Nörobilimsel Araştırma ve Gerçek-zamanlı Fonksiyonel Kortikal Haritalama İnsan elektrokortikografik (ECoG) Sinyaller Kayıt

Özet

Biz invaziv epilepsi izleme gören insanlardan araştırma amaçlı elektrokortikografik sinyalleri toplamak için bir yöntem sunuyoruz. Biz veri toplama, sinyal işleme ve uyaran sunum için BCI2000 yazılım platformu nasıl kullanılacağını göstermektedir. Özellikle, Sigfried, gerçek zamanlı fonksiyonel beyin haritalama için BCI2000 tabanlı bir araç göstermektedir.

Özet

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.

Protokol

1. Elektrot Yerelleştirme

1. Dilim başına 256 x 256 piksel, görüş tam saha, hiçbir interpolasyon, 1 mm kesit genişliği, tercihen sagital kesitlerde: Hastanın başı bir ameliyat öncesi T1 ağırlıklı yapısal MRG (1.5T veya 3T) toplayın.
2. Izgaraları ve şeritler implantasyonu gözlemleyin. Implante ızgaraları ve şeritler yerle ilgili dijital yerinde elektrotların fotoğrafları ve beyin cerrahı notlarını toplayın.
3. Yüksek çözünürlükte post-operatif kafatası X-ray görüntüleri ve beyin tomografi (1 mm kesit genişliği, ten tene, hiçbir açı) toplayın.
4. Post-grid implantasyon BT görüntüleri ile ameliyat öncesi MRG ve co-kayıt kullanmadan Hastanın beyninin üç boyutlu bir kortikal modeli oluşturun. Biz bu amaçla CURRY yazılım paketi kullanmak ve 3D kortikal yapıya ihracat ve elektrot MATLAB biçimde koordine eder. MATLAB, biz beyin eşleştirilmektedir elektrotlar gösteren bir film ihracat. Ayrıca map elektrot otomatik bir Talairach atlas kullanarak standart Brodmann alanlara koordine eder.
5. 3D modeli, X-ray görüntüler, fotoğraflar ve notlar gelen bilgileri gözden geçirin. Elektrotlar ve hastane teknisyenleri ile çalışan elektrotlar bu tam numaralandırma takip dağıtım kutuları içine yamalı emin olmak için bir numaralandırma düzeni Finalize. Ayrıca tüm pozisyonları elektrot açık üst üste binen olmadan ayırt edilebilen bu tür iki boyutlu, in elektrotlar çizilmesi için bir şematik düzeni oluşturmak. Çalıştırmak (Bölüm 4) Sigfried yapacaksanız, ElectrodeLocations parametre gerektirdiği biçimde, bir BCI2000 parametre parçası olarak bu iki boyutlu koordinatları kaydedin. Son olarak, electrocorticographically olması muhtemel iki elektrot konumları seçmek "sessiz", yani onlar (yama mavi soketlerine referans g.USBamps hazırlamak, ilk zemin ve referans olarak kullanmak için, varsayılan kortekse yakın değildir ve zeminHer ünite aşırı sağ sarı soketler) için.

2. Donanım ve Yazılım Kurulumu

1. Bilgisayar özellikleri deney işlem ihtiyaçlarını karşılamak için yeterli olduğundan emin olun. Çok-çekirdekli işlemci olasılıkla gerçek zamanlı veri toplama ve işleme, video kayıt ve diğer gerekli görevlerin taleplerini karşılamak için gerekli olacaktır. 1200 Hz az 128 kanal kayıt ve gerçek zamanlı analiz için, 4 GB RAM ile 3 GHz dört çekirdekli makinesi kullanın. Amplifikatörler gibi harici sürücüler ve kameralar (bu sistemin Aygıt Yöneticisi aracılığıyla kontrol edilebilir) gibi diğer bant genişliği gerektiren çevre birimleri tarafından kullanılan denetleyici (ler) ayrı özel bir USB denetleyicisi, bağlı olmalıdır. Son olarak, yeterli disk deneysel verilerin saniyede 5 MB'a kadar depolamak için alan ve arşivleme ve yedekleme için bir sistem olmalıdır.
2. Araştırma ekipmanları (amplifikatörler, bilgisayar, deneyci ekranında, keybo kurunhızla duvara takmak için sadece tek bir güç kablosu, hastanın odasında ve dışarı rulo olabilir tek bir arabası, üzerinde ard, hoparlör, mikrofon ve kamera). Odadan odaya bilgisayar taşımak için, Fişi prizden çekmeden önce hazırda işlevini kullanın. Hastanın video ekranı ayrı bir tepsi masa veya monitör kolu olmalıdır. Hastanın nöbet eğilimli olduğu göz önüne alındığında, tıbbi personel, hasta için acil erişim ihtiyacı durumda tüm ekipmanları hızlı bir şekilde dışarı atılmasını edilebilir olduğundan emin olun. Ekipman da hastanın oda kullanımdan önce ve sonra antiseptik sıvı dezenfekte edilmelidir.
3. Hasta ile zamanla sınırlı olduğunu ve tüm prosedürleri sağlam ve o zamanın en iyi şekilde optimize edilmiş olması gerekir. Bu bağlamda, BCI2000 esneklik ve sağlamlık değerli özellikleridir. Deneyler bir düğmeye dokunarak başlatılabilir emin olun. BCI2000 söz konusu olduğunda, doğru bileşimi başlatmak için bir toplu dosyasını kullanmakGerekli komut satırı seçenekleri ile otomatik BCI2000 modülleri. Operatör ve gUSBampSource modülleri belirli bir deney için uygun SignalProcessing ve Uygulama modülleri ile birlikte, gereklidir. Gerekli tüm parametre dosyaları gibi elektrotlar ve isimlerini pozisyon sayısı olarak bu hastaya özgü herhangi bir otomatik olarak dahil yüklü olduğundan emin olmak için BCI2000 Operatörü script özelliğini kullanın. Bu otomasyon amacı deneyi tarafından elle adım sayısını ve böylece hata için olanaklar en aza indirmektir. Yazılım ve parametrelerini en az bir veya iki hafta implantasyon öncesi (belki de bir EEG konu ile) tamamlanmış ve test edilmiş gerekir. Aynı zamanda, bir "kuru" bütün yeni hasta özgü parametreleri de dahil olmak üzere, ilk önce, bir deneysel oturumda gün çalıştırmak gerçekleştirmek için son derece tavsiye edilir.

3. Deneysel Oturum Set-up

1. Için anı seçin, hastaya deney kayıtları düşündüren bunları günün erken fark vererek ve başlattığınızda tekrar 15 dakika önce. Etrafında ziyaretçiler, yemek, şekerlemeler, tıbbi prosedürler ve hastanın fiziksel, duygusal ve bilişsel durum çalışın. Bu kayıtların zamanlaması ve süresi optimize yardımcı olmak için, yerde sağlık personeli ile bir ilişki kurmak önemlidir.
2. Yerine Tekerlek ekipmanları, elektrik prizine bağlayın, öznenin video ekranı açın ve bilgisayara bağlayın ve bilgisayar un-kış uykusuna yatarlar.
3. BCI2000 başlatın. VisualizeSource parametre etkinleştirildiğinde, Config Set tuşuna basın. Sinyal görüntüleyicisi ECoG sinyal kalitesini değerlendirmek icar açılır. Izleyici üzerinde sağ tıklayın ve 5 Hz kesim için yüksek geçişli filtre ayarlayın. (Bu filtre ayarı yalnızca görsel etkiler ve veri değil toplama olacaktır.)
4. Güç hattı gürültüsünden etkilenmeden kontrol edin: (50 Hz veya 60 Hz, izleyiciye bir çentik filtre aktive musen hangi ülkeye bağlı olarak) sinyaline büyük bir fark yaratabilir? Eğer öyleyse, kullanılmayan çapraz konuşuyor kabloları çıkarmadan, ya da güç girişim diğer kaynaklar belirleme ve kaldırarak bu azaltmaya çalışın. Referans ve öğütülmüş gerekirse için kullanılan elektrotlar değiştirebilir.
5. Bir göz tracker kullanıyorsanız, üretici tarafından sağlanan kalibrasyon yazılımı kullanarak kalibre. BCI2000 kaynağı modülü dahil EyetrackerLogger uzantısı ile derlenmiş olmalıdır ve ile başlatılması gerektiğini - LogEyetracker = 1 bayrak eye-tracking verileri ECOG sinyalleri ile eşzamanlı olarak elde edilebilir, böylece etkin.
6. Dikkat dağıtıcı ve kesintileri önlemek için ve olası sinyal girişimi en aza indirmek için, TV, radyo ve cep telefonları kapalı olduğundan emin olun.
7. Çalıştırmak üzeresiniz deney için hastaya kesin talimatlar verin. Görev göstereceğim Powerpoint slaytlar hazırlanmış, konu görevi bağlı olarak, önerilen duruş, vs, yararlı olabilir.
8. Denemeyi başlatmak için Operatör üzerinde Başlat düğmesine basın. Eğer her bastığınızda başlatın veya Devam, yeni bir dosya önceki verileri üzerine yazılmasını önlemek için oluşturulacak ve dosya tüm parametre değerleri bir kopyası ile başlatılır. Eğer Askıya Alma veya deneysel çalışma bittikten basana kadar ham veri, daha sonra olay işaretleri ile birlikte, dosya otomatik olarak akışı.
9. Oturum sırasında, hastanın davranış ve şüpheli nöbetler için ECOG sinyalleri izlemek ve tıbbi personelin talimatlarına yanıt vermeye hazır olun.

4. Örnek Deneysel Oturum: BCI2000 ile Sigfried Klinik Haritalama

1. Hazırlanışı: oturumu başlar önce, Sigfried bir model oluşturmak için kullanacağı sinyal işleme ayarlarını içeren bir model.ini dosya hazırladık gerekir ve bir prm dosyasını (veya ayrı prm parçaları.) Bu BCI2000 parametreleri içeren. SigfriedSigProc modülügerçek zamanlı görüntüleme için kullanacağız. İki anahtar parametreleri farklı görevler hangi koşullarda eşlenecek belirtir, bu hastanın özel elektrotlar ve ElectrodeCondition için seçtik 2-B düzeni belirterek, ElectrodeLocations vardır. Bu örnekte, hasta için talimatları iletişim kurmak için basit StimulusPresentation modülü kullanılarak, bu nedenle Uyaranlar parametre de biz çalıştırmak niyetinde görevlere adapte edilmesi gerekmektedir.
2. Temel Adım: 1200Hz tüm ızgaraları ve şeritler numune ECOG aktivite için yapılandırılmış gUSBampSource, DummySignalProcessing ve StimulusPresentationTask modülleri, Başlat, 0.1 Hz yüksek geçiren filtreden. Rahatla ve açık gözlerle hareketsiz kalmasını konu söyleyin. Sessiz bir ortamda rahat bir aydınlatma altında bazal aktivite Kayıt 6 dakika.
3. Modelleme Adım: data2model_gui aracını başlatın ve 5 Hz bidonları fr özellikleri ayıklamakveri her 500 ms için maksimum entropi yöntemi kullanılarak om 70-110 Hz. Gauss karışımları kullanarak seçilen spektral özellikleri bir olasılık modeli oluşturmak için Model Oluşturma basın.
4. Haritalama Adım: gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA ve StimulusPresentationTask modülleri başlatın ve olasılık modeli yükleme Operatör, kortikal modeli ve 2 yapılandırmak - ve 3-boyutlu elektrot koordinatları. Konusu talimat sonra, haritalama işlemini başlatmak. Bu süreçte, bir konu 5 tekrarlar her biri, bir seferde 10 saniye süreyle her görevi yerine getirecektir. Ve kortekse 3 boyutlu haritalar - her görev sırasında, Sigfried görevle ilgili ECoG sürekli güncellenen 2'de sunulmuştur etkinliği algılar. 2-boyutlu haritalarına olarak, her bir dairenin boyutu ve kırmızılık bu özel bir görev önemini temsil eder. Spesifik olarak, her bir dairenin boyutu gamma Ba toplam sinyal varyans fraksiyonu ile orantılıdırgörev tarafından muhasebeleştirilir nd. Bu istatistik belirlenmesi katsayısı, veya R ² olarak bilinir. Bu aralık (0,1) içinde ve geçerli kurulum 0.1 arasında bir değere, genel olarak anlamlı olarak kabul edilebilir. Maksimum r ² değerleri çevrelerin ölçekleme sürgüleri (Şekil 1C bakınız) kullanılarak kontrol edilebilir. 3 boyutlu haritalar, r ² değerleri yerine daire büyüklükleri farklı renkler eşleştirilir.

5.. Temsilcisi Sonuçlar

Şekil 1, bir hastada bir eşleme Sigfried oturumdan, temsili sonuçlarını göstermektedir. Hasta sekonder jeneralize sol-temporal başlangıçlı dirençli lokalizasyonu ile ilgili epilepsi olan bir 28 yaşındaki sağ elini kullanan kadın oldu. 120 elektrokortikografik elektrotlar sol frontal, parietal ve temporal korteks üzerinde subdurally implante edildi. A yanal x-ışını (panel A) ve intra-operatif bir fotoğraf (panel B) tasvir40 elektrotlar, 68 elektrot ile bir yüksek yoğunluklu zamansal ızgara ve üç şeritler 4 elektrot her ile bir ön ızgara konfigürasyonu. Kaydedilen nöbet itibaren, bir nörolog epileptik odak lokalize ve beliğ dil korteksi tutumlu ise sol temporal lobun cerrahi gerçekleştirmek için gerekli olduğunu belirledi. Bu başarılı bir şekilde gerçekleştirildi: 8 ay sonrası rezeksiyon sırasında hastanın nöbet ücretsiz olarak ve nörolojik olmadan değerlendirilmiştir. Pasif haritalama yöntemi dinleme görevleri sırasında görevle ilgili değişiklikler sûretiyle, dil işlevini yer tespit korteks Sigfried. Elektrotların düzeni açıkça bir 2 boyutlu arayüzü (panel C), ve 3 boyutlu anatomik doğru arabirimi (panel D): Sonuçlar iki arayüz sunulmuştur. Soldan sesleri vs başlangıca (TON) dinleyerek, konuşulan dil vs başlangıca (SES) dinleme ve konuşma dilini vs lis dinleme hakkını panelleri kontrastsesleri (DİL) işlem yapmadığı takdirde. Bunların sonuncusu alıcı dil özgü işitsel işlev kaba bir resim olarak yer almaktadır. SES durumun sonuçları (panel A sarı daireler olarak işaretlenmiş) bu hastada alıcı dil fonksiyonu bozulur ECS hangi yerleri ile iyi bir uyum göstermiştir.

Şekil 1. Hastadan hastaya Örnek sonuçlanır. Panel bir lateral bir x-ışını gösterir. Sarı daireler olarak sonradan electrocortical stimülasyon haritalama tarafından belirlenen alıcı dil karıştığı elektrotlar, işaretleyin. Panel B implantasyon sırasında çekilmiş bir fotoğraftır. Panel C şematik bir iki boyutlu düzeni Sigfried eşleme sonuçlarını göstermektedir: her bir diskin boyutu ve kırmızılık başlangıca göre görevi her bir elektrotun, katılımı önemini temsil eder. Panel D, aynı istatistik üç boyutlu bir beyin modeli rende renk eşleştirilirHastanın MR kırmızı.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Tartışmalar

Araştırma için ECoG veri toplama çok multi-disipliner ekibi klinik nöroloji, beyin cerrahisi, temel sinirbilim, bilgisayar bilimi ve elektrik mühendisliği sorunları çözme, klinisyenler ve araştırmacılar arasında yakın işbirliğini gerektirmektedir. Ödül ECOG sinyalleri ve yüksek gama frekans aralığı (70-110Hz) özellikle genliklerde, çok değerli olmasıdır. Onlar duyusal, bilişsel sinirsel ilgisi içine bilimsel bilgi sağlar ve motor yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlüğe hem de ^1-...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Malzemeler