Gravação Humanos eletrocorticográfica (ECOG) Sinais para pesquisa neurocientífica e mapeamento em tempo real Funcional Cortical

Resumo

Nós apresentamos um método de coleta de sinais eletrocorticográfica para fins de pesquisa de seres humanos que são submetidos a monitorização invasiva epilepsia. Nós mostramos como usar a plataforma de software BCI2000 para coleta de dados, processamento de sinal e apresentação do estímulo. Especificamente, nós demonstramos Sigfried, uma ferramenta BCI2000 baseado em tempo real de mapeamento cerebral funcional.

Resumo

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), magnetoencephalography or functional magnetic-resonance imaging. These techniques have either inherently low temporal or low spatial resolution, and suffer from low signal-to-noise ratio and/or poor high-frequency sensitivity. Thus, they are suboptimal for exploring the short-lived spatio-temporal dynamics of many of the underlying brain processes. In contrast, the invasive technique of electrocorticography (ECoG) provides brain signals that have an exceptionally high signal-to-noise ratio, less susceptibility to artifacts than EEG, and a high spatial and temporal resolution (i.e., <1 cm/<1 millisecond, respectively). ECoG involves measurement of electrical brain signals using electrodes that are implanted subdurally on the surface of the brain. Recent studies have shown that ECoG amplitudes in certain frequency bands carry substantial information about task-related activity, such as motor execution and planning¹, auditory processing² and visual-spatial attention³. Most of this information is captured in the high gamma range (around 70-110 Hz). Thus, gamma activity has been proposed as a robust and general indicator of local cortical function^1-5. ECoG can also reveal functional connectivity and resolve finer task-related spatial-temporal dynamics, thereby advancing our understanding of large-scale cortical processes. It has especially proven useful for advancing brain-computer interfacing (BCI) technology for decoding a user's intentions to enhance or improve communication⁶ and control⁷. Nevertheless, human ECoG data are often hard to obtain because of the risks and limitations of the invasive procedures involved, and the need to record within the constraints of clinical settings. Still, clinical monitoring to localize epileptic foci offers a unique and valuable opportunity to collect human ECoG data. We describe our methods for collecting recording ECoG, and demonstrate how to use these signals for important real-time applications such as clinical mapping and brain-computer interfacing. Our example uses the BCI2000 software platform^8,9 and the SIGFRIED¹⁰ method, an application for real-time mapping of brain functions. This procedure yields information that clinicians can subsequently use to guide the complex and laborious process of functional mapping by electrical stimulation.

Prerequisites and Planning:

Patients with drug-resistant partial epilepsy may be candidates for resective surgery of an epileptic focus to minimize the frequency of seizures. Prior to resection, the patients undergo monitoring using subdural electrodes for two purposes: first, to localize the epileptic focus, and second, to identify nearby critical brain areas (i.e., eloquent cortex) where resection could result in long-term functional deficits. To implant electrodes, a craniotomy is performed to open the skull. Then, electrode grids and/or strips are placed on the cortex, usually beneath the dura. A typical grid has a set of 8 x 8 platinum-iridium electrodes of 4 mm diameter (2.3 mm exposed surface) embedded in silicon with an inter-electrode distance of 1cm. A strip typically contains 4 or 6 such electrodes in a single line. The locations for these grids/strips are planned by a team of neurologists and neurosurgeons, and are based on previous EEG monitoring, on a structural MRI of the patient's brain, and on relevant factors of the patient's history. Continuous recording over a period of 5-12 days serves to localize epileptic foci, and electrical stimulation via the implanted electrodes allows clinicians to map eloquent cortex. At the end of the monitoring period, explantation of the electrodes and therapeutic resection are performed together in one procedure.

In addition to its primary clinical purpose, invasive monitoring also provides a unique opportunity to acquire human ECoG data for neuroscientific research. The decision to include a prospective patient in the research is based on the planned location of their electrodes, on the patient's performance scores on neuropsychological assessments, and on their informed consent, which is predicated on their understanding that participation in research is optional and is not related to their treatment. As with all research involving human subjects, the research protocol must be approved by the hospital's institutional review board. The decision to perform individual experimental tasks is made day-by-day, and is contingent on the patient's endurance and willingness to participate. Some or all of the experiments may be prevented by problems with the clinical state of the patient, such as post-operative facial swelling, temporary aphasia, frequent seizures, post-ictal fatigue and confusion, and more general pain or discomfort.

At the Epilepsy Monitoring Unit at Albany Medical Center in Albany, New York, clinical monitoring is implemented around the clock using a 192-channel Nihon-Kohden Neurofax monitoring system. Research recordings are made in collaboration with the Wadsworth Center of the New York State Department of Health in Albany. Signals from the ECoG electrodes are fed simultaneously to the research and the clinical systems via splitter connectors. To ensure that the clinical and research systems do not interfere with each other, the two systems typically use separate grounds. In fact, an epidural strip of electrodes is sometimes implanted to provide a ground for the clinical system. Whether research or clinical recording system, the grounding electrode is chosen to be distant from the predicted epileptic focus and from cortical areas of interest for the research. Our research system consists of eight synchronized 16-channel g.USBamp amplifier/digitizer units (g.tec, Graz, Austria). These were chosen because they are safety-rated and FDA-approved for invasive recordings, they have a very low noise-floor in the high-frequency range in which the signals of interest are found, and they come with an SDK that allows them to be integrated with custom-written research software. In order to capture the high-gamma signal accurately, we acquire signals at 1200Hz sampling rate-considerably higher than that of the typical EEG experiment or that of many clinical monitoring systems. A built-in low-pass filter automatically prevents aliasing of signals higher than the digitizer can capture. The patient's eye gaze is tracked using a monitor with a built-in Tobii T-60 eye-tracking system (Tobii Tech., Stockholm, Sweden). Additional accessories such as joystick, bluetooth Wiimote (Nintendo Co.), data-glove (5^th Dimension Technologies), keyboard, microphone, headphones, or video camera are connected depending on the requirements of the particular experiment.

Data collection, stimulus presentation, synchronization with the different input/output accessories, and real-time analysis and visualization are accomplished using our BCI2000 software^8,9. BCI2000 is a freely available general-purpose software system for real-time biosignal data acquisition, processing and feedback. It includes an array of pre-built modules that can be flexibly configured for many different purposes, and that can be extended by researchers' own code in C++, MATLAB or Python. BCI2000 consists of four modules that communicate with each other via a network-capable protocol: a Source module that handles the acquisition of brain signals from one of 19 different hardware systems from different manufacturers; a Signal Processing module that extracts relevant ECoG features and translates them into output signals; an Application module that delivers stimuli and feedback to the subject; and the Operator module that provides a graphical interface to the investigator.

A number of different experiments may be conducted with any given patient. The priority of experiments will be determined by the location of the particular patient's electrodes. However, we usually begin our experimentation using the SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection) mapping method, which detects and displays significant task-related activity in real time. The resulting functional map allows us to further tailor subsequent experimental protocols and may also prove as a useful starting point for traditional mapping by electrocortical stimulation (ECS).

Although ECS mapping remains the gold standard for predicting the clinical outcome of resection, the process of ECS mapping is time consuming and also has other problems, such as after-discharges or seizures. Thus, a passive functional mapping technique may prove valuable in providing an initial estimate of the locus of eloquent cortex, which may then be confirmed and refined by ECS. The results from our passive SIGFRIED mapping technique have been shown to exhibit substantial concurrence with the results derived using ECS mapping¹⁰.

The protocol described in this paper establishes a general methodology for gathering human ECoG data, before proceeding to illustrate how experiments can be initiated using the BCI2000 software platform. Finally, as a specific example, we describe how to perform passive functional mapping using the BCI2000-based SIGFRIED system.

Protocolo

1. Localização eletrodo

1. Coletar uma pré-operatório T1 ressonância magnética estrutural (1.5T ou 3T) da cabeça do paciente: 256 x 256 pixels por fatia, campo de visão completo, sem interpolação, 1 fatia de largura mm, de preferência sagitais secções transversais.
2. Observe a implantação cirúrgica das grades e fitas. Recolha de fotografias digitais dos eletrodos in situ, e notas do neurocirurgião sobre os locais das redes implantadas e tiras.
3. Colete os pós-operatórios crânio radiografias e tomografias cerebrais TC em alta resolução (1 fatia largura mm, pele a pele, sem ângulo).
4. Criar um modelo tridimensional cortical do cérebro do paciente utilizando a ressonância magnética pré-operatória, e co-registrá-lo com os pós-grid imagens de implantação do CT. Nós usamos o pacote de software CURRY para este fim, e exportar a estrutura 3D cortical e eletrodo coordenadas em formato MATLAB. De MATLAB, nós exportamos um filme que mostra os eletrodos mapeados para o cérebro. Nós também map o eletrodo coordena a áreas de Brodmann padrão utilizando um sistema automatizado Talairach atlas.
5. Revise as informações a partir do modelo 3D, X-ray imagens, fotografias e notas. Finalize um esquema de numeração para os eletrodos, e trabalho com os técnicos do hospital para garantir que os eletrodos são corrigidas para o divisor de caixas seguindo esta numeração exata. Também criar um layout esquemático para traçar os eletrodos em duas dimensões, de tal forma que todas as posições de eletrodos pode ser claramente distinguido sem sobreposição. Se você está indo para executar Sigfried (ver secção 4), salvar essas coordenadas bidimensionais como um fragmento parâmetro BCI2000, no formato exigido pelo parâmetro ElectrodeLocations. Finalmente, selecione dois locais de eletrodos que são susceptíveis de ser electrocorticographically "silenciosa", ou seja, eles não estão perto do córtex eloqüente presumida, para usar como um solo inicial e de referência (preparar os g.USBamps por remendar a referência para os soquetes azuis, e no soloàs tomadas de amarelo, da extrema direita de cada unidade).

2. Hardware e Configuração do Software

1. Garantir que as especificações do computador são adequados para lidar com os requisitos de processamento do experimento. Um processador multi-core vai provavelmente ser necessário para acomodar as exigências de tempo real de aquisição e processamento de dados, gravação de vídeo, e outras tarefas necessárias. Para a gravação e análise em tempo real de 128 canais em 1200 Hz, usamos uma máquina 3-GHz quad-core com 4 GB de RAM. Os amplificadores devem ser ligados a um controlador USB dedicado, distinto do controlador (s) utilizado por outros de largura de banda periféricos, como discos externos e câmaras (isto pode ser verificado por meio do Gerenciador de Dispositivos do sistema). Finalmente, deve haver espaço em disco suficiente para armazenar até 5 MB por segundo de dados experimentais, e um sistema de arquivamento e backup-lo.
2. Configure o equipamento de pesquisa (amplificadores, computador, tela experimentador, keyboard, alto-falantes, microfone e câmera) em um carro único, que pode ser rapidamente rolou dentro e fora do quarto do paciente, com apenas um único cabo de alimentação para ligar na parede. Para mover o computador de sala para sala, use a função de hibernação antes de desligar. A tela do paciente vídeo deve estar em uma mesa bandeja separada ou braço monitor. Considerando que o paciente está propenso a convulsões, certifique-se que todo o equipamento pode ser rolada para fora do caminho rapidamente no caso de pessoal médico precisa ter acesso imediato ao paciente. O equipamento também deve ser desinfectado com toalhetes anti-sépticas antes e após a sua utilização no quarto do paciente.
3. Tempo com o paciente é limitado, e todos os procedimentos precisam ser robusta e otimizada para fazer o melhor uso desse tempo. A este respeito, a flexibilidade e robustez do BCI2000 são características valiosas. Certifique-se que os experimentos podem ser lançados com o toque de um botão. No caso de BCI2000, use um arquivo de lote para iniciar a combinação certa deBCI2000 módulos automaticamente, com as necessárias de linha de comando. O operador e módulos gUSBampSource são necessárias, juntamente com o SignalProcessing apropriado e módulos de aplicativos para a sua experiência particular. Use o recurso de scripts BCI2000 operador para garantir que todos os arquivos de parâmetros necessários são carregados automaticamente, incluindo os que são específicos para esse paciente, tais como o número de eletrodos e os respectivos nomes e posições. O objectivo da presente automação é o de minimizar o número de passos manuais pelo experimentador, e, assim, as possibilidades de erro. O software e os seus parâmetros precisam ter sido concluído e testado (talvez com um assunto EEG), pelo menos, uma ou duas semanas antes da implantação. Também é altamente recomendável realizar uma "seca" correria do dia antes da primeira sessão experimental, incluindo todos os novos pacientes parâmetros específicos.

3. Sessão Experimental Set-up

1. Escolha o seu momento parasugerindo gravações experimentais para o paciente, dando-lhes notar no início do dia, e novamente 15 minutos antes de começar. Contornar Visitantes, refeições, sonecas, procedimentos médicos, e estado do paciente, físico, emocional e cognitivo. É importante estabelecer um relacionamento com o pessoal médico no chão, para ajudar a otimizar o tempo e duração das gravações.
2. Roda o equipamento em local, conectar-se à tomada, vire na tela do sujeito de vídeo e conectá-lo ao computador, e não-hibernar o computador.
3. Lançamento BCI2000. Com o parâmetro VisualizeSource habilitado, pressione Definir Config. O espectador sinal abre, permitindo-lhe avaliar a qualidade do sinal ECoG. Botão direito do mouse sobre o espectador e definir o filtro passa-alta para um corte de 5 Hz. (Essa configuração filtro afetará somente a visualização, e não uma coleção de dados.)
4. Verifique se há interferência de ruído na linha de alimentação: A ativação de um filtro de entalhe no visualizador (a 50 Hz ou 60 Hz,dependendo de qual país você está) fazer uma grande diferença para o sinal? Se for assim, tentar reduzir esta removendo os não utilizados cabos cross-falantes, ou na identificação e remoção de outras fontes de interferência de poder. Altere os eletrodos usados ​​para referência e terra se necessário.
5. Se você estiver usando um olho-tracker, calibrá-lo usando o software de calibração fornecido pelo fabricante. O módulo de fonte BCI2000 deve ser compilado com a extensão EyetrackerLogger incluído, e deve ser lançado com o - LogEyetracker = 1 flag ativado, de forma que o olho de rastreamento de dados podem ser adquiridos em sincronia com os sinais ECOG.
6. Para evitar distrações e interrupções, e para minimizar a interferência de sinal possível, garantir que TVs, rádios e telefones celulares estão desligados.
7. Dê instruções precisas ao paciente para a experiência que você está prestes a ser executado. Dependendo da tarefa do sujeito, preparado slides do PowerPoint que mostram a tarefa, a postura sugerida, etc, pode ser útil.
8. Pressione Iniciar no operador para iniciar o experimento. Cada vez que você pressionar iniciar ou retomar, um novo arquivo será criado para evitar a substituição de dados anteriores, eo arquivo será inicializado com uma cópia de todos os valores dos parâmetros. Os dados brutos, então, ser transmitidos automaticamente para o arquivo, juntamente com os marcadores de eventos, até que você pressione suspender ou os acabamentos de execução experimentais.
9. Durante toda a sessão, monitorar o comportamento do paciente e os sinais ECOG para convulsões suspeitos, e estar pronto para responder às instruções do pessoal médico.

4. Sessão Experimental Exemplo: Mapeamento Clínica Sigfried com BCI2000

1. Preparação: Antes do início da sessão, você terá de ter preparado um arquivo model.ini que contém as configurações de processamento de sinais Sigfried usará para construir um modelo e um arquivo prm (ou fragmentos separados com mobilidade reduzida.) Que contém os parâmetros que BCI2000. o módulo SigfriedSigProcserá utilizado para visualização em tempo real. Dois parâmetros principais são ElectrodeLocations, especificando o layout 2-D que você escolheu para eletrodos especiais deste paciente, e ElectrodeCondition, que especifica qual diferentes tarefas serão mapeados em que condições. Neste exemplo, estamos usando o módulo StimulusPresentation simples para comunicar instruções ao paciente, de modo que o parâmetro de estímulos também precisa ser adaptada para as tarefas que pretende executar.
2. Passo Base: Iniciar os módulos DummySignalProcessing gUSBampSource e StimulusPresentationTask, configurados para a atividade da amostra ECOG de todas as grades e as tiras em 1200Hz, passa-alta-filtrada em 0,1 Hz. Instrua o assunto para relaxar e permanecer imóvel com os olhos abertos. Grave 6 minutos de atividade de base, sob iluminação confortável em um ambiente silencioso.
3. Passo de modelagem: Inicie a ferramenta data2model_gui e extrair características em 5 caixas Hz from Hz 70-110 utilizando o método de entropia máxima para cada 500 ms de dados. Pressione Montar o Modelo para construir um modelo probabilístico das características espectrais selecionados utilizando misturas Gaussianas.
4. Mapeamento Passo: Inicie o gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA e módulos StimulusPresentationTask e configurar o Operador para carregar o modelo probabilístico, o modelo cortical, e 2 - e as coordenadas 3-dimensionais do eletrodo. Depois de instruir o assunto, iniciar o processo de mapeamento. Neste processo, um sujeito irá executar cada tarefa durante 10 segundos de cada vez, em cada um dos 5 repetições. Durante cada tarefa, Sigfried detecta tarefa relacionada à atividade ECoG que é apresentado em 2 continuamente actualizada - e 3-dimensionais mapas do córtex eloqüente. Nos mapas de 2-dimensionais, o tamanho e vermelhidão de cada círculo representa a sua importância neste tarefa específica. Especificamente, o tamanho de cada círculo é proporcional à fracção da variância total de sinal na ba gamand que seja contabilizada pela tarefa. Esta estatística é conhecido como o coeficiente de determinação, ou r ^2. É no intervalo (0,1) e na configuração de corrente um valor de 0,1 podem ser geralmente considerada significativa. A escala dos círculos a um máximo de valores de r ² pode ser controlado usando os controles deslizantes (ver Figura 1C). Nos mapas 3-dimensional, os valores de r ² são mapeados para diferentes cores, em vez de tamanhos de círculos.

5. Os resultados representativos

A Figura 1 mostra resultados representativos, a partir de uma sessão de mapeamento Sigfried em um paciente. O paciente era um 28-year-old mulher destro que tinha epilepsia localização-relacionada intratável de esquerda-temporal início, com generalização secundária. 120 eletrodos foram implantados eletrocorticográfica subdurally sobre o lado esquerdo frontal, parietal e córtex temporal. Um laterais de raios-x (painel A) e uma fotografia intra-operatória (painel B) ilustram oconfiguração de uma grade frontal com 40 eletrodos, uma grade maior densidade temporal com 68 eletrodos, e três faixas cada uma das 4 eletrodos. A partir das apreensões registradas, um neurologista localizados os focos epilépticos e determinou que era necessária a ressecção cirúrgica do lobo temporal esquerdo, poupando córtex linguagem eloquente. Isto foi realizado com sucesso: em 8 meses após a ressecção, o paciente foi avaliado como livre de crises e sem déficits neurológicos. O procedimento de mapeamento passivo Sigfried córtex identificou envolvidos em função da linguagem, contrastando tarefa mudanças relacionadas durante tarefas auditivas. Os resultados foram apresentados em duas interfaces: uma interface de 2-dimensional (painel C), o que torna a disposição dos eléctrodos clara, e uma interface de 3-dimensional anatomicamente correcta-(painel D). Da esquerda para a direita o contraste painéis ouvir falado base vs linguagem (voz), ouvindo tons vs basais (tons), e ouvir a língua falada vs lisaperto, para tons (idioma). A última delas é incluído como um esboço da função auditiva que é específico para a linguagem receptiva. Os resultados da condição VOZ mostrou boa concordância com os locais em que a ECS interromperam a função da linguagem receptiva neste paciente (marcado como círculos amarelos no painel A).

Figura 1. Resultados exemplo de um paciente. O painel A mostra um lateral x-ray. Círculos amarelos marcar os eletrodos envolvidos na linguagem receptiva, posteriormente identificados por mapeamento estimulação electrocortical. O painel B é uma fotografia tirada durante a implantação. O painel C mostra os resultados de mapeamento Sigfried em um esquema bidimensional esquemática: o tamanho e vermelhidão de cada disco representa o significado do envolvimento de cada eléctrodo na tarefa, em relação à linha de base. Em painel D, a mesma estatística é mapeado para cor em um Rende modelo tridimensional do cérebrovermelhos de ressonância magnética do paciente.

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Discussão

A coleta de dados para a pesquisa ECOG requer uma estreita colaboração entre clínicos e pesquisadores, com uma grande equipe multi-disciplinar a resolução de problemas em neurologia clínica, neurocirurgia, neurociência básica, ciência da computação e engenharia elétrica. A recompensa é que os sinais ECOG, e em amplitudes particular na gama de alta gama de frequências (70-110Hz), são altamente valiosos. Não só eles fornecem uma visão científica sobre os correlatos neurais da cognitiva, sensorial e moto...

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