Name: investigating the function of deep cortical and subcortical structures using stereotactic electroencephalography: lessons from the anterior cingulate cortex
Uploaded: 2015-04-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
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각각의 환자가 연구 조사에 대한 적합성을 검토하고, 해당 환자가 지역 IRB 절차에 따라 연구에 참여를 동의해야합니다 있는지 확인하십시오. SEEG 연구 1. 환자 선택 <ol><li> SEEG에 대한 환자 선택 참고 : 간질 환자가 임상 적으로 epileptologists, neuropsychologists 및 신경 외과로 구성된 다 학제 팀에 의해 평가해야합니다. <ol><li> 환자가 항 간질 약물의 이상이 적절한 시험에 대응하기 실패로 정의 의학적으로 내화 초점 간질을 가지고 있는지 확인하십시오. </li><li> 비 침습적 기술이 간질 초점을 지역화하는 데 실패했는지 확인하십시오. </li><li> 환자는 경막 그리드 전극을 조사하기에 적합하지 않습니다 학제 팀과 함께 확인합니다. </li><li> 깊은 발작 발병 영역의 임상 의혹이 있음을 여러 전문 분야 팀과 함께 확인합니다. </li></ol></li> &lt;리&gt; 연구 작업에 대한 환자의 선택 <ol><li> 그 주제는 13에서 65 세 사이의 확인하십시오. </li><li> 환자에서 (있는 경우 18 세 이하 부모의 동의와 함께)의 동의 또는 동의를 얻습니다. </li><li> 대상은 작업에 참석하고 테스트와 협력 할 수 있는지 확인합니다. </li></ol></li></ol> 2. 준비 및 주입 기술 <ol><li> 제조 업체의 프로토콜에 따라, 수술 전 체적 T2 및 대비 강화 된 체적 T1의 MRI를 수행하고 정위 내비게이션 소프트웨어로 이미지를 전송합니다. <ol><li> MRI 및 발작 병소의 임상 의혹에 따라 깊이 전극 목표를 계획합니다. 참고 : 제공된 예는 BrainLab 네비게이션 소프트웨어를 기반으로하며, 따라서이 시스템에 고유합니다. 그러나, 임의의 정위 네비게이션 소프트웨어는 깊이 전극 궤도와 위치를 계획하는데 사용될 수있다. </li><li> 로 관심의 해부학 적 영역을 정의정위 네비게이션 소프트웨어의 &quot;정위 계획&quot;함수 내 목표 지점. </li><li> 예를 들어, 관심의 대상으로 액셀러레이터를 사용합니다. 그 궤도를 눌러 정의하려면 &quot;새로운 궤도를,&quot;다음 &quot;대상&quot;을 눌러 DACC을 클릭합니다. (관상면과 시상 축) 3면에 액셀러레이터를 검사하고 각 평면에서 DACC의 중간에 클릭하여 DACC의 중간에 대상을 중앙에. <ol><li> 정위 네비게이션 소프트웨어의 &quot;정위 계획&quot;함수 내 두피에 진입 점을 정의합니다. </li></ol></li><li> 예를 들어, DACC에 최단 경로로 나타나는 두피의 점을 선택합니다. 보도는 &quot;항목은&quot;엔트리 포인트를 확인하기 위해 두피에 지점을 선택합니다. </li><li> 클릭 피질 및 피질 하 혈관 구조뿐만 아니라 잠재적 인 웅변 가전을 방지하기 위해 정의 된 궤도를 수정하기 위해 &quot;대상&quot;및 &quot;항목&quot;점을 드래그rebral 지역. </li><li> 모든 계획 깊이 전극 대상 (그림 1)을 반복합니다. </li><li> 수술의 아침에 환자를 인정, 수술실에 가져다 및 일반 마취 (26, 27)에서 유도한다. </li><li> 두개골 나사를 사용하여 환자의 머리에 Cosman - 로버츠 - 웰스 (CRW) 정위 headframe를 연결합니다. </li><li> 장소에 headframe와 체적 CT를 얻습니다. </li><li> &quot;로드 및 가져 오기&quot;기능을 통해 정위 네비게이션 소프트웨어에 체적 CT 및 MRI 이미지를로드합니다. </li><li> 정위 네비게이션 소프트웨어 내에서 &quot;현지화&quot;기능을 클릭합니다. </li><li> headframe를 포함하고 &quot;로컬 라이저 할당&quot;버튼을 눌러으로 정위 네비게이션 소프트웨어에 의해 정의 된 모든 이미지를 클릭하여 CRW의 headframe 지역화. </li><li> 정위 네비게이션 소프트웨어 내에서 &quot;AC / PC 한글판&quot;기능을 클릭합니다. </li><li> 신분증자신의 해부학 적 위치에 따라 전방과 후방 commissures을 entify. </li><li> 정위 네비게이션 소프트웨어 내에서 &quot;AC / PC 시스템 설정&quot;기능을 통해 전방과 후방 commissures을 지정합니다. </li><li> 정위 네비게이션 소프트웨어 내에서 &quot;이미지 퓨전&quot;기능을 클릭합니다. </li><li> 정위 내비게이션 소프트웨어 (28, 29)의 MRI 영상과 CT 영상을 병합합니다. &quot;퓨전&quot;탭 아래에있는 한 쌍의 체적 CT와 MRI 영상에 클릭 한 다음 &quot;자동 퓨전&quot;을 클릭합니다. 참고 :이 정위 프레임 좌표 내에서 MRI를 배치합니다. </li><li> 정위 네비게이션 소프트웨어 내에서 &quot;정위 계획&quot;기능을 클릭하고 단계 2.1.2에서 계획된 궤도 확인 - 2.1.6. </li><li> &quot;정위 기능&quot;탭에서 정위 기준으로 체적 CT를 선택합니다. </li><li> t에서 &quot;인쇄&quot;아이콘을 클릭합니다아이콘 그는 수직 열은 각 깊이 전극 궤적 (30, 31)의 최종 정위 좌표를 인쇄합니다. </li></ol></li><li> 주입법 <ol><li> CT 스캔 다음 수술실에 환자를 돌려줍니다. </li><li> 준비 루틴 및 멸균 방법을 사용 32,33 수술 부위를 내리면. </li><li> 형광 투시경이 수술실에 있고 수술 부위의 나머지와 함께 드리 워진 있는지 확인합니다. </li><li> 2.1.20 단계에서 인쇄 된 정위 좌표를 이용하여, 제 headframe에 깊이 전극 용 좌표를 설정한다. 정위 좌표는 3면에 나와 있습니다 : 가로 (X), 수직 (y)를하고 전후방 (Z)를 참고. 예를 들어, 오른쪽 DACC의 대상에 대한 인쇄 된 좌표는 48.2 mm AP, 6.6 mm 측면과 2.2 mm 수직이다. headframe는 그에 따라 그 좌표로 설정됩니다. </li><li> 피부 아래 guideblock를 확장 (S) 상에 버어 구멍의 위치를​​ 표시마킹 펜으로 calp. 정위 좌표와 같은 기반 장소에 guideblock 수정, 더 랜드 마크 절개를 표시 할 필요가 없습니다. </li><li> 표시된 절개로 에피네프린의 10 만 희석 : 1에서 0.5 % bupivicaine 3 ㎖ - 2를 주입한다. </li><li> 표시된 절개로 머리를 아래로 메스와 두피에 별명을 확인합니다. </li><li> 피부 나 피하 조직에있는 혈관으로부터 출혈을 최소화하기 위해 코팅과 밀폐 관한 폴라 소작을 사용 진피 깊은 조직을 소작. </li><li> 절개의 중앙에 2.1 mm 트위스트 드릴 비트를 사용하여 버 홀을 뚫는다. </li><li> 단단한 밀폐 프로브 경질를 엽니 다. 두개골에 앵커 볼트를 조이십시오. 전극 용 트랙을 만들기 위해 앵커 볼트를 통해 미리 측정 탐침 프로브를 놓습니다. </li><li> 조심스럽게 미리 계산 된 깊이에 전극을 진행합니다. 전극을 확보하기 위해 아래 앵커 볼트 캡을 조입니다. </li><li> 모두에 대해이 과정을 반복깊이 전극. </li><li> 아래 투시기를 놓고 투시 이미지를 얻기 위해 AP와 측면면 모두에서 환자의 머리를 둘러싼 모든 전극의 적절한 배치 궤적을 보장하기 위해. </li><li> 적절한 임피던스를 확인하기 위해 임상 EEG 시스템에 전극을 연결합니다. </li><li> 회복실에 마취 및 수송에서 환자를 깨워, 이후 EMU에. </li><li> EMU에서, 임상 적 발작과 발작의 전자 기록 증거 ECOG를 통해 폐쇄 회로 모니터링을 통해 환자를 모니터링 할 수 있습니다. </li></ol></li></ol> 3. 행동 작업 및 데이터 수집 <ol><li> 행동 작업 <ol><li> 컴퓨터에서 열려 행동 소프트웨어는 행동 소프트웨어를 실행에 전적으로 헌신. MonkeyLogic, 프리젠 테이션 및 시간적으로 정확한 정신 물리학 작업 (34, 35)의 실행을 위해 설계된 MATLAB 도구 상자를 기반으로 제공하는 지침 및 SP에 포함된다 참고 :그 행동 소프트웨어 플랫폼에 ecific. 이 프로그램은 매트랩 버전 2010A에서 실행 필요합니다 &quot;데이터 수집 도구 상자를.&quot;하지만, 시각적 자극을 제시하고 사용할 수있는 전기 생리학 데이터를 기록 할 수있는 어떤 행동 소프트웨어 플랫폼을. </li><li> 동일 주파수의 네 가지 시험 유형을 포함하도록 MSIT 작업을 실행하도록 설계 조건 파일을 설정합니다. 주 : MSIT 작업은 두 개의 숫자가 &#39;방해 자극이&#39;, 동일한 하나의 번호는 0과 3 사이에서 숫자 큐로 피사체를 제시 이루어져, &#39;목표&#39;는 다르다. <ol><li> 버튼 상자의 해당 버튼을 눌러 &#39;대상&#39;을 식별 할 수있는 주제를 지시합니다. &#39;1&#39;은 대상의 경우, 왼쪽 버튼은 올바른 선택입니다. &#39;2&#39;, 가운데 버튼, 그리고 만약 &#39;3&#39;, 오른쪽 버튼합니다. &#39;0&#39;이 가능한 버튼에 해당하지 않는다 (그림 2). </li&gt; </ol></li><li> &quot;조건 설정&quot;버튼을 누르면 이전 단계에서 설정 한 원하는 조건 파일을 선택합니다. 주 : 의사 결정 과정에서 충돌을 유발,인지 장애의 두 종류가있다. 방해 자극이 가능한 때 측면에 붙인 간섭 실험 발생 (1, 2, 또는 3이 아닌 0) 버튼 선택 (예., 121), 대상 번호의 공간 위치가 대응 위치에서 상이 할 때, 공간 간섭 실험이 발생하는 동안 (예를 들어, (200) , 여기서 중간 버튼 대상 번호)가 좌측 위치에 있다는 사실에도 불구하고 정답이다. 이러한 두 가지 유형의 간섭의 유무에 기초하여 네 개의 시험 유형이있다. </li><li> 디스플레이 상자에 &quot;테스트&quot;를 클릭하여 행동 디스플레이 모니터를 테스트합니다. 3 초 - 디스플레이 모니터 2에 대한 테스트 시각적 자극을 표시해야합니다. </li><li> 데이터에 아날로그 입력받는 인터페이스 장치 (버튼 박스)를 연결컴퓨터에 수집 보드는 세 가지 표준 BNC 케이블을 통해 전기 생리학 데이터를 기록하는데입니다. </li><li> 전원 버튼 상자를 연결합니다. </li><li> 9 리본으로 리본 케이블 (512)을 통해 분리 채널 신경 신호 프로세서에 데이터 수집 보드를 연결한다. 아홉 번째 리본 데이터 수집 보드의 디지털 PFI 부에서 포트 0에 접속되어 데이터 수집 보드의 디지털 I / O 부 7 - 리본 (8)은 포트 0에 접속된다. 주 : 리본 8 비트의 디지털 마커 (포트 0-7, 디지털 I / O)를 전송 신경 신호 처리기, 및 스트로브 펄스 (포트 0을 디지털 PFI). </li><li> 신경 신호 처리 소프트웨어에 원하는 샘플링 레이트를 설정한다. <ol><li> 이 예에서, 초당 1,000 샘플 온라인 둘째, 별명 당 아래 샘플 50000 샘플 원하는 샘플링 속도를 설정합니다. 태스크의 특정 목표에 맞게 샘플링 비율을 조정한다. 서브 밀리 초 타이밍매우 높은 샘플링 속도를 필요로한다. </li></ol></li><li> 광섬유 케이블을 통해 신경 신호 프로세서에 앰프를 연결합니다. </li><li> 데이터 트리머 및 광섬유 케이블을 통해 신경 데이터 취득 시스템의 광 PCI 카드 신경 신호 처리부를 연결한다. </li></ol></li><li> 데이터 수집 <ol><li> 디지털화 처리 및 필터링을위한 채널 (512)의 신경 신호 프로세서를 포함 EM​​U위한 전기 생리학 연구 장비를 사용하여, 깊이 전극으로부터 전기 신호를 프리 - 증폭. 참고 : 실제로 처리를 위해 512 채널이있는 반면, 15 개 이상의 거기 결코 - 임상 목적으로 배치 (20) 전극. 데이터 크기와 공간 해상도로 가능한이 문제가 결코 따라서, 우리는 많은 전극에서 기록하는 것이 좋습니다. </li><li> 환자의 방에 장비를 운반 휴대용 테이블에 환자의 앞에 행동 모니터를 배치하고 행동 제어 컴퓨터에 연결표준 DVI 케이블을 사용하여 소프트웨어를 실행하는 행동. </li><li> 가능한 한 눈에 띄지 남아 뒤에 또는 위해 환자의 침대 옆에 녹음 장비를 놓습니다. </li><li> 임상 시스템에서 연구 기록을 분리 분기 상자에 연구 시스템을 연결합니다. </li><li> 신경 신호 처리 소프트웨어 (34, 35)를 제어하여 기록 파라미터. 참고 :이 시스템은 행동 이벤트 (34, 35)을 통해 서브 밀리 세컨드 제어 할 수 있습니다. 신경 및 행동 데이터 간의 동기화 작업 이벤트 또는 디지털 마커를 코딩하는 아날로그 펄스 중 하나를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 두 신호는 아날로그로 데이터 수집 보드의 디지털 또는 아날로그 출력 또는 신경 신호 처리부에 디지털 입력 어느 하나로부터 전송 될 수있다. </li><li> 환자를 대상 인터페이스 장치 (버튼 상자를) 손 및 작업 지침을 제공합니다. </li><li> 작업을 실행 &quot;실행&quot;을 클릭합니다. </li><li> 환자에게 허용150 시험 각 2 블록을 완료합니다. </li></ol></li></ol> 4. 데이터 분석 <ol><li> 전기 생리학 데이터의 시각화를 허용 개방형 소프트웨어 패키지. 참고 : 아래 지침은 매트랩 버전 2010A 만 사용할 수 있습니다 시각화 및 전기 생리학 데이터의 조작을 가능하게하는 소프트웨어에 따라 다릅니다. </li><li> 시험 세션에서 원시 전기 생리학 데이터를 포함하는 열기 .edf 파일. </li><li> 간질 방전 또는 운동 이슈 (그림 3A)과 같은 눈에 보이는 유물이 없는지 확인하는 세션에서 SEEG 신호를 시각화. </li><li> 재판 구조를 묘사 할 수있는 방법 아날로그 펄스를 설명하기 위해 원시 LFP 추적 (그림 3B)에 행동 작업에서 타이밍 펄스를 오버레이. </li><li> 타이밍 펄스를 사용하여 각 시험 (그림 3C)에 대한 큐 프레젠테이션 SEEG 추적을 맞 춥니 다. </li><li> 이상치 (&gt; 4 표준 편차)를 제거및 이슈 추적 (그림 3D). </li><li> (그림 3E 적층 표시 20 시험) 모든 정렬 추가 분석을위한 매트릭스에서 시험을 저장합니다. </li><li> 실험에 걸쳐 평균 LFP 활성은 자극되게 관련되지 잡음, 아티팩트, 또는 EEG 활성의 효과를 감소시키기 위해, 관심 신호 (도 3f)을 증가시키기 위해. </li><li> 멀티 테이퍼 스펙트럼 분석 36-38를 사용하여 원시, 재판 평균 스펙트로 그램을 만듭니다. 주 : 시간 ​​- 주파수 분석은 단일 또는 다중 시험 걸쳐 특정 스펙트럼 - 시간 역학을 조사하기 위하여 사용될 수있다. 이 방법은 시간이 지남에 따라 서로 다른 주파수에서 신경 진동의 조사를 할 수 있습니다. </li><li> 패드 가장자리 효과를 방지하기 위해 2 번째로 큰 전력을 제로로 각 시험에서 신호. </li><li> 사양을 생성하는 신호의 지속 기간을 통해 5 테이퍼 선도와 MS (800) 및 슬라이딩 윈도우 9 매 10 ms의 시간 - 대역폭 곱 적용trogram (그림 4A). </li><li> 10 스펙트로 그램의 로그를 곱 높은 주파수 정보를 표시 정상화. 스펙트로 그램 (즉, 음의 두번째 제곱, 각 주파수 값) (도 4B), 일부 기준 활성 (도 4C)의 평균 스펙트럼 또는 평균으로 나누고 감산함으로써 이론적 주파수 분포에 의해 정규화 될 수 참고 각 주파수 대역 (도 4d)의 값의 표준 편차. 이 프로시 저는 특정 태스크에 대해 시간 변화하고 정규화 된 원시 형태 모두에서 특정 주파수 대역의 시험을 허용한다. 예를 들어, 높은 대역 감마 활성화 -도 3e에 도시되어있다 (150 Hz에서 70)은, 전극 (39, 40)을 둘러싸는 지역의 지역 인구 신경 흥분성 활성을 반영하는 것으로 생각된다. </li></ol>

저자는 공개 할 관심의 충돌이 없습니다.

본 논문에서는 SEEG는 인간의 의사 결정 작업시 DACC 내 지역 신경 인구의 활동을 조사하기 위해 사용되었다. 이전 작업은 수술 microelectode 레코딩 (14)를 사용하여 액셀러레이터에서 개별 뉴런의 활동을 조사하고 DACC 활동이 이전의 활동에 의해 변조되는 것을 보여 주었다. 미세 연구는 개개의 뉴런의 급상승 활동 조사를 가능하게한다. SEEG 뉴런의 많은 인구에 걸쳐 합산 된 시냅스 전위 관련된 LFPs을 측정한다. SEEG 따라서 동시에 여러 뇌 영역에서 신경 인구 활성을 조사 할 기회를 허용한다. 과학적 조사 질문 등 SEEG로서 임상 기술을 이용하면, 제 동작 연구 계획 맞추는 것이 중요. 해결하고자하는 문제점은 임상 환자의 발작 발병 영역을 결정하는 단계 및 Wi 포함항상 우선 것이다. 동작 계획이 임상 필요에 의해 결정되기 때문에, 항상 모든 경우와 같은 연구 문제를 조사하는 것이 가능하지 않을 것이다. 따라서, 우리는 영역이 전극 심문에 따라 환자의 수술 계획에 적용 할 수있는 별도의 과학적 질문에 대답하기위한 일련의 작업을 개발했다. 본 연구에서는 SEEG LFP 데이터는 어렵다 내측 전두엽 영역에서 깊은 대뇌 피질의 구조가 인간 조사 지느러미 앞쪽에 cingulate 피질의 목표 지향 행동을 통해인지 적 통제를 조사하기 위해 사용되었다. LFP 데이터 취득는 많은 다른 시스템과 함께 수행 될 수있다. 고려해야 할 중요한 측면이 아니라, 샘플링 레이트는 연구자가 관심있는 신호를 획득하기에 충분히 높아야한다. 일반적으로, 샘플링 레이트는 가장 높은 주파수 대역이 검사되는보다 4 배 이상이어야한다. 예를 들어, 연구어이 유발 된 전위 (&lt;50 Hz에서)보고에 관심이, 샘플링 속도는 약 200 샘플 / s의 할 필요가있다. 과학적 문제는 높은 감마 활성지도 검토하면, (60-200 Hz에서), 샘플링 속도는 적어도 500 샘플 / 초이어야한다. 또한, 시스템은 관심 주파수 대역을 제외해서는 안 데이터 수집 시스템에 충분히 주입 전극으로서, 하드웨어 필터를 기록 할 수 있어야한다. 예를 들어, 많은 시스템은 직류 신호를 기록하지 않습니다. 연구자가 매우 느린 신호를 연구에 관심이있는 경우, 그 / 그녀는 적당히 낮은 고역 통과 필터로 하드웨어 기록 시스템을 사용한다. 데이터 분석 단계에서, 매우 크거나 빠른 과도 전류 시험을 제거하고 정상적인 생리 활성 간질의 존재 연구하는 것은 매우 어렵 기 때문에 간질 활성을 나타내는 채널이나 시험을 제거하는 것이 중요하다. 오류 예측 23,41에서 액셀러레이터의 역할 </sup&gt;, 처리 보상 경쟁의 요구 18-21, 충돌 응답 (42)과 이전 작업 14,22,23의 맥락에서 행동 (15), 행동 적응에 동기를 부여, 잘 확립되어있다. 그러나, DACC는인지 컨트롤을 조절하는 특정 신경 메커니즘을위한 통합 및 통합 이론으로 인해 동시에 43, 44이 도메인을 조사 인간의 연구에서 경험적 증거의 부족으로 추측에 계속 될 수 있습니다. SEEG DACC는 인간에서 신경 활동을 조사하므로 DACC 기능의 집적 이해에 기여할 수있는 기회를 제공한다. SEEG는 참여 의사 결정의 감정과 보상 기반 측면에서 하나의 단위를 사용하여 연구에서 탐구 된 안와 전두엽 피질 (OFC), 등의 표면 전극과 접속하기 어려울 수 있습니다 다른 대뇌 피질의 영역을 조사 할 수있는 기회를 제공 짧은 꼬리 원숭이 월에 녹음확산 강조 영상 tractography (46)를 사용하여 인간의 키 (45)와 연결 연구. 이 연구에서 OFC 함수의 이론 개발에 기여했지만, 인간의 의사 결정 (47), OFC 기능 특히 48 공부 인간의 문학의 부족이있다. SEEG이 지식 격차를 해결 할 수있는 기회를 제공한다. 또한,이 SEEG 변연계의 상이한 영역의 기능을 설명하기 위해 사용될 수 있고, 처리 감정, 통증, 두려움과 관련된 부정적인 깊은 피질 및 피질 하 구조에 영향을 모음. 표정이 얼굴에 변연계의 반응을 조사하고 그 중 하나 SEEG 연구는 해마와 편도체는 편도체 신경 세포 집단이 감정적 인면 (49)의 주관적인 판단을 추적하기 위해 표시하면서, 무서운 얼굴에서 행복 구별하는 특정 신경 세포 인구를 포함하고 있음을 보여 주었다. 이 지역에서 부전은 안시에 관여 할 것으로 생각된다ETY 장애, 강박 장애 (51)를 포함하여 50과 SEEG 연구는보다 자세하게 장애의 영향 신경 경로 및 병태 생리를 이해 할 수있는 기회를 제공한다. 또한, SEEG는 precuneus 종종 SEEG 간질 조사시 타겟 드물게 경막 그리드 임플란트 덮여 있지 사이트를 조사하는데 이용 될 수있다. postero - 중간 두정엽의이 지역의 기능이 제대로 깊은 반구 균열 내에서 주로 때문에 해부학 적 위치, 이해된다. 기능 영상 검사는 자전적 기억 56,57 포함한, precuneus 자체 처리 53 ~ 55의 &#39;기본 모드&#39;또는 의식이 휴식 상태 (52)에 활성화되어 있음을 표시하고, 에피소드 메모리 처리했다. 그러나 이러한 연구 결과는 neuroco에 대한 우리의 이해 인간이 아닌 영장류와 인간, 제한된 연구를 기반으로하고 있기 때문에이 지역의 gnitive 중요성은 초기 단계 58에 아직도있다. SEEG, 우리는 지금이 뇌 영역의 기능에 신규 한 통찰력을 제공 할 수있다 웨이크 인간 precuneus 내에서 신경 세포 활성도를 조사 할 수있는 잠재력을 가지고있다. 어떤 기술과 마찬가지로, SEEG는 수집 및 사용 모두에서 한계가있다. 임상 기술로서, 이는 반드시 환자 선택 및 환자의 간질의 임상 적 특성 모두에 의해 제한된다. 연구진은이 문제를 해결하기 위해 여러 작업을 설계 할 수 있지만, 공부 해부학 적 영역은 항상 수술 계획에 의해 제한됩니다. 또한, 앞서 언급 한 바와 같이, 많은 뉴런의 시냅스 전위 합산을 나타내는 SEEG 로컬 레코드 필드 전위. 따라서,이 기술은 단일 뉴런 기록하는 기술의 공간 해상도를 가지고 있지 않으며, 활동 또는 활동 전위를 급상승 파형 데이터를 제공 할 수 없다. investigat에 같은 디자인 작업으로전자 과학 질문, 그것은 LFP 데이터 관심 질문에 대답 할 수 있도록하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 SEEG는 깨어있는 사람을 대상으로 공부하기 이전에 어려운 깊은 피질 및 피질 하 구조를 조사하기 위해 사용되었다. 이러한 연구는 인간의인지 과정에 대한 이해를 향상시키는 잠재력을 가지고있다. SEEG가 점점 간질 프로그램의 필수품 전반 내 도구로 통합됨에 따라, 신경 과학자의 기회는 크게 성장할 것입니다 인간의 뇌를 연구하는 잠재력을 활용합니다.

간질, 시간에 걸쳐 다수의 재발 발작을 특징으로하는 일반적인 신경 장애, 병 (1)의 전 세계적 부담 1 %를 차지한다. 환자 2,3의 30 % - 안티 간질 약물은 20 발작을 제어하지 못한다. 이러한 의학적으로 어려운 환자에서 간질 수술은 종종 4,5 표시됩니다. 수술을 진행하기로 한 결정은 발작 포커스, 수술 계획을 수립하기위한 전제 조건의 위치를​​ 필요로한다. 처음에는 비 침습적 기술은 lateralize과 발작 초점을 지역화하는 데 사용됩니다. 뇌파 전위 기록 (Electroencephalography, EEG)은, 예를 들면, 측정 피질 전기 활동은 두피에 배치 전극으로부터 기록 종종 발작 포커스의 위치에 대하여 충분한 정보를 제공 할 수있다. 또한, 자기 공명 영상 (MRI)은 예컨대 해마 경화증, 의학적으로 난치성 간질의 가장 일반적인 형태로 본 고전 병리학, 근심 t 디스크리트 병변을 입증 할 수emporal 로브 간질 (MTLE). 그러나 종종, 비 침습적 후 처리 발작 포커스를 식별 할 수 없다. 이러한 경우, 뇌내 침습 전극 electrocorticography (ECOG)는 포커스 지역화 또한 수술 6을 안내 할 필요가있다. ECOG는 뇌와 직접 접촉하여 배치되는 전극을 이용하는 경우 전기적 활동을 측정하는 데 사용하는 신경 생리 학적 기법이다. 그리드 또는 표면의 스트립 (경막) 전극은 뇌, 개두술 (뼈 플랩의 제거)과 경질의 큰 구멍을 필요로하는 프로세스의 표면에 배치됩니다. 이러한 표면 전극은 발작 발병의 추정 영역 (들)을 통해 배치 할 수 있습니다. 전극의 말단부는 피부에 작은 구멍을 통해 터널링 및 간질 감시 부 (EMU)에서의 기록 장치에 접속되어있다. EMU에서, 환자는 지속적으로 비디오 및 ECOG 녹화를 통해 임상 적 발작에 대한 모니터링됩니다. 이 기술의 전의 대뇌 피질 표면의 비교적 넓은 지역에 걸쳐 (주 일) 발작과 간기 전기 방전의 기록을 장기를 수집하는 데 유용합니다. 이 두개 녹화 발작 초점 및 전파를 조사하는 임상 적으로 매우 중요하지만, 그들은 또한 특별히 설계된 행동 작업을 진행 인간의인지 기능 및 신경 생리학을 연구 할 수있는 기회를 우리에게 제공한다. 경막 그리드 전극을 이용하는 ECOG 감각과 언어 처리 기능을 포함한 피질의 다양한 양상을 조사하기 위해 사용되어왔다. 많은 사례 중 하나로서, 보우 차드 등은 복부 감각 피질에서 음성 언어의 음절의 형성에 구강 근육의 시간 조정, 인간의 음성 감각 피질 (7)로 확인 된 지역을 보여 주었다. 또한, ECOG는 경막 그리드 배치와도 인간이 부대 할 수있는 메커니즘을 연구하기 위해 이용되고있다이른바 &#39;칵테일 파티 효과&#39;8,9 : 군중 내에서 특정 음성에 D. 두 스피커를 추적 한 &#39;변조&#39;사이트 한 &#39;선택&#39;- ECOG 녹화 동적 음성 스트림을 추적하는 두 개의 별개의 연결 밴드 저주파 위상 높은 감마 모두 별개의 프로세싱 사이트 존재하고, 그 진폭 변동이 있음을 입증 참석 토커 (5)을 추적 사이트. 경막 하 전극으로 배치 ECOG의 다른 신흥 애플리케이션은 외부 출력을 구동하기 위해 신경 활성을 &quot;디코드&quot;브레인 컴퓨터 인터페이스 (경기 지수)와 함께 사용하기위한 전위이다. 이 기술은 세계와 통신 보철 10,11 조작 심각한 뇌 또는 척수 손상 환자를 허용 할 가능성이있다. 경막 그리드 배치는 슈퍼에 대한 우리의 이해에 크게 기여하고 있지만ficial 피질과 대뇌 피질의 간질 초점을 식별하는 데 유용합니다,이 기술은 개두술 및 부수적 인 위험을 필요로하지 않습니다, 일반적으로 뇌의 외부 표면을 공부로 제한됩니다. 정위 뇌파 전위 (SEEG)는 깊은 간질 초점 (12)의 평가를 가능하게하는 기술이다. 프랑스와 이탈리아에서 사용의 긴 역사를 가진, 그것은 또한 점점 미국 (13)에 사용되고있다. SEEG 여러 전극들의 배치를 포함한다 (전형적으로 10-16) 작은 깊이 (몇 mm) 트위스트 드릴 버 홀을 통해 뇌 내 물질. 경막 그리드 위에 배치 SEEG의 장점은 덜 침습적 특성상 필요한 경우 양측 반구 검사의 용이성 및 발작 전파의 3 차원지도를 생성하는 기능을 포함한다. 또한,이 전극 표면에 전극을 식별 할 이전에 어려운 깊은 간질 병소의 확인을 할 수 있습니다. 이 절차는 또한 제공하기ES 기회는 신경 생리학 및 직접 인간 조사하기 이전에 어려운 모두 변연계, mesoparietal 피질, mesotemporal 피질 및 안와 전두엽 피질, 깊은 대뇌 피질의 구조의 기능을 조사합니다. 이 논문은 SEEG가 지느러미 앞쪽에 cingulate 피질 (DACC)에인지 기능을 조사하기 위해 활용 될 수있는 방법을 보여줍니다. DACC은 널리 조사 뇌 영역이지만 또한 가장 잘 이해되지 중 하나이다. 인간의 인식에 대한 중요한 중시하여, 그것을 DACC가 환경 (14)에 의해 부과 된 지속적으로 변화하는 요구의 컨텍스트에서 결정 동적 신경 처리 중심 인 것으로 보인다. 모두 영장류 (15, 16)과 인간 (17)의 연구는 DACC는 특히 다수의 동시 충돌의 상황에서, 주어진 행동의 잠재적 인 위험과 보상을 통합 18-21, 및 m을 요구하는 것이 좋습니다이전의 행동과 그 결과 14,22,23의 맥락에서 이러한 결정을 odulates. 멀티 소스 간섭 작업 (MSIT), 스트 루프와 같은 행동 작업은 자주 DACC에서 충돌 처리를 조사하는 데 사용됩니다. MSIT 작업은 DACC (24, 25)에 의해 규제 처리의 여러 도메인에 관여하는 신경 세포를 모집하여 액셀러레이터를 활성화합니다. 이 작업은 특히 의사 결정, 표적 탐지, 참신 감지, 에러 검출, 응답 선택, 자극 / 응답 경쟁의 기능을 테스트하여 액셀러레이터를 활성화합니다. 또한, MSIT 작업은 SEEG를 사용하여 동시 충돌 자극에 DACC 신경 반응을 조사하기 위해 본 연구에서 이용되는인지 장애의 여러 차원을 소개합니다.

<table><tbody><tr><td>Trigger I/O cable</td><td>Natus Medical Inc.</td><td>5029</td><td>PS2 to BNC cable</td></tr><tr><td>BNC cables for analog pulses</td><td></td><td></td><td>Can be ordered from most electronics stores.</td></tr><tr><td>Power strip with surge protection and battery backup</td><td>Tripp Lite</td><td>SMART500RT1U UPC</td><td>Power source and backup</td></tr><tr><td>National instruments multifunctional daq data acquisition box NI PCIe-6382 DAQ cards</td><td>National Instruments</td><td>PCIe-6382 w/ BNC 2090A</td><td>PCI cards for behavioral control interface</td></tr><tr><td>Custom made button box - human interface device</td><td></td><td></td><td>Any human interface device with three buttons may be used. Alternatively, 3 keyboard buttons may be used.</td></tr><tr><td>Xltek 128 channel clinical intracranial EEG monitoring system EMU128FS</td><td>Natus Medical Inc.</td><td>002047c</td><td>Clinical recording system</td></tr><tr><td>Subject monitor and associated cables for visual stimulus presentation</td><td>Dell</td><td>U2212HMc</td><td>Most Monitors are adequate here.</td></tr><tr><td>Personal comptuer running behavioral software with DAQ cards installed</td><td>Superlogics</td><td>SL-2U-PD-Q87SLQ-BA</td><td>Computer for recording neural data</td></tr><tr><td>Mains cable for monitor</td><td></td><td></td><td>Usually comes with the monitor, can be purchased at any electronics store.</td></tr><tr><td>Monkey Logic software which runs on Matlab 2010A</td><td></td><td></td><td>Free from MonkeyLogic website</td></tr><tr><td>MATLAB 2010a software with data acquisition toolbox</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Matlab software</td></tr><tr><td>sEEG electrodes AD TECH or PMT</td><td>AD TECH</td><td>2102-##-101</td><td>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)</td></tr><tr><td>Cabrio connectors</td><td>PMT</td><td>2125-##-01</td><td>The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16)</td></tr><tr><td>Tucker Davis Technologies Amplifier</td><td>Tucker Davs Technologies</td><td>PZ5</td><td>preamplifier for neural data</td></tr><tr><td>Tucker Davis Technologies processor</td><td>Tucker Davs Technologies</td><td>RZ2</td><td>Neural signal processor for neural data</td></tr><tr><td>TuckerDavis Technologies data streamer</td><td>Tucker Davs Technologies</td><td>RS4</td><td>Data streamer and storage</td></tr><tr><td>Fiber optics cables to connect TDT systems</td><td>Tucker Davs Technologies</td><td>F05</td><td>Fiber optic cables for connecting Tucker Davis Technologies&#039; prodcuts.</td></tr><tr><td>ribbon cable and snap serial connector for digital markers</td><td></td><td></td><td>Can be ordered from ost electronics stores.</td></tr><tr><td>personal computer fro running TDT RPvdsEx and OpenEx software</td><td>Superlogics</td><td>SL-2U-PD-Q87SLQ-BA</td><td>computer for behavioral control</td></tr><tr><td>middle atlantics server cabinet with casters</td><td>Middle Atlantic Products</td><td>PTRK-21</td><td>Server case to house all of the research items</td></tr><tr><td>Tucker Davis Technologies splitter box to split clinical and research recrodings</td><td>Tucker Davs Technologies</td><td></td><td>This splitter box is a semi-custom device. Researchers should consult the attending neurologists about splitting the research and clinical recordings in a way that doesn&#039;t interfere with clinical care.</td></tr><tr><td>Researcher monitor with requisite cables</td><td>Dell</td><td>U2212HMc</td><td>Most Monitors are adequate here.</td></tr><tr><td>button box power source - 5 volts, 2 amperes</td><td></td><td></td><td>Can be purchased at any electronics store.</td></tr><tr><td>TDT optical interface PCI card</td><td>Tucker Davs Technologies</td><td>P05</td><td></td></tr></tbody></table>

investigating the function of deep cortical and subcortical structures using stereotactic electroencephalography: lessons from the anterior cingulate cortex

정위 뇌파 (SEEG)는 의학적으로 난치성 간질 환자의 발작 초점을 지역화하는 데 사용되는 기술이다. 이 절차는 경막 그리드 전극 배치를 통해 액세스 할 수없는 통상의 뇌 영역에 여러 깊이 전극 만성 배치를 포함한다. SEEG 따라서 뇌 기능을 조사하는 독특한 기회를 제공합니다. 본 논문에서는 SEEG가인지 컨트롤의 지느러미 앞쪽에 cingulate 피질 (DACC)의 역할을 조사하는 데 사용할 수있는 방법을 보여줍니다. 우리는 전극의 배치를 보여주는 수술, SEEG 절차의 설명을 포함한다. 우리는 그들이 행동 작업에 종사하는 동안 주제를 동의에서 로컬 필드 전위 (LFP) 데이터를 기록하는 데 필요한 구성 요소와 프로세스에 대해 설명합니다. 제공되는 예에서, 피험자는인지 적 간섭 작업을 재생하고, 우리는 신호가 지느러미 앞쪽에 cingulate 피질에 전극, 지역 intim에서 기록 및 분석 방법을 보여줍니다러면 의사 결정에 참여. 우리는이 방법은, 인간의인지 과정을 연구에 사용될 수있는 방법의 또 다른 제안 결론.

환자 SEEG 전극 배치를 위해 선택되면, 그 / 그녀는 MRI 향상된 부피 T2와 T1 콘트라스트를 겪게된다. SEEG 전극 궤적이어서 체적 MRI 시퀀스 정위 네비게이션 (도 1)를 사용하여 계획된다. 이 기술은 일반적인 표면 전극 배치와 함께 할 수없는 것 등 지느러미 앞쪽에 cingulate 피질 (빛 오렌지 궤도, 그림 1)과 피질 내 깊은 구조에서 로컬 필드 전위의 수집이 가능합니다. 수술 후 EMU에서, 환자는 DACC 뉴런을 활성화하도록 설계된 멀티 소스 간섭 작업 (그림 2)를 수행한다. 임상 시험의 적절한 수의 후, DACC의 SEEG 전극에서 로컬 필드 잠재적 인 데이터는 이후 의미있는 분석 (그림 3)을위한 큐 프레젠테이션 LFP 데이터를 정렬하기 위해 사전 처리됩니다. 또한, 일단 정렬 LFP 차 데이터를 검사 할 수 평균시험 유형 (그림 3 층) 사이의 평균 전기 생리학 응답 nges. 이어서, 멀티 - 스펙트럼 사진 테이퍼는 시간 주파수 대역의 변화 (도 4)을 조사하게된다. 두피 EEG 연구가 DACC에서 본 활동에 서로 다른 주파수 대역을 내포 한 바와 같이, 시간 - 주파수 분석 동작와 DACC에 전기 생리 변화를 링크하는 중요한 방법이다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/52773/52773fig1.jpg" /> 그림 1. MRI. 맨 왼쪽 패널 향상된 체적 T1 대비의 정위 탐색을 사용하여 계획 SEEG 전극 궤적. 하향식 중첩 된 계획 SEEG 전극 궤도와 입체적으로 재구성 얼굴의보기. 오른쪽 위, 왼쪽 아래 및 오른쪽 아래 패널. 축, 환자의 MRI에 중첩 계획 SEEG 전극 궤도의 시상 및 관상보기. 오렌지전극 궤도가 좌우 앞쪽에 cingulate 피질에 이식을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52773/52773fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/52773/52773fig2.jpg" /> 그림 2. 멀티 소스 간섭 태스크. 처음에는 제목이 표시되는 큐 이전 화면의 중앙에 십자가에 고정된다. 큐는 제시 피사체가 제시 한 다른 두 개의 숫자에서 하나의 숫자 다르다 &quot;대상&quot;번호를 식별해야합니다. 피사체는 버튼 누름으로 선택을 나타낸다 : 좌 버튼을 타겟이 &quot;1&quot;이면 대상이 중앙 버튼을 누를 경우, 중간 경우 &quot;2&quot;및 우측 경우는 &quot;3&quot;이 예에서, 그 / 그녀는 도시 그는를 나타내는 녹색 숫자 &quot;2&quot;, / 그녀가 만든올바른 선택. 그 / 그녀가 다른 버튼 중 하나를 선택하면, &quot;2&quot;잘못된 선택이 적색으로 도시된다. 주제는 또한 그들이 &quot;2&quot;에 관계없이 선택이 올바른지 여부에 파란색으로 표시되는 경우에 그들의 선택에 대한 valenced 피드백을받지 않는 시련을 겪는다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52773/52773fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/52773/52773fig3.jpg" /> 그림 3. 전처리 SEEG 데이터. (A) DACC의 단일 채널에서 기록 된 모든 데이터. (B) 행동 작업에 대한 중첩 된 타이밍 펄스와 앞쪽에 cingulate 피질에서 분 길이의 기록. 큐 프리젠 테이션에 정렬 된 각각의 재판 (C) 데이터. 각 (D) 데이터재판이 제거 이상치 및 이슈 추적으로 큐 프레젠테이션에 정렬. 20 시험 큐 프리젠 테이션에 정렬 스택에서 (E) LFP. F.은 LFP는 내측 전두엽 전극으로부터 큐 프리젠 테이션에 정렬 &#39;평균. 점선은 고정 점의 개시를 나타낸다. 점선은 큐 발병을 나타냅니다. 대시 점선은 평균 응답 시간을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52773/52773fig3highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/52773/52773fig4.jpg" /> 그림 4. 스펙트럼 분석. (A) 원시 시험 평균 멀티 테이퍼 스펙트로 큐에 정렬. (B) (1) / F (2)에 의한 정규화의 동일한 스펙트로. (C) 500 밀리 초에서 평균 스펙트럼을 befor에 의해 표준화에 같은 스펙트로큐 전자. 주파수 대역으로 정규화 (D) (A)에서 동일한 스펙트로. 정규화 및 표준화 스펙트럼에 대한 (E) 평균 높은 gammaband 전력. 모든 플롯에서, 점선은 고정 점의 개시를 나타내고, 점선은 큐 발병을 나타내고, 대쉬 점선은 평균 응답 시간을 나타낸다. 컬러 바 (E)에 사용되는 높은 감마 밴드를 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52773/52773fig4highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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Investigating the Function of Deep Cortical and Subcortical Structures Using Stereotactic Electroencephalography: Lessons from the Anterior Cingulate Cortex

정위 뇌파 (SEEG)은 발작 초점을 현지화하기 위해 간질 수술에 사용되는 수술 방법이다. 또한 뇌 기능을 연구 할 수있는 독특한 기회를 제공한다. 여기에서 우리는 SEEG 인간을 대상으로인지 과정을 조사하는 데 사용할 수있는 방법에 대해 설명합니다.

정위 뇌파를 사용하여 깊은 피질의 기능 및 피질 하 구조 조사 : 전방에 cingulate 피질 수업

Stereotactic Electroencephalography (SEEG) is a technique used to localize seizure foci in patients with medically intractable epilepsy. This procedure ...

investigating-function-deep-cortical-subcortical-structures-using

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Neuroscience

12.2K 조회수.  Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital.  정위 뇌파 (SEEG)은 발작 초점을 현지화하기 위해 간질 수술에 사용되는 수술 방법이다. 또한 뇌 기능을 연구 할 수있는 독특한 기회를 제공한다. 여기에서 우리는 SEEG 인간을 대상으로인지 과정을 조사하는 데 사용할 수있는 방법에 대해 설명합니다. 

비디오: Investigating the Function of Deep Cortical and Subcortical Structures Using Stereotactic Electroencephalography: Lessons from the Anterior Cingulate Cortex

Performing Behavioral Tasks in Subjects with Intracranial Electrodes

Patients having stereo-electroencephalography (SEEG) electrode, subdural grid or depth electrode implants have a multitude of electrodes implanted in different areas of their brain for the localization of their seizure focus and eloquent areas. After implantation, the patient must remain in the hospital until the pathological area of brain is found and possibly resected. During this time, these patients offer a unique opportunity to the research community because any number of behavioral paradigms can be performed to uncover the neural correlates that guide behavior. Here we present a method for recording brain activity from intracranial implants as subjects perform a behavioral task designed to assess decision-making and reward encoding. All electrophysiological data from the intracranial electrodes are recorded during the behavioral task, allowing for the examination of the many brain areas involved in a single function at time scales relevant to behavior. Moreover, and unlike animal studies, human patients can learn a wide variety of behavioral tasks quickly, allowing for the ability to perform more than one task in the same subject or for performing controls. Despite the many advantages of this technique for understanding human brain function, there are also methodological limitations that we discuss, including environmental factors, analgesic effects, time constraints and recordings from diseased tissue. This method may be easily implemented by any institution that performs intracranial assessments; providing the opportunity to directly examine human brain function during behavior.

Patients implanted with intracranial electrodes provide a unique opportunity to record neurological data from multiple areas of the brain while the patient performs behavioral tasks. Here, we present a method of recording from implanted patients that can be reproducible at other institutions with access to this patient population.

두개 내 전극 피사체에 행동 작업 수행

Patients having stereo-electroencephalography (SEEG) electrode, subdural grid or depth electrode implants have a multitude of electrodes implanted in ...

연구

행동분석학

Combined Invasive Subcortical and Non-invasive Surface Neurophysiological Recordings for the Assessment of Cognitive and Emotional Functions in Humans

In spite of the success in applying non-invasive electroencephalography (EEG), magneto-encephalography (MEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) for extracting crucial information about the mechanism of the human brain, such methods remain insufficient to provide information about physiological processes reflecting cognitive and emotional functions at the subcortical level. In this respect, modern invasive clinical approaches in humans, such as deep brain stimulation (DBS), offer a tremendous possibility to record subcortical brain activity, namely local field potentials (LFPs) representing coherent activity of neural assemblies from localized basal ganglia or thalamic regions. Notwithstanding the fact that invasive approaches in humans are applied only after medical indication and thus recorded data correspond to altered brain circuits, valuable insight can be gained regarding the presence of intact brain functions in relation to brain oscillatory activity and the pathophysiology of disorders in response to experimental cognitive paradigms. In this direction, a growing number of DBS studies in patients with Parkinson&#39;s disease (PD) target not only motor functions but also higher level processes such as emotions, decision-making, attention, memory and sensory perception. Recent clinical trials also emphasize the role of DBS as an alternative treatment in neuropsychiatric disorders ranging from obsessive compulsive disorder (OCD) to chronic disorders of consciousness (DOC). Consequently, we focus on the use of combined invasive (LFP) and non-invasive (EEG) human brain recordings in assessing the role of cortical-subcortical structures in cognitive and emotional processing trough experimental paradigms (e.g. speech stimuli with emotional connotation or paradigms of cognitive control such as the Flanker task), for patients undergoing DBS treatment.

The present protocol aims at assessing cognitive-emotional functions in the basal ganglia by simultaneous neurophysiological recording of local field potentials and non-invasive brain cortical activity (EEG). The procedure is exemplified by the use of paradigms involving speech stimuli with emotional connotation or the Flanker task involving cognitive control.

인간의 결합 침략 피질과인지의 평가를위한 비 침습적 표면 신경 생리학 녹음과 정서적 기능

In spite of the success in applying non-invasive electroencephalography (EEG), magneto-encephalography (MEG) and functional magnetic resonance imaging ...

Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), magnetoencephalography or functional magnetic-resonance imaging. These techniques have either inherently low temporal or low spatial resolution, and suffer from low signal-to-noise ratio and/or poor high-frequency sensitivity. Thus, they are suboptimal for exploring the short-lived spatio-temporal dynamics of many of the underlying brain processes. In contrast, the invasive technique of electrocorticography (ECoG) provides brain signals that have an exceptionally high signal-to-noise ratio, less susceptibility to artifacts than EEG, and a high spatial and temporal resolution (i.e., &lt;1 cm/&lt;1 millisecond, respectively). ECoG involves measurement of electrical brain signals using electrodes that are implanted subdurally on the surface of the brain. Recent studies have shown that ECoG amplitudes in certain frequency bands carry substantial information about task-related activity, such as motor execution and planning1, auditory processing2 and visual-spatial attention3. Most of this information is captured in the high gamma range (around 70-110 Hz). Thus, gamma activity has been proposed as a robust and general indicator of local cortical function1-5. ECoG can also reveal functional connectivity and resolve finer task-related spatial-temporal dynamics, thereby advancing our understanding of large-scale cortical processes. It has especially proven useful for advancing brain-computer interfacing (BCI) technology for decoding a user's intentions to enhance or improve communication6 and control7. Nevertheless, human ECoG data are often hard to obtain because of the risks and limitations of the invasive procedures involved, and the need to record within the constraints of clinical settings. Still, clinical monitoring to localize epileptic foci offers a unique and valuable opportunity to collect human ECoG data. We describe our methods for collecting recording ECoG, and demonstrate how to use these signals for important real-time applications such as clinical mapping and brain-computer interfacing. Our example uses the BCI2000 software platform8,9 and the SIGFRIED10 method, an application for real-time mapping of brain functions. This procedure yields information that clinicians can subsequently use to guide the complex and laborious process of functional mapping by electrical stimulation.
Prerequisites and Planning:
Patients with drug-resistant partial epilepsy may be candidates for resective surgery of an epileptic focus to minimize the frequency of seizures. Prior to resection, the patients undergo monitoring using subdural electrodes for two purposes: first, to localize the epileptic focus, and second, to identify nearby critical brain areas (i.e., eloquent cortex) where resection could result in long-term functional deficits. To implant electrodes, a craniotomy is performed to open the skull. Then, electrode grids and/or strips are placed on the cortex, usually beneath the dura. A typical grid has a set of 8 x 8 platinum-iridium electrodes of 4 mm diameter (2.3 mm exposed surface) embedded in silicon with an inter-electrode distance of 1cm. A strip typically contains 4 or 6 such electrodes in a single line. The locations for these grids/strips are planned by a team of neurologists and neurosurgeons, and are based on previous EEG monitoring, on a structural MRI of the patient's brain, and on relevant factors of the patient's history. Continuous recording over a period of 5-12 days serves to localize epileptic foci, and electrical stimulation via the implanted electrodes allows clinicians to map eloquent cortex. At the end of the monitoring period, explantation of the electrodes and therapeutic resection are performed together in one procedure.
In addition to its primary clinical purpose, invasive monitoring also provides a unique opportunity to acquire human ECoG data for neuroscientific research. The decision to include a prospective patient in the research is based on the planned location of their electrodes, on the patient's performance scores on neuropsychological assessments, and on their informed consent, which is predicated on their understanding that participation in research is optional and is not related to their treatment. As with all research involving human subjects, the research protocol must be approved by the hospital's institutional review board. The decision to perform individual experimental tasks is made day-by-day, and is contingent on the patient's endurance and willingness to participate. Some or all of the experiments may be prevented by problems with the clinical state of the patient, such as post-operative facial swelling, temporary aphasia, frequent seizures, post-ictal fatigue and confusion, and more general pain or discomfort.
At the Epilepsy Monitoring Unit at Albany Medical Center in Albany, New York, clinical monitoring is implemented around the clock using a 192-channel Nihon-Kohden Neurofax monitoring system. Research recordings are made in collaboration with the Wadsworth Center of the New York State Department of Health in Albany. Signals from the ECoG electrodes are fed simultaneously to the research and the clinical systems via splitter connectors. To ensure that the clinical and research systems do not interfere with each other, the two systems typically use separate grounds. In fact, an epidural strip of electrodes is sometimes implanted to provide a ground for the clinical system. Whether research or clinical recording system, the grounding electrode is chosen to be distant from the predicted epileptic focus and from cortical areas of interest for the research. Our research system consists of eight synchronized 16-channel g.USBamp amplifier/digitizer units (g.tec, Graz, Austria). These were chosen because they are safety-rated and FDA-approved for invasive recordings, they have a very low noise-floor in the high-frequency range in which the signals of interest are found, and they come with an SDK that allows them to be integrated with custom-written research software. In order to capture the high-gamma signal accurately, we acquire signals at 1200Hz sampling rate-considerably higher than that of the typical EEG experiment or that of many clinical monitoring systems. A built-in low-pass filter automatically prevents aliasing of signals higher than the digitizer can capture. The patient's eye gaze is tracked using a monitor with a built-in Tobii T-60 eye-tracking system (Tobii Tech., Stockholm, Sweden). Additional accessories such as joystick, bluetooth Wiimote (Nintendo Co.), data-glove (5th Dimension Technologies), keyboard, microphone, headphones, or video camera are connected depending on the requirements of the particular experiment.
Data collection, stimulus presentation, synchronization with the different input/output accessories, and real-time analysis and visualization are accomplished using our BCI2000 software8,9. BCI2000 is a freely available general-purpose software system for real-time biosignal data acquisition, processing and feedback. It includes an array of pre-built modules that can be flexibly configured for many different purposes, and that can be extended by researchers' own code in C++, MATLAB or Python. BCI2000 consists of four modules that communicate with each other via a network-capable protocol: a Source module that handles the acquisition of brain signals from one of 19 different hardware systems from different manufacturers; a Signal Processing module that extracts relevant ECoG features and translates them into output signals; an Application module that delivers stimuli and feedback to the subject; and the Operator module that provides a graphical interface to the investigator.
A number of different experiments may be conducted with any given patient. The priority of experiments will be determined by the location of the particular patient's electrodes. However, we usually begin our experimentation using the SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection) mapping method, which detects and displays significant task-related activity in real time. The resulting functional map allows us to further tailor subsequent experimental protocols and may also prove as a useful starting point for traditional mapping by electrocortical stimulation (ECS).
Although ECS mapping remains the gold standard for predicting the clinical outcome of resection, the process of ECS mapping is time consuming and also has other problems, such as after-discharges or seizures. Thus, a passive functional mapping technique may prove valuable in providing an initial estimate of the locus of eloquent cortex, which may then be confirmed and refined by ECS. The results from our passive SIGFRIED mapping technique have been shown to exhibit substantial concurrence with the results derived using ECS mapping10.
The protocol described in this paper establishes a general methodology for gathering human ECoG data, before proceeding to illustrate how experiments can be initiated using the BCI2000 software platform. Finally, as a specific example, we describe how to perform passive functional mapping using the BCI2000-based SIGFRIED system.

Recording Human Electrocorticographic ECoG Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

We present a method for collecting electrocorticographic signals for research purposes from humans who are undergoing invasive epilepsy monitoring. We show how to use the BCI2000 software platform for data collection, signal processing and stimulus presentation. Specifically, we demonstrate SIGFRIED, a BCI2000-based tool for real-time functional brain mapping.

Neuroscientific 연구 및 실시간 기능성 두피 매핑을위한 인적 Electrocorticographic (ECoG) 신호를 녹음하기

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), ...

신경과학

Operative Technique and Nuances for the Stereoelectroencephalographic (SEEG) Methodology Utilizing a Robotic Stereotactic Guidance System

The SEEG methodology has gained favor in North America over the last decade as a means of localizing the epileptogenic zone (EZ) prior to epilepsy surgery. Recently, the application of a robotic stereotactic guidance system for implantation of SEEG electrodes has become more popular in many epilepsy centers. The technique for the use of the robot requires extreme precision in the pre-surgical planning phase and then the technique is streamlined during the operative portion of the methodology, as the robot and surgeon work in concert to implant the electrodes. Herein is detailed precise operative methodology of using the robot to guide implantation of SEEG electrodes. A major limitation of the procedure, namely its heavy reliance on the ability to register the patient to a preoperative volumetric magnetic resonance image (MRI), is also discussed. Overall, this procedure has been shown to have a low morbidity rate and an extremely low mortality rate. The use of a robotic stereotactic guidance system for the implantation of SEEG electrodes is an efficient, fast, safe, and accurate alternative to conventional manual implantation strategies.

Operative Technique and Nuances for the Stereoelectroencephalographic SEEG Methodology Utilizing a Robotic Stereotactic Guidance System

The SEEG methodology is simplified and made faster with a stereotactic robot. Careful attention must be paid to the registration of the preoperative volumetric MRI to the patient prior to use of the robot in the OR. The robot streamlines the procedure, leading to decreased operative times and accurate implantations.

로봇 정위 유도 시스템을 활용한 입체뇌파(SEEG) 방법론에 대한 수술 기술 및 뉘앙스

The SEEG methodology has gained favor in North America over the last decade as a means of localizing the epileptogenic zone (EZ) prior to epilepsy ...

Stereo-Electro-Encephalo-Graphy (SEEG) With Robotic Assistance in the Presurgical Evaluation of Medical Refractory Epilepsy: A Technical Note

SEEG is a method and technique which is used for accurate, invasive recording of seizure activity via three dimensional recordings. In epilepsy patients who are deemed appropriate candidates for invasive recordings, the decision to monitor is made between the subdural grids versus SEEG. Invasive neuromonitoring for epilepsy is pursued in patients with complex, medically refractory epilepsy. The goal of invasive monitoring is to offer resective surgery with the hope of allowing seizure freedom. SEEG&#39;s advantages include access to deep cortical structures, an ability to localize the epileptogenic zone (EZ) when subdural grids have failed to do so, and in patients with non-lesional extra-temporal epilepsies. In this manuscript, we present a succinct historical overview of the SEEG and report on our experience with frameless stereotaxy under robotic. An imperative step of SEEG insertion is planning the electrode trajectories. In order to most effectively record ictal activity via SEEG trajectories should be planned based upon a hypothesis of where the seizure activity originates the presumed epileptogenic zone (EZ). The EZ hypothesis is based on a standardized preoperative workup including video-EEG monitoring, MRI (magnetic resonance imaging), PET (positron emission tomography), ictal SPECT (Single-photon emission computed tomography), and neuropsychological assessment. Using a suspected EZ, SEEG electrodes can be placed minimally invasively yet maintain accuracy and precision. Clinical results showed the ability to localize the EZ in 78% of difficult to localize epileptic patients.1

Stereo-Electro-Encephalo-Graphy SEEG With Robotic Assistance in the Presurgical Evaluation of Medical Refractory Epilepsy: A Technical Note

Stereo-electroencephalography (SEEG) aids in localization of epileptogenic zones, however, remains relatively underutilized in the United States. The goal of this abstract is to provide a brief introduction to the technique of SEEG and further a detailed technique of using robotic assistance in the placement of SEEG electrodes.

의료 내화물 간질의 수술 전 평가에서 로봇 지원으로 스테레오 전기 Encephalo-그래피로 (SEEG) : A 기술 참고

SEEG is a method and technique which is used for accurate, invasive recording of seizure activity via three dimensional recordings. In epilepsy patients ...

의학

Non-restraining EEG Radiotelemetry: Epidural and Deep Intracerebral Stereotaxic EEG Electrode Placement

Implantable EEG radiotelemetry is of central relevance in the neurological characterization of transgenic mouse models of neuropsychiatric and neurodegenerative diseases as well as epilepsies. This powerful technique does not only provide valuable insights into the underlying pathophysiological mechanisms, i.e., the etiopathogenesis of CNS related diseases, it also facilitates the development of new translational, i.e., therapeutic approaches. Whereas competing techniques that make use of recorder systems used in jackets or tethered systems suffer from their unphysiological restraining to semi-restraining character, radiotelemetric EEG recordings overcome these disadvantages. Technically, implantable EEG radiotelemetry allows for precise and highly sensitive measurement of epidural and deep, intracerebral EEGs under various physiological and pathophysiological conditions. First, we present a detailed protocol of a straight forward, successful, quick and efficient technique for epidural (surface) EEG recordings resulting in high-quality electrocorticograms. Second, we demonstrate how to implant deep, intracerebral EEG electrodes, e.g., in the hippocampus (electrohippocampogram). For both approaches, a computerized 3D stereotaxic electrode implantation system is used. The radiofrequency transmitter itself is implanted into a subcutaneous pouch in both mice and rats. Special attention also has to be paid to pre-, peri- and postoperative treatment of the experimental animals. Preoperative preparation of mice and rats, suitable anesthesia as well as postoperative treatment and pain management are described in detail.

Non-restraining EEG radiotelemetry is a valuable methodological approach to record in vivo long-term electroencephalograms from freely moving rodents. This detailed protocol describes stereotaxic epidural and deep intracerebral electrode placement in different brain regions in order to obtain reliable recordings of CNS rhythmicity and CNS related behavioral stages.

비 금지 EEG Radiotelemetry : 경막 외 및 깊은 뇌내 정위 EEG 전극 위치

Implantable EEG radiotelemetry is of central relevance in the neurological characterization of transgenic mouse models of neuropsychiatric and ...

Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive method that produces neural excitation in the cortex by means of brief, time-varying magnetic field pulses. The initiation of cortical activation or its modulation depends on the background activation of the neurons of the cortical region activated, the characteristics of the coil, its position and its orientation with respect to the head. TMS combined with simultaneous electrocephalography (EEG) and neuronavigation (nTMS-EEG) allows for the assessment of cortico-cortical excitability and connectivity in almost all cortical areas in a reproducible manner. This advance makes nTMS-EEG a powerful tool that can accurately assess brain dynamics and neurophysiology in test-retest paradigms that are required for clinical trials. Limitations of this method include artifacts that cover the initial brain reactivity to stimulation. Thus, the process of removing artifacts may also extract valuable information. Moreover, the optimal parameters for dorsolateral prefrontal (DLPFC) stimulation are not fully known and current protocols utilize variations from the motor cortex (M1) stimulation paradigms. However, evolving nTMS-EEG designs hope to address these issues. The protocol presented here introduces some standard practices for assessing neurophysiological functioning from stimulation to the DLPFC that can be applied in patients with treatment resistant psychiatric disorders that receive treatment such as transcranial direct current stimulation (tDCS), repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS), magnetic seizure therapy (MST) or electroconvulsive therapy (ECT).

The protocol presented here is for TMS-EEG studies utilizing intracortical excitability test-retest design paradigms. The intent of the protocol is to produce reliable and reproducible cortical excitability measures for assessing neurophysiological functioning related to therapeutic interventions in the treatment of neuropsychiatric diseases such as major depression.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive method that produces neural excitation in the cortex by means of brief, time-varying magnetic ...

Subdural Soft Electrocorticography (ECoG) Array Implantation and Long-Term Cortical Recording in Minipigs

Neurological impairments and diseases can be diagnosed or treated using electrocorticography (ECoG) arrays. In drug-resistant epilepsy, these help delineate the epileptic region to resect. In long-term applications such as brain-computer interfaces, these epicortical electrodes are used to record the movement intention of the brain, to control the robotic limbs of paralyzed patients. However, current stiff electrode grids do not answer the need for high-resolution brain recordings and long-term biointegration. Recently, conformable electrode arrays have been proposed to achieve long-term implant stability with high performance. However, preclinical studies for these new implant technologies are needed to validate their long-term functionality and safety profile for their translation to human patients. In this context, porcine models are routinely employed in developing medical devices due to their large organ sizes and easy animal handling. However, only a few brain applications are described in the literature, mostly due to surgery limitations and integration of the implant system on a living animal.
Here, we report the method for long-term implantation (6 months) and evaluation of soft ECoG arrays in the minipig model. The study first presents the implant system, consisting of a soft microfabricated electrode array integrated with a magnetic resonance imaging (MRI)-compatible polymeric transdermal port that houses instrumentation connectors for electrophysiology recordings. Then, the study describes the surgical procedure, from subdural implantation to animal recovery. We focus on the auditory cortex as an example target area where evoked potentials are induced by acoustic stimulation. We finally describe a data acquisition sequence that includes MRI of the whole brain, implant electrochemical characterization, intraoperative and freely moving electrophysiology, and immunohistochemistry staining of the extracted brains.
This model can be used to investigate the safety and function of novel design of cortical prostheses; mandatory preclinical study to envision translation to human patients.

Subdural Soft Electrocorticography ECoG Array Implantation and Long-Term Cortical Recording in Minipigs

Here, we present a method for the long-term performance and safety assessment of soft subdural electrode arrays in a minipig model, describing surgical method and tools, postoperative magnetic resonance imaging, electrophysiology of the auditory cortex, electrochemical properties of the implant, and postmortem immunochemistry.

경막하 연피질검사(ECoG) 어레이 이식 및 Minipig의 장기 피질 기록

Neurological impairments and diseases can be diagnosed or treated using electrocorticography (ECoG) arrays. In drug-resistant epilepsy, these help ...

생체공학

Statistical Modelling of Cortical Connectivity Using Non-invasive Electroencephalograms

Non-invasive electrophysiological recordings are useful for the evaluation of nervous system function. These techniques are inexpensive, fast, replicable, and less resource-intensive than imaging. Further, the functional data produced have excellent temporal resolution, which is not achievable with structural imaging.
Current applications of electroencephalograms (EEG) are limited by data processing methods. Standard analysis techniques using raw time series data at individual channels are very limited methods of interrogating nervous system activity. More detailed information about cortical function can be achieved by examining relationships between channels and deriving statistical models of how areas are interacting, allowing visualization of connectivity between networks.
This manuscript describes a method for deriving statistical models of cortical network activity by recording EEG in a standard manner, then examining the interelectrode coherence measures to assess relationships between the recorded areas. Higher order interactions can be further examined by assessing the covariance between the coherence pairs, producing high-dimensional &#34;maps&#34; of network interactions. These data constructs can be examined to assess cortical network function and its relationship to pathology in ways not achievable with traditional techniques.
This approach offers greater sensitivity to network level interactions than is achievable with raw time series analysis. It is, however, limited by the complexity of drawing specific mechanistic conclusions about the underlying neural populations and the high volumes of data generated, requiring more advanced statistical techniques for evaluation, including dimensionality reduction and classifier-based approaches.

Standard EEG analysis techniques offer limited insight into nervous system function. Deriving statistical models of cortical connectivity offers far greater ability to investigate underlying network dynamics. Improved functional assessment opens new possibilities for diagnosis, prognostication, and outcome prediction in nervous system diseases.

비침습적 뇌전도를 이용한 피질 연결의 통계적 모델링

Non-invasive electrophysiological recordings are useful for the evaluation of nervous system function. These techniques are inexpensive, fast, replicable, ...

Electro-encephalography (EEG)

EEG is a non-invasive technique that can measure brain activity. The neural activity generates electrical signals that are recorded by EEG electrodes placed on the scalp. When an individual is engaged in performing a cognitive task, brain activity changes and these changes can be recorded on the EEG graph. Therefore, it is a powerful tool for cognitive scientist aiming to better understand the neural correlates associated with different aspects of cognition, which will ultimately help them devise improved treatments for patients with cognitive deficits.
Here, JoVE presents a brief overview of EEG and its applications in cognitive research. First, we discuss where and how EEG signals are generated. Then, we explain the use of EEG in studying cognition along with a detailed step-by-step protocol to perform an EEG experiment. Lastly, the video reviews some specific cognitive experiments that use EEG in combination with other techniques such as functional Magnetic Resonance imaging (fMRI) or transcranial direct current stimulation (tDCS).

EEG: EEG Signal Origin, Even Related Potentials &amp; Cognition

뇌전도 검사(EEG)

EEG is a non-invasive technique that can measure brain activity.  The neural activity generates electrical signals that are recorded by EEG electrodes ...