定位脳波を使用して、ディープ皮質の機能と下構造の調査：前帯状皮質からの教訓は、

要約

定位脳波（SEEG）は発作病巣をローカライズを助けるためにてんかん手術で使用手術技法である。また、脳機能を研究するユニークな機会を与える。ここでは、SEEGはヒト対象における認知プロセスを調査するために使用することができる方法について説明します。

要約

定位脳波（SEEG）は医学的に難治性てんかんの患者で発作病巣をローカライズするために使用される技術である。この手順では、硬膜下グリッド電極の配置を介して、典型的にはアクセス不可能な脳の領域に複数の深さの電極の慢性的配置を含む。 SEEGは、このように脳機能を研究するユニークな機会を提供します。本論文では、SEEG、認知制御で背側前帯状皮質（DACC）の役割を調査するために使用することができる方法を示します。我々は、電極の外科配置を実証し、SEEG手順の説明が含まれています。我々は、彼らが行動のタスクに従事している間に被写体を同意からローカルフィールドポテンシャル（LFP）のデータを記録するために必要なコンポーネントとプロセスについて説明します。提供された例では、エリア、被験者は認知干渉課題を果たし、我々は、信号が背側前帯状皮質内の電極から記録され、分析される方法を示しintimately意思決定に関与。我々は、この方法は、人間の認知プロセスを調査するために使用できる方法の更なる提案を結論付ける。

概要

てんかん、時間をかけて複数の再発性発作によって特徴づけられる一般的な神経学的障害は、病気¹の世界的な負担の1％を占めています。患者^2,3の30％ -抗てんかん薬は20に発作を制御することができない。これらの医学的に難治性の患者では、てんかん手術は、多くの場合^、4,5が示されている。手術を続行するという決定は、発作焦点、手術計画を策定するための前提条件を見つける必要があります。最初に、非侵襲性の技術がlateralizeおよび発作焦点をローカライズするために使用される。脳波（EEG）は、例えば、対策皮質の電気的活動は、頭皮上に配置された電極から記録され、多くの場合、発作焦点の位置についての十分な情報を提供することができる。また、磁気共鳴イメージング（MRI）は、海馬硬化症、医学的に難治性てんかんの最も一般的な形態で見られる古典的な病理学、近心トンなどの個別の病変を示すことができるemporal葉てんかん（MTLE）。

しばしば、しかし、非侵襲的精密検査は、発作焦点を識別することができません。これらの場合には、脳内の電極と侵襲脳波（ECOG）がフォーカスをローカライズし、外科処置^6を案内するために必要とされる。 ECOGは、脳と直接接触して配置された電極を用いて電気的活性を測定するために使用される神経生理学的技術である。表面の格子またはストリップ（硬膜）の電極は、脳の表面上開頭術（骨弁の除去）及び硬膜の大きな開口部を必要とするプロセスに配置される。これらの表面電極は、発作発症の推定上の領域（単数または複数）の上に配置することができる。電極の先端が皮膚の​​小さな開口部を介してトンネリングさてんかん監視ユニット（EMU）に記録装置に接続されている。 EMUでは、患者は、連続した映像とECOG記録を通じて臨床発作活動のために監視される。この技術のiS皮質表面の比較的大きな面積にわたって（数日から数週間）発作と発作の放電の録音を長期的に収集するための便利。これらの頭蓋内の録音が発作病巣と伝播を調査するための臨床的に非常に貴重であるが、彼らはまた、特別に設計された行動のタスクを受けているヒトでの認知機能と神経生理学を研究する機会を提供してくれる。

硬膜下グリッド電極を用いECOGは、感覚および言語処理を含む皮質機能の様々な側面を研究するために使用されてきた。多くの例の一つとして、ブシャールらは腹感覚運動皮質における話し言葉のための音節の形成における経口筋肉組織の一時的な協調、人間の音声感覚運動皮質⁷として同定された領域を示した。また、硬膜下グリッド配置にECOGはまた、ヒトをATTENすることができる機序を研究するために利用されている群衆の中の特定の声にD：いわゆる「カクテルパーティー効果^」8,9。 ECOG記録は、動的に音声ストリームを追跡する二つの異なるニューロンのバンドが存在することが、低周波の位相と高ガンマ振幅変動の両方を示し、別個のプロセシング部位が存在すること - 両方のスピーカーを追跡するための1つの「変調」サイト、一「選択」出席したトーカ^5を追跡サイト。

硬膜下電極配置とECOGの別の新たなアプリケーションは、外部出力を駆動するために神経活動を「デコード」ブレインコンピュータインタフェース（BCIは）で使用する可能性である。この技術は、重度の脳または脊髄傷害を有する患者は世界と通信し、補綴物^10,11を操作することを可能にする可能性がある。

硬膜下グリッドの配置は、スーパーの理解に大きく貢献してきたがficial皮質領域及び皮質てんかん焦点の同定に有用であるが、この技術は、開頭術とそれに付随するリスクを必要とし、一般的に脳​​の外表面を研究に限られている。定位脳波（SEEG）が深いてんかん焦点¹²の評価を可能にする技術である。フランスとイタリアでの使用の長い歴史を持つ、それはまた、ますます米国¹³で使用されている。 SEEGは、複数の電極の配置を伴う（通常は10から16）深い小さな（数mm）ツイストドリルバリホールを通して脳の物質の中。硬膜下グリッド配置をSEEGの利点は、低侵襲性の性質、必要なときに両側性半球を調べることを容易に、かつ、発作伝搬の三次元マップを生成する能力を含む。さらに、これらの電極は、表面電極で識別することが以前に困難であった深いてんかん焦点の同定を可能にする。この手順は、提供します：ES直接ヒトに調査する以前に困難であったそのすべてがそのような大脳辺縁系の深皮質の構造、mesoparietal皮質、mesotemporal皮質、および眼窩前頭皮質の神経生理学と機能を調査する機会を。

本論文では、SEEGが背側前帯状皮質（DACC）の認知機能を調べるために利用することができる方法を示しています。 DACCは広く研究脳の領域であるが、それはまた最もよく​​わかっていないの一つです。人間の認知のための重要な地域と考えられ、それがDACCが継続的に環境¹⁴によって課される要求の変化との関連での意思決定の動的な神経処理の中心となる可能性がある。両方の霊長類^15,16と^17のヒトでの研究は、DACCは、特に複数の同時相反する要求^18-21の状況では、特定のアクションの潜在的なリスクと報酬を統合し、そしてmことを示唆している以前の行動とその結果^14,22,23のコンテキストでこれらの決定をodulates。

マルチソースの干渉課題（MSIT）、ストループのような行動のタスクは、頻繁にDACCの紛争処理を調査するために使用されます。 MSITタスクはDACC ^24,25により規制処理の複数のドメインに関与ニューロンを補充することによってDACCを活性化させる。このタスクは、具体的な意思決定、目標検出、ノベルティ検出、エラー検出、応答選択、および刺激/応答の競争の機能をテストすることによってDACCを活性化させる。また、MSITタスクはSEEGを用いた同時相反する刺激にDACC神経応答を調査するために、本研究で利用されている認知干渉の複数の次元を、紹介します。

プロトコル

各患者は、調査研究のための適性について検討され、適切な患者は地元のIRBの手順に従って研究への参加のために同意しなければならないことを確認してください。

SEEGと研究のための1。患者の選択

1. SEEGための患​​者の選択
   注：てんかん患者が臨床的にてんかん専門医、神経心理学者や神経外科医からなる学際的なチームによって評価されなければならない。
   1. 患者が抗てんかん薬の少なくとも2適切な臨床試験に対応するための障害として定義され、医学的に難治性てんかんの焦点があることを確認してください。
   2. 非侵襲的技術はてんかん焦点をローカライズするために失敗したことを確認してください。
   3. 患者は唯一の硬膜下グリッド電極での調査に適していないことを学際的なチームで確認してください。
   4. 深い発作発症ゾーンの臨床的疑いがあることを学際的なチームで確認してください。
2. 研究課題のための患者の選択
   1. 対象は、13と65歳の間にあることを確認してください。
   2. 患者から（もし18歳未満の親の同意と一緒に）同意または同意を取得します。
   3. 被験者がタスクに出席し、検査に協力することが可能であることを確認します。

2.準備と注入技術

1. 製造業者のプロトコルに従って、術前体積T2と造影容積のT1 MRIを行い、定位ナビゲーションソフトに画像を転送します。
   1. MRIと発作病巣の臨床的疑いに基づいて深さ電極目標を計画します。
      注：提供された例は、ブレインラボナビゲーションソフトウェアをベースにして、このシステムに固有のものですされている。しかし、任意の定位ナビゲーションソフトウェアは、深部電極軌道と配置を計画するために使用することができる。
   2. として関心の解剖学的領域を定義します定位ナビゲーションソフトウェアの「定位計画」機能内のターゲットポイント。
   3. 例えば、目的のターゲットとしてDACCを使用しています。その軌道を押し定義するには、「新しい軌道を、「それから「ターゲット」を押し、DACCをクリックしてください。 （冠状とサジタル軸、）すべての3面にDACCを調べ、各平面におけるDACCの真ん中をクリックすることでDACCの途中で目標をセンター。
      1. 定位ナビゲーションソフトウェアの「定位計画」関数の中で、頭皮上のエントリポイントを定義します。
   4. 例えば、DACCへの最短経路であるように思われる頭皮上のポイントを選択します。を押し、「エントリ」とエントリーポイントを作るために頭皮上のポイントを選択します。
   5. 「目標」と「エントリー」ポイント皮質と皮質下血管構造を避けるために定義された軌道を修正するだけでなく、潜在的な雄弁CEをクリックしてドラッグrebral地域。
   6. すべての計画された深さ電極ターゲット（ 図1）について、この手順を繰り返します。
   7. 手術の朝に患者を認め、手術室にもたらす、と全身麻酔の^26,27の下に誘導する。
   8. 頭蓋骨のネジで患者の頭部にコスマン·ロバーツ - ウェルズ（CRW）定位ヘッドフレームを取り付けます。
   9. 所定の位置にヘッドフレームとの容積測定CTを取得します。
   10. 「ロードおよびインポート」機能を経由して定位ナビゲーションソフトに容積測定CTやMRIの画像をロードします。
   11. 定位ナビゲーションソフトウェア内の「ローカリゼーション」機能をクリックします。
   12. ヘッドフレームを含む、次に「ローカライザーの割り当て」ボタンを押すように定位ナビゲーションソフトウェアによって定義されたすべての画像をクリックすることでCRWのヘッドフレームをローカライズ。
   13. 定位ナビゲーションソフトウェア内「AC / PCローカリゼーション」機能をクリックします。
   14. イド彼らの解剖学的位置に基づいて、前方および後方交連をentify。
   15. 定位ナビゲーションソフトウェア内の「AC / PCシステムの設定」機能を経由して前方および後方交連を指定します。
   16. 定位ナビゲーションソフトウェア内の「画像融合」機能をクリックします。
   17. 定位ナビゲーションソフトウェア^28,29にMRI画像とCT画像をマージします。 「融合」タブの下にペア容積測定CTとMRI画像をクリックし、「自動フュージョン」をクリックします。
       注：これは、定位フレーム座標内でMRIを配置します。
   18. 定位ナビゲーションソフトウェア内の「定位計画」機能をクリックし、手順2.1.2から計画された軌道を確認 - 2.1.6を。
   19. 「定位機能」タブの下の定位を基準に、体積CTを選択してください。
   20. T内の「印刷」アイコンをクリックします各深さ電極軌道^30,31のための最終的な定位座標を印刷するアイコンの彼縦の列。
2. 移植技術
   1. CTスキャン、次の手術室に患者を返します。
   2. 準備し、日常的に滅菌方法^32,33を使用して手術野をドレープ。
   3. 蛍光透視鏡は、手術室にあり、手術野の残りの部分と一緒に覆われていることを確認してください。
   4. ステップ2.1.20から印刷定位座標を用いて、ヘッドフレーム上の第1の深さの電極の座標を設定する。
      定位座標は3面で与えられる：横方向（x）に、垂直（y）をし、前方 - 後方（z）を注意してください。例えば、右DACC内のターゲットのための印刷された座標は48.2ミリメートルAP、6.6ミリメートル、横方向および2.2ミリメートル垂直である。ヘッドフレームは、それに応じてそれらの座標に設定されています。
   5. 皮膚までguideblockを拡張し、sにバーホールの位置をマークマーキングペンでCALP。定位座標に基づいて所定の位置にguideblockを修正し、そのように、何のランドマークは、切開をマークする必要はありません。
   6. マークされた切開にエピネフリン100,000希釈：1の0.5％ブピバカインの3ミリリットル - 2を注入。
   7. マークダウン切開に頭蓋骨にメスで頭皮にニックを作る。
   8. 皮膚や皮下組織における血管からの出血を最小限にするために、コーティングされた栓子と監督モノポーラ焼灼を使用して、真皮および深部組織を焼灼。
   9. 切開の途中で2.1ミリメートルツイストドリルビットを使用して、バーホールを開けます。
   10. 剛性栓子プローブで硬膜を開きます。頭蓋骨にアンカーボルトをねじ込み。電極のためのトラックを作るためにアンカーボルトを介して、予め測定スタイプローブを配置します。
   11. 慎重に事前に計算された深さに電極を進める。電極を固定するためにダウンアンカーボルトキャップを締めます。
   12. すべてに対してこのプロセスを繰り返し深さ電極。
   13. X線透視下に置き、すべての電極の適切な配置の軌道を確保するためにX線透視画像を得るためにAPと横方向平面の両方で患者の頭を取り囲む。
   14. 適切なインピーダンスを確認するために、臨床EEGシステムに電極を接続します。
   15. 回復室に​​麻酔および輸送から患者を目覚め、その後EMUへ。
   16. EMUには、発作のエレクトロ証拠のための臨床発作のための閉回路の監視を介してECOGを介して患者を監視します。

3.行動タスクとデータ収集

1. 行動タスク
   1. 行動のソフトウェアを実行してのみに専念し、コンピュータに行動するソフトウェアを開きます。
      MonkeyLogic、プレゼンテーションおよび時間的に正確な心理物理タスク^34,35の実行のために設計されたMATLABのツールボックスに基づいているの指示にとSP、したがって、次のとおりです。注意してくださいその行動のソフトウェアプラットフォームにecific。このプログラムは、Matlabのバージョン2010A上で実行され、必要とされる「データ取得ツールボックス」が、視覚刺激を提示し、電気生理学的データを記録することが可能な任意の行動ソフトウェアプラットフォームを使用することができる。
   2. 等しい周波数の4つのすべてのトライアルタイプを含めるようにMSITタスクを実行するように設計された条件ファイルを設定します。
      注：MSITタスクは数字の2、「正解の選択肢」は、同じ一つの数は0と3の間の3つの数字、の合図で主題を提示するから成り、「ターゲット」は、異なっている。
      1. ボタンボックスの対応するボタンを押すことで「ターゲット」を識別するための主題を指示します。 「1」はターゲットである場合は、左のボタンは正しい選択である。 '2'、中央のボタン、および「3」の場合、右ボタンの場合。 「0」が可能ボタンに対応していない（ 図2）。
   3. 「条件設定」ボタンを押して、前のステップで設定された所望の条件ファイルを選択します。
      注：意思決定プロセスの間の衝突を誘発認知干渉の2種類がある。正解の選択肢が可能である場合フランカー干渉試験が生じる（1、2、または3、ではなく0）ボタンの選択（ 例えば 、121）、ターゲット数の空間的位置は、応答位置と異なる場合、空間的干渉試験が発生しつつ（ 例えば、200 、ここで中央のボタンは、ターゲット番号）が左の位置にあるという事実にもかかわらず、正しい応答である。これら2つの干渉型の存在または非存在に基づいて、4つの試行タイプがある。
   4. 表示ボックスに「テスト」をクリックすることで、行動ディスプレイモニタをテストします。 3秒 - ディスプレイモニタには、2のためのテスト視覚刺激を表示する必要があります。
   5. データ上のアナログ入力に対象インターフェイスデバイス（ボタンボックス）を接続しますコンピューター上で取得ボードは、3つの標準BNCケーブルを経由して電気生理学的データを記録に専念。
   6. 電源にボタンボックスを接続します。
   7. 9リボンにリボンケーブルのスプリットを経由して512チャンネル神経信号プロセッサへのデータ収集ボードを接続します。 9 ^{番目のリボン}は、データ収集ボードのデジタルPFI部にポート0に接続されているデータ収集ボードのデジタルI / O部に7 -リボン8は、ポート0に接続されている。
      注： - 神経信号プロセッサにとストローブパルス（ポート0、デジタルPFI）、リボンは、8ビットのデジタルマーカー（7、デジタルI / Oポート0）を送る。
   8. 神経信号処理ソフトウェアで所望のサンプリングレートを設定する。
      1. この例では、第二50,000サンプルに所望のサンプリングレートを設定するエイリアスダウンサンプルオンライン秒1,000サンプル。タスクの特定の目的に合わせてサンプルレートを調整する。ミリ秒以下の精度タイミング非常に高いサンプリングレートを必要とする。
   9. 光ファイバーケーブルを介して神経信号プロセッサにアンプを接続します。
   10. 光ファイバーケーブルを介して神経データ収集コンピュータ内のデータストリーマと光PCIカードに神経信号プロセッサを接続します。
2. データ収集
   1. 処理のための512チャンネル神経信号プロセッサを含む、深さ電極からデジタル化され、事前に増幅された電気信号をフィルタリングEMUの電気生理学のための研究リグを使用してください。
      注： - 臨床目的のために置か20の電極加工用の512チャンネルがありますが、実際には、15以上を起こすことは決してありません。データサイズと空間分解能が問題になることはありませんしたがって、我々は、可能な限り多くの電極から記録することをお勧めします。
   2. 、患者の部屋にリグを輸送するポータブルテーブルの上に患者の前での行動モニターを配置し、行動制御コンピュータに接続する標準のDVIケーブルを使用しての行動ソフトウェアを実行している。
   3. できるだけ目立たないままにするために、患者のベッドの側の背後にあるかに記録リグを置きます。
   4. 臨床システムからの研究記録を分離するスプリッタボックスに研究体制を接続します。
   5. 神経信号プロセッサソフトウェア^34,35を用いて制御記録パラメータ。
      注：このシステムは、行動イ ​​ベント^34,35オーバーミリ秒以下の制御が可能。神経および行動データ間の同期はタスクイベントやデジタルマーカーをコードするアナログパルスのいずれかを用いて達成することができる。両方の信号は、神経信号プロセッサのアナログまたはデジタル入力データ収集ボード上のデジタルまたはアナログの出力のいずれかを送信することができる。
   6. 手受ける患者インターフェイス装置（ボタンボックス）及びタスク命令を与える。
   7. タスクを実行するために、「ファイル名を指定して実行」をクリックします。
   8. 患者への許可150試験は各2ブロックを完了します。

4.データ解析

1. 電気生理学的データの可視化を可能にするオープンソフトウェアパッケージ。
   注：以下に提供される指示は、MATLABのバージョン2010Aに固有のものですが、電気生理学的データの視覚化と操作を可能にする任意のソフトウェアを使用することができる。
2. トライアルセッションから生の電気生理学的データを含む.edfファイルを開きます。
3. てんかん様放電や運動アーチファクト（ 図3A）のような目に見える成果物がないことを確認するためにセッションからSEEG信号を可視化する。
4. パルストライアル構造を描写する方法を説明するためにアナログ生LFPトレース（ 図3B）上の行動タスクからのタイミングパルスを重ねる。
5. タイミングパルスを用いて、各試験（ 図3C）のためのキューの表示にSEEGトレースを合わせます。
6. 外れ値（> 4標準偏差）を取り外しとアーティファクトトレース（ 図3D）。
7. さらなる分析のためのマトリックス内のすべての整列試験を保存します（20試験は、図3Eに積み重ね示す）。
8. 試験全体の平均LFP活動は、与えられた刺激に関連していないノイズ、アーチファクト、またはEEG活動の影響を低減するために、目的の信号（ 図3F）を増大させる。
9. マルチテーパースペクトル解析^36-38を使用して生の、トライアル平均スペクトログラムを作成します。
   注：時間 - 周波数解析は、単一または複数の試験にわたって特定の周波数·時間ダイナミクスを研究するために使用することができる。この方法は、時間をかけて、異なる周波数でのニューロンの振動の調査を可能にします。
10. エッジ効果を避けるために2次の最大電力のゼロで、各試行からパッド信号を出力する。
11. 仕様を作成するための信号の持続時間5〜大手テーパーと800ミリ秒スライディングウィンドウと9 10ms毎の時間帯域幅積を適用しますtrogram（ 図4A）。
12. 10によるスペクトログラムのログを乗算し、高周波数情報を表示するために正規化する。
    注：スペクトログラムは理論頻度分布（負の第2乗を、それぞれの周波数値）（ 図4B）、いくつかのベースライン活性（ 図4C）の平均スペクトルにより、または平均値で除算し、減算することにより正規化することができる各周波数帯域の値の標準偏差（ 図4D）。この手順では、タスクに固有の変更についての経時的な両方の生の正規化形態の特定の周波数帯域の検査を可能にする。例えば、高ガンマ帯の活性化- 図3Eに示されている（70〜150ヘルツ）が、電極^39,40の周囲の局所ニューロン集団の局所興奮性の活性を反映していると考えられる。

結果

患者がSEEG電極配置のために選択されると、彼/彼女はMRI増強体積T2とT1コントラストを受ける。 SEEG電極の軌跡は、その後、容積MRIシーケンス（ 図1）の定位ナビゲーションを使用して計画されている。この技術は、典型的な表面電極配置では不可能背側前帯状皮質（淡橙色の軌跡、 図1）の深皮質内の構造から局所電場電位の収集を可能にする。術後にEMUで、患者がDAC...

ディスカッション

本論文ではSEEGは、ヒトにおける意思決定のタスクの実行中にDACC内のローカルニューロン集団の活動を調査するために使用された。以前の研究は、術中microelectode記録^14を使用して、DACC、個々のニューロンの活性を調査し、DACC活性は以前の活性により変調されることを実証した。微小電極の研究では、個々のニューロンのスパイク活動の調査を可能にする。 SEEGは、ニューロンの大集?...

資料

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BNC cables for analog pulses			Can be ordered from most electronics stores.
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Custom made button box - human interface device			Any human interface device with three buttons may be used. Alternatively, 3 keyboard buttons may be used.
Xltek 128 channel clinical intracranial EEG monitoring system EMU128FS	Natus Medical Inc.	002047c	Clinical recording system
Subject monitor and associated cables for visual stimulus presentation	Dell	U2212HMc	Most Monitors are adequate here.
Personal comptuer running behavioral software with DAQ cards installed	Superlogics	SL-2U-PD-Q87SLQ-BA	Computer for recording neural data
Mains cable for monitor			Usually comes with the monitor, can be purchased at any electronics store.
Monkey Logic software which runs on Matlab 2010A			Free from MonkeyLogic website
MATLAB 2010a software with data acquisition toolbox	Mathworks		Matlab software
sEEG electrodes AD TECH or PMT	AD TECH	2102-##-101	Platinum tip, diameter (0.89 mm, 1 mm, 1.1 mm), uninsulated length 2.3 mm; The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16)
Cabrio connectors	PMT	2125-##-01	The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16)
Tucker Davis Technologies Amplifier	Tucker Davs Technologies	PZ5	preamplifier for neural data
Tucker Davis Technologies processor	Tucker Davs Technologies	RZ2	Neural signal processor for neural data
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