Elektrokortykografia - Electrocorticography

Elektrokortykografia
Siatka elektrod wewnątrzczaszkowych do elektrokortykografii.png
Siatka elektrod wewnątrzczaszkowych do elektrokortykografii.
Synonimy Elektroencefalografia wewnątrzczaszkowa
Cel, powód rejestrować aktywność elektryczną kory mózgowej.(inwazyjne)

Elektrokortykografia ( ECoG ) lub elektroencefalografia śródczaszkowa ( IEEG ) to rodzaj monitorowania elektrofizjologicznego, który wykorzystuje elektrody umieszczone bezpośrednio na odsłoniętej powierzchni mózgu do rejestrowania aktywności elektrycznej kory mózgowej . W przeciwieństwie do tego, konwencjonalne elektrody do elektroencefalografii (EEG) monitorują tę aktywność z zewnątrz czaszki. ECoG może być wykonywane zarówno na sali operacyjnej podczas operacji (EKoG śródoperacyjne), jak i poza operacją (EKoG pozaoperacyjne). Ponieważ do wszczepienia siatki elektrodowej wymagana jest kraniotomia (chirurgiczne nacięcie czaszki), ECoG jest zabiegiem inwazyjnym.

Historia

ECoG zostało zapoczątkowane na początku lat pięćdziesiątych przez Wildera Penfielda i Herberta Jaspera , neurochirurgów z Montrealskiego Instytutu Neurologicznego . Obaj opracowali ECoG w ramach przełomowej procedury Montrealskiej , protokołu chirurgicznego stosowanego w leczeniu pacjentów z ciężką padaczką . Potencjały korowe zarejestrowane przez ECoG zostały wykorzystane do identyfikacji stref padaczkowych – obszarów kory, które generują napady padaczkowe . Strefy te byłyby następnie usuwane chirurgicznie z kory podczas resekcji, niszcząc w ten sposób tkankę mózgową, z której powstały napady padaczkowe. Penfield i Jasper stosowali również stymulację elektryczną podczas rejestracji ECoG u pacjentów poddawanych operacji padaczki w znieczuleniu miejscowym . Procedura ta została wykorzystana do zbadania funkcjonalnej anatomii mózgu, mapowania obszarów mowy i identyfikacji obszarów kory somatosensorycznej i somatomotorycznej, które należy wykluczyć z chirurgicznego usunięcia. Lekarz o nazwisku Robert Galbraith Heath był również wczesnym badaczem mózgu w Szkole Medycznej Uniwersytetu Tulane.

Podstawy elektrofizjologiczne

Sygnały ECoG składają się z zsynchronizowanych potencjałów postsynaptycznych ( lokalnych potencjałów pola ), rejestrowanych bezpośrednio z odsłoniętej powierzchni kory. Potencjały występują głównie w korowych komórkach piramidowych , a zatem muszą być prowadzone przez kilka warstw kory mózgowej, płynu mózgowo-rdzeniowego (CSF), pia mater i pajęczynówki, zanim dotrą do podtwardówkowych elektrod rejestrujących umieszczonych tuż pod oponą twardą (zewnętrzna błona czaszki). . Jednak, aby dotrzeć do elektrod na skórze głowy konwencjonalnego elektroencefalogramu (EEG), sygnały elektryczne muszą być również przewodzone przez czaszkę , gdzie potencjały szybko ulegają osłabieniu ze względu na niskie przewodnictwo kości . Z tego powodu rozdzielczość przestrzenna ECoG jest znacznie wyższa niż EEG, co stanowi krytyczną zaletę obrazowania w planowaniu przedoperacyjnym. ECoG oferuje rozdzielczość czasową około 5 ms i rozdzielczość przestrzenną 1 cm.

Używając elektrod głębinowych, lokalny potencjał pola daje miarę populacji neuronów w sferze o promieniu 0,5–3 mm wokół końcówki elektrody. Przy wystarczająco wysokiej częstotliwości próbkowania (ponad około 10 kHz) elektrody głębokościowe mogą również mierzyć potencjały czynnościowe . W takim przypadku rozdzielczość przestrzenna sprowadza się do pojedynczych neuronów, a pole widzenia pojedynczej elektrody wynosi około 0,05–0,35 mm.

Procedura

Zapis ECoG jest wykonywany z elektrod umieszczonych na odsłoniętej korze mózgowej. Aby uzyskać dostęp do kory, chirurg musi najpierw wykonać kraniotomię, usuwając część czaszki, aby odsłonić powierzchnię mózgu. Ta procedura może być wykonywana w znieczuleniu ogólnym lub w znieczuleniu miejscowym, jeśli interakcja z pacjentem jest wymagana do funkcjonalnego mapowania korowego. Elektrody są następnie chirurgicznie wszczepiane na powierzchnię kory mózgowej, a ich umiejscowienie kieruje się wynikami przedoperacyjnego obrazowania EEG i rezonansu magnetycznego (MRI). Elektrody mogą być umieszczone poza oponą twardą (nadoponowo) lub pod oponą twardą (podtwardówkowo). Macierze elektrod ECoG zazwyczaj składają się z szesnastu sterylnych, jednorazowych elektrod ze stali nierdzewnej, węglowych, platynowych, ze stopu platynowo-irydowego lub złotych elektrod kulkowych, z których każda jest zamontowana na przegubie kulowym i gniazdowym w celu ułatwienia pozycjonowania. Te elektrody są przymocowane do nałożonej ramy w konfiguracji „korony” lub „halo”. Podtwardówkowe elektrody taśmowe i siatkowe są również szeroko stosowane w różnych wymiarach, mające od 4 do 256 styków elektrod. Siatki są przezroczyste, elastyczne i ponumerowane przy każdym kontakcie elektrody. Standardowy odstęp między elektrodami siatki wynosi 1 cm; poszczególne elektrody mają zazwyczaj średnicę 5 mm. Elektrody są lekko osadzone na powierzchni korowej i są zaprojektowane z wystarczającą elastycznością, aby zapewnić, że normalne ruchy mózgu nie powodują obrażeń. Kluczową zaletą wiązek elektrod paskowych i siatkowych jest to, że można je wsunąć pod oponę twardą do obszarów korowych nieodsłoniętych przez kraniotomię. Elektrody paskowe i matryce koronowe można stosować w dowolnej pożądanej kombinacji. Elektrody głębokościowe mogą być również używane do rejestrowania aktywności głębszych struktur, takich jak hipokamp .

DCES

Bezpośrednia stymulacja elektryczna kory (DCES), znana również jako mapowanie stymulacji korowej , jest często wykonywana w połączeniu z rejestracją ECoG w celu mapowania funkcjonalnego kory i identyfikacji krytycznych struktur korowych. Podczas korzystania z konfiguracji korony, ręczny stymulator bipolarny z różdżką może być używany w dowolnym miejscu wzdłuż matrycy elektrod. Jednak w przypadku stosowania paska podtwardówkowego należy zastosować stymulację między parami sąsiednich elektrod ze względu na nieprzewodzący materiał łączący elektrody na siatce. Prądy stymulujące elektrycznie stosowane do kory są stosunkowo niskie, od 2 do 4 mA dla stymulacji somatosensorycznej i blisko 15 mA dla stymulacji poznawczej. Częstotliwość stymulacji wynosi zwykle 60 Hz w Ameryce Północnej i 50 Hz w Europie, a każda gęstość ładunku powyżej 150 μC/cm2 powoduje uszkodzenie tkanki.

Funkcje najczęściej mapowane przez DCES to podstawowy motor, podstawowy zmysł i język. Pacjent musi być czujny i interaktywny w przypadku procedur mapowania, chociaż zaangażowanie pacjenta różni się w zależności od procedury mapowania. Mapowanie językowe może obejmować nazywanie, czytanie na głos, powtarzanie i rozumienie ustne; Mapowanie somatosensoryczne wymaga, aby pacjent opisał odczucia doświadczane na twarzy i kończynach, gdy chirurg stymuluje różne regiony korowe.

Zastosowania kliniczne

Od czasu opracowania w latach pięćdziesiątych, ECoG jest wykorzystywane do lokalizowania stref padaczkowych podczas planowania przedoperacyjnego, mapowania funkcji korowych i przewidywania powodzenia resekcji chirurgicznej padaczkowej. ECoG ma kilka zalet w porównaniu z alternatywnymi metodami diagnostycznymi:

  • Elastyczne rozmieszczenie elektrod rejestrujących i stymulujących
  • Może być wykonywany na każdym etapie przed, w trakcie i po zabiegu
  • Umożliwia bezpośrednią stymulację elektryczną mózgu, identyfikując krytyczne obszary kory, których należy unikać podczas operacji
  • Większa precyzja i czułość niż rejestracja EEG skóry głowy – rozdzielczość przestrzenna jest wyższa, a stosunek sygnału do szumu jest lepszy ze względu na bliższe zbliżenie do aktywności neuronalnej

Ograniczenia ECoG obejmują:

  • Ograniczony czas próbkowania - drgawki ( napadowym events) nie mogą być rejestrowane w okresie nagrywania ECOG
  • Ograniczone pole widzenia – umieszczenie elektrod jest ograniczone obszarem odsłoniętej kory i czasem zabiegu, mogą wystąpić błędy pobierania próbek
  • Nagranie podlega wpływowi środków znieczulających, narkotycznych środków przeciwbólowych oraz samego zabiegu

Nieuleczalna padaczka

Padaczka jest obecnie trzecim najczęściej diagnozowanym zaburzeniem neurologicznym, dotykającym około 2,5 miliona osób w samych Stanach Zjednoczonych. Napady padaczkowe są przewlekłe i niezwiązane z żadnymi bezpośrednio uleczalnymi przyczynami, takimi jak toksyny lub choroby zakaźne, i mogą się znacznie różnić w zależności od etiologii, objawów klinicznych i miejsca pochodzenia w mózgu. Dla pacjentów z nieuleczalną padaczką – padaczką, która nie reaguje na leki przeciwdrgawkowe – leczenie chirurgiczne może być realną opcją leczenia.

Pozaoperacyjne EKG

Zanim pacjent może zostać zidentyfikowany jako kandydat do zabiegu resekcji, należy wykonać MRI w celu wykazania obecności zmiany strukturalnej w korze, popartej dowodami EEG na tkankę epileptogenną. Po zidentyfikowaniu zmiany można wykonać badanie ECoG w celu określenia lokalizacji i zasięgu zmiany oraz otaczającego obszaru podrażnienia. EEG skóry głowy, choć jest cennym narzędziem diagnostycznym, nie ma precyzji niezbędnej do zlokalizowania obszaru epileptogennego. ECoG jest uważany za złoty standard oceny aktywności neuronalnej u pacjentów z padaczką i jest szeroko stosowany w planowaniu przedoperacyjnym w celu ukierunkowania resekcji zmiany i strefy padaczki. Powodzenie operacji zależy od dokładnej lokalizacji i usunięcia strefy padaczkowej. Dane ECoG są oceniane w odniesieniu do napadów aktywności impulsów – „rozproszonej aktywności szybkiej fali” zarejestrowanej podczas napadu – oraz międzynapadowej aktywności padaczkowej (IEA), krótkich impulsów aktywności neuronalnej rejestrowanych pomiędzy epizodami padaczkowymi. ECoG wykonuje się również po operacji resekcji, aby wykryć pozostałą aktywność padaczkopodobną i określić powodzenie operacji. Resztkowe kolce w EKoG, niezmienione przez resekcję, wskazują na słabą kontrolę napadów i niepełną neutralizację epileptogennej strefy korowej. Może być konieczna dodatkowa operacja w celu całkowitego wyeliminowania napadów padaczkowych. Pozaoperacyjne ECoG jest również wykorzystywane do lokalizacji obszarów ważnych funkcjonalnie (znanych również jako kora elokwentna), które mają być zachowane podczas operacji padaczki. Opisuje się, że zadania motoryczne, sensoryczne i poznawcze podczas pozaoperacyjnego EKoG zwiększają amplitudę aktywności o wysokiej częstotliwości przy 70–110 Hz w obszarach zaangażowanych w wykonywanie danych zadań. Aktywność o wysokiej częstotliwości związana z zadaniem może animować „kiedy” i „gdzie” kora mózgowa jest aktywowana i hamowana w sposób 4D z rozdzielczością czasową 10 milisekund lub mniej i rozdzielczością przestrzenną 10 mm lub mniej.

Śródoperacyjne ECoG

Celem zabiegu resekcji jest usunięcie tkanki epileptogennej bez wywoływania niedopuszczalnych następstw neurologicznych. Poza identyfikacją i lokalizacją zasięgu stref epileptogennych, ECoG stosowane w połączeniu z DCES jest również cennym narzędziem do mapowania czynnościowego kory mózgowej . Niezbędne jest precyzyjne zlokalizowanie krytycznych struktur mózgu, określenie, które obszary chirurg musi ominąć podczas resekcji („ wymowna kora ”), aby zachować przetwarzanie sensoryczne, koordynację ruchową i mowę. Mapowanie funkcjonalne wymaga, aby pacjent miał możliwość interakcji z chirurgiem, a zatem jest wykonywane w znieczuleniu miejscowym, a nie ogólnym. Stymulacja elektryczna za pomocą elektrod korowych i ostrych elektrod głębinowych służy do badania różnych obszarów kory w celu zidentyfikowania ośrodków mowy, integracji somatosensorycznej i przetwarzania somatomotorycznego. Podczas operacji resekcji można również wykonać śródoperacyjne ECoG w celu monitorowania aktywności padaczkowej tkanki i zapewnienia resekcji całej strefy padaczkowej.

Chociaż stosowanie pozaoperacyjnego i śródoperacyjnego ECoG w resekcji chirurgicznej jest od kilkudziesięciu lat akceptowaną praktyką kliniczną, ostatnie badania wykazały, że użyteczność tej techniki może być różna w zależności od typu padaczki u pacjenta. Kuruvilla i Flink donieśli, że chociaż śródoperacyjne EKoG odgrywa kluczową rolę w dostosowanych lobektomii skroniowych, w wielu przecięciach podciekowych (MST) oraz w usuwaniu wad rozwojowych kory (MCD), okazało się, że jest niepraktyczne w standardowej resekcji przyśrodkowego płata skroniowego epilepsja (TLE) z dowodem MRI mezjalnego stwardnienia skroniowego (MTS). Badanie przeprowadzone przez Wennberga, Quesneya i Rasmussena wykazało przedoperacyjne znaczenie ECoG w przypadkach padaczki płata czołowego (FLE).

Aplikacje badawcze

ECoG pojawiła się niedawno jako obiecująca technika rejestracji do wykorzystania w interfejsach mózg-komputer (BCI). BCI to bezpośrednie interfejsy neuronowe, które zapewniają kontrolę urządzeń protetycznych, elektronicznych lub komunikacyjnych poprzez bezpośrednie wykorzystanie sygnałów mózgowych danej osoby. Sygnały mózgowe mogą być rejestrowane inwazyjnie za pomocą urządzeń rejestrujących wszczepionych bezpośrednio do kory lub nieinwazyjnie za pomocą elektrod EEG na głowie. ECoG służy do zapewnienia częściowo inwazyjnego kompromisu między tymi dwiema modalnościami – chociaż ECoG nie przenika przez barierę krew-mózg jak inwazyjne urządzenia rejestrujące, charakteryzuje się wyższą rozdzielczością przestrzenną i wyższym stosunkiem sygnału do szumu niż EEG. ECoG zwróciło ostatnio uwagę na dekodowanie wyobrażonej mowy lub muzyki, co może prowadzić do „dosłownych” BCI, w których użytkownicy po prostu wyobrażają sobie słowa, zdania lub muzykę, które BCI mogą bezpośrednio zinterpretować.

Oprócz zastosowań klinicznych do lokalizacji obszarów funkcjonalnych w celu wsparcia neurochirurgii, funkcjonalne mapowanie mózgu w czasie rzeczywistym za pomocą ECoG zwróciło uwagę na wspieranie badań nad podstawowymi zagadnieniami w neuronauce. Na przykład w badaniu z 2017 r. zbadano regiony w obszarach przetwarzania twarzy i koloru i stwierdzono, że te podregiony wnoszą bardzo specyficzny wkład w różne aspekty widzenia. Inne badanie wykazało, że aktywność o wysokiej częstotliwości 70–200 Hz odzwierciedlała procesy związane zarówno z przejściowym, jak i długotrwałym podejmowaniem decyzji. Inne prace oparte na ECoG przedstawiły nowe podejście do interpretacji aktywności mózgu, sugerując, że zarówno moc, jak i faza wspólnie wpływają na chwilowy potencjał napięciowy, który bezpośrednio reguluje pobudliwość korową. Podobnie jak praca nad dekodowaniem wyobrażonej mowy i muzyki, te kierunki badawcze obejmujące funkcjonalne mapowanie mózgu w czasie rzeczywistym mają również znaczenie dla praktyki klinicznej, w tym zarówno dla neurochirurgii, jak i systemów BCI. System, który był używany w większości tych publikacji dotyczących mapowania funkcjonalnego w czasie rzeczywistym, „CortiQ” . był używany zarówno do zastosowań badawczych, jak i klinicznych.

Najnowsze postępy

Elektrokortykogram jest nadal uważany za „ złoty standard ” w definiowaniu stref epileptogennych; jest to jednak procedura ryzykowna i wysoce inwazyjna. Ostatnie badania dotyczyły rozwoju nieinwazyjnej techniki obrazowania kory mózgowej do planowania przedoperacyjnego, która może dostarczyć podobnych informacji i rozdzielczości inwazyjnego EKG.

W jednym nowatorskim podejściu Lei Ding et al. starają się zintegrować informacje dostarczone przez strukturalne MRI i EEG skóry głowy, aby zapewnić nieinwazyjną alternatywę dla ECoG. W ramach tego badania zbadano podejście do lokalizacji źródeł podprzestrzennych o wysokiej rozdzielczości, FINE (wektory pierwszej zasady), aby zobrazować lokalizacje i oszacować zasięg źródeł prądu z EEG skóry głowy. Do uzyskanej tomografii wartości korelacji podprzestrzennej zastosowano technikę progowania w celu zidentyfikowania źródeł padaczkowych. Metodę tę przetestowano u trzech pacjentów pediatrycznych z nieuleczalną padaczką, uzyskując zachęcające wyniki kliniczne. Każdy pacjent był oceniany za pomocą strukturalnego MRI, długoterminowego monitorowania wideo-EEG za pomocą elektrod na głowie, a następnie za pomocą elektrod podtwardówkowych. Dane ECoG były następnie rejestrowane z wszczepionych podtwardówkowych siatek elektrod umieszczonych bezpośrednio na powierzchni kory. Dla każdego badanego uzyskano również obrazy MRI i tomografii komputerowej.

Strefy padaczkowe zidentyfikowane na podstawie przedoperacyjnych danych EEG zostały zweryfikowane na podstawie obserwacji pooperacyjnych danych ECoG u wszystkich trzech pacjentów. Te wstępne wyniki sugerują, że możliwe jest ukierunkowanie planowania chirurgicznego i nieinwazyjne lokalizowanie stref padaczki przy użyciu opisanych metod obrazowania i integracji. Wyniki EEG zostały dodatkowo zweryfikowane na podstawie wyników chirurgicznych wszystkich trzech pacjentów. Po resekcji chirurgicznej dwóch pacjentów nie ma napadów, a trzeci doświadczył znacznej redukcji napadów. Ze względu na sukces kliniczny, FINE oferuje obiecującą alternatywę dla przedoperacyjnego ECoG, dostarczając informacji zarówno o lokalizacji, jak i zasięgu źródeł padaczki poprzez nieinwazyjną procedurę obrazowania.

Zobacz też

Bibliografia