurgica e aumentare la pianificazione chirurgica per la resezione o il posizionamento degli elettrodi iEEG. Finora, diversi studi hanno indagato il contributo di ESI o MSI nella valutazione prechirurgica di pazienti con DRE ed epilessie focali per l'identificazione delle EZ 12,13,14,15,16,17,18,19 e delle aree eloquenti della corteccia somatosensoriale⁴¹rispettivamente. Pochi studi hanno dimostrato migliori risultati di localizzazione della sorgente e prestazioni di previsione dei risultati utilizzando EMSI rispetto a MSI o ESI da soli 13,31,42. Nonostante questi risultati, la registrazione di MEG ed EEG viene raramente eseguita contemporaneamente e MSI ed ESI sono implementati solo in pochi centri per l'epilessia in tutto il mondo. Per quanto ne sappiamo, questo è il primo studio che fornisce suggerimenti per la raccolta e l'analisi simultanea di dati MEG e HD-EEG, nonché per l'esecuzione di EMSI nell'epilessia pediatrica per l'identificazione non invasiva della zona irritativa, SOZ e aree cerebrali eloquenti, vale a dire cortecce visive primarie, motorie, uditive e somatosensoriali.

Qui, abbiamo eseguito l'EMSI su picchi interictali ed eventi ictali rilevati su dati simultanei non invasivi di due pazienti con DRE (Casi 1 e 2) e abbiamo ottenuto un errore di localizzazione della sorgente di ~9 mm e ~12 mm dal SOZ, rispettivamente, in linea con gli studi precedenti⁴². Sorprendentemente, un tale metodo ha raggiunto un'accuratezza di localizzazione paragonabile ai risultati intracranici (cioè ESI su dati iEEG), con dipoli raggruppati localizzati nell'area cerebrale individuati come epilettogeni dalle osservazioni cliniche (Figura 3C e Figura 4B). Utilizzando i dati non invasivi di un terzo paziente rappresentativo con DRE (Caso 3), abbiamo anche eseguito l'EMSI su attività evocate visivamente, motoriamente, uditiva e somatosensoriale e abbiamo trovato modelli di attivazione della fonte prominenti nelle corrispondenti aree eloquenti del cervello (ad esempio, cortecce visive, motorie, uditive e somatosensoriali) (Figura 5C, Figura 6C, Figura 7C e Figura 8C).

I nostri risultati sono stati derivati dalla fusione di informazioni complementari acquisite dalle modalità MEG ed EEG che possono migliorare l'accuratezza della localizzazione. L'EEG è ben noto per riflettere tutte le correnti intracraniche, mentre il MEG è per lo più sensibile alle fonti tangenziali e cieco alle fonti cerebrali profonde^29,74. Come dimostrato in questo studio, la combinazione di MEG ed EEG può, quindi, superare i limiti di ciascuna modalità, fornire risultati di localizzazione superiori e identificare aree cerebrali epilettogene ed eloquenti che ESI o MSI potrebbero aver perso se usati da soli. Inoltre, presentiamo un approccio alternativo non invasivo per la mappatura delle aree cerebrali eloquenti utilizzando EMSI in quei pazienti che non sono stati sottoposti a fMRI durante la loro valutazione prechirurgica.

La localizzazione delle aree cerebrali epilettogene ed eloquenti utilizzando tecniche non invasive, come MEG ed EEG simultanei, è un passo essenziale durante la valutazione prechirurgica dei bambini con DRE per la completa rimozione o disconnessione dell'EZ, preservando le aree corticali eloquenti. La metodologia proposta offre una descrizione dettagliata dell'acquisizione e dell'analisi di dati simultanei MEG ed EEG che supporta la sua applicazione non solo nella valutazione prechirurgica dell'epilessia, ma anche nelle neuroscienze cognitive per esplorare le funzioni fisiologiche del cervello sano sia nei bambini con sviluppo tipico che negli adulti sani, nonché i cambiamenti morfologici e funzionali del cervello associati all'epilessia o ad altri disturbi neurologici. Studi futuri che indagano le reti cerebrali epilettogene potrebbero anche valutare se gli hub di rete (cioè le regioni cerebrali altamente connesse) stimati in modo non invasivo utilizzando EMSI su dati MEG e HD-EEG simultanei possono localizzare in modo più accurato l'EZ nei bambini con DRE rispetto a quelli stimati utilizzando MSI e/o ESI da soli 75,76,77. Inoltre, la mappatura non invasiva delle propagazioni spazio-temporali di picchi e increspature (i.e., oscillazioni ad alta frequenza, >80 Hz), stimate attraverso EMSI, può aiutare a comprendere meglio i meccanismi fisiopatologici di propagazione dell'attività epilettiforme e valutare in modo non invasivo il generatore di insorgenza di queste propagazioni che è un preciso biomarcatore dell'EZ^78,79. Il protocollo presentato può aiutare a studiare ulteriormente la complementarità dei sistemi MEG ed EEG esaminando la sensibilità degli array di sensori MEG ed EEG a sorgenti di diversi orientamenti. Tale analisi può fornire informazioni sulle proprietà elettrofisiologiche del cervello durante l'esecuzione simultanea di MEG e HD-EEG.

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
AIRSTIM unit	SD Instruments	N/A	The SDI AIRSTIM system is an alternative unconditioned stimulus to shock
Baby Shampoo	Johnson's	N/A	Baby Shampoo is as gentle to the eyes as pure water and is specially designed to gently cleanse baby’s delicate hair and scalp.
Control III disinfectant cleaning solution	Maril Products, Inc.	http://www.controlthree.com/	Disinfectant and germicide solution formulated for hospitals
Elekta Neuromag	TRIUX	NM24132A	Comprehensive bioelectromagnetic measurement system characterized by 306-channel neuromagnetometer for functional brain studies
FASTRAK	Polhemus technology	NS-7806	Using A/C electromagnetic technology, FASTRAK delivers accurate position and orientation data, with virtually no latency. With a single magnetic source, FASTRAK delivers data for up to four sensors. The source emits an electromagnetic field, sensors within the field of range are tracked in full 6DOF (6 Degrees-Of-Freedom). Setup is simple and intuitive, with no user calibration required.
Genuine Grass Reusable Cup EEG Electrodes	Natus Medical, Inc.	N/A	Each Genuine Grass EEG Electrode undergoes rigorous mechanical and electrical testing to assure long life for unsurpassed recording clarity and dependability.
Geodesic Sensor Net	Electrical Geodesics, Inc.	S-MAN-200-GSNR-001	32 to 256 electrodes to place on the human head to aquire dense-array electroencephalography data
GeoScan Sensor Digitization System	Electrical Geodesics, Inc.	8100550-03	Handheld Scanner and Software for 3D electrode position registration
Natus Xltek NeuroWorks	Natus Medical, Inc.	https://natus.com/	The Natus NeuroWorks platform simplifies the process of collecting, monitoring and managing data for routine EEG testing, ambulatory EEG, long-term monitoring, ICU monitoring, and research studies.
Natus NeuroWorks EEG Software	Natus Medical, Inc.	https://natus.com/neuro/neuroworks-eeg-software/	NeuroWorks EEG software simplifies the process of collecting, monitoring, trending and managing EEG testing data, allowing care providers to save time and focus on delivering the best care.
ROSA ONE Brain	Zimmer Biomet	https://www.zimmerbiomet.com/en/products-and-solutions/zb-edge/robotics/rosa-brain.html	ROSA ONE Brain is a robotic solution to assist surgeons in planning and performing complex neurosurgical procedures through a small drill hole in the skull.
Ten20 Conductive Paste	Weaver and company	N/A	Ten20 contains the right balance of adhesiveness and conductivity, enabling the electrodes to remain in place while allowing the transmittance of electrical signals.