Elektrokortikografi - Electrocorticography

Inte att förväxla med ECOG som elektrokochleografi .
Elektrokortikografi
Intrakraniellt elektrodgaller för elektrokortikografi.png
Intrakraniellt elektrodgaller för elektrokortikografi.
Synonymer Intrakraniell elektroencefalografi
Ändamål registrera elektrisk aktivitet från hjärnbarken. (invasiv)

Elektrokortikografi ( ECoG ), eller intrakraniell elektroencefalografi ( iEEG ), är en typ av elektrofysiologisk övervakning som använder elektroder placerade direkt på den exponerade ytan av hjärnan för att registrera elektrisk aktivitet från hjärnbarken . Däremot övervakar konventionella elektroencefalografiska (EEG) elektroder denna aktivitet från utsidan av skallen. ECoG kan utföras antingen i operationssalen under operationen (intraoperativ ECoG) eller utanför operationen (extraoperativ ECoG). Eftersom en kraniotomi (ett kirurgiskt snitt i skallen) krävs för att implantera elektrodgallret är ECoG ett invasivt förfarande.

Historia

ECoG var pionjär i början av 1950 -talet av Wilder Penfield och Herbert Jasper , neurokirurger vid Montreal Neurological Institute . De två utvecklade ECoG som en del av sitt banbrytande förfarande i Montreal , ett kirurgiskt protokoll som används för att behandla patienter med svår epilepsi . De kortikala potentialerna som registrerats av ECoG användes för att identifiera epileptogena zoner - regioner i cortex som genererar epileptiska anfall . Dessa zoner skulle sedan avlägsnas kirurgiskt från cortex under resektion, vilket förstörde hjärnvävnaden där epileptiska anfall hade sitt ursprung. Penfield och Jasper använde också elektrisk stimulering under ECoG -inspelningar hos patienter som genomgick epilepsikirurgi under lokalbedövning . Detta förfarande användes för att utforska hjärnans funktionella anatomi, kartlägga talområden och identifiera de somatosensoriska och somatomotoriska cortexområdena som ska uteslutas från kirurgiskt avlägsnande. En läkare vid namn Robert Galbraith Heath var också en tidig forskare av hjärnan vid Tulane University School of Medicine.

Elektrofysiologisk grund

ECoG -signaler består av synkroniserade postsynaptiska potentialer ( lokala fältpotentialer ), inspelade direkt från den exponerade ytan av cortex. Potentialerna förekommer främst i kortikala pyramidala celler och måste därför ledas genom flera lager av hjärnbarken, cerebrospinalvätska (CSF), pia mater och arachnoid mater innan de når subdurala inspelningselektroder placerade strax under dura mater (yttre kranialmembran) . För att nå hårbottenelektroderna i ett konventionellt elektroencefalogram (EEG) måste elektriska signaler också ledas genom skallen , där potentialer snabbt dämpas på grund av benets låga ledningsförmåga . Av denna anledning är ECoG: s rumsliga upplösning mycket högre än EEG, en kritisk avbildningsfördel för förkirurgisk planering. ECoG erbjuder en tidsupplösning på cirka 5 ms och en rumslig upplösning på 1 cm.

Med hjälp av djupelektroder ger den lokala fältpotentialen ett mått på en neural befolkning i en sfär med en radie av 0,5–3 mm runt spetsen av elektroden. Med en tillräckligt hög samplingshastighet (mer än cirka 10 kHz) kan djupelektroder också mäta åtgärdspotentialer . I så fall är den rumsliga upplösningen ned till enskilda neuroner, och synfältet för en enskild elektrod är cirka 0,05–0,35 mm.

Procedur

ECoG -inspelningen utförs från elektroder placerade på den exponerade cortexen. För att komma åt cortex måste en kirurg först utföra en kraniotomi, ta bort en del av skallen för att avslöja hjärnytan. Denna procedur kan utföras antingen under narkos eller under lokalbedövning om patientinteraktion krävs för funktionell kortikal kartläggning. Elektroder implanteras sedan kirurgiskt på ytan av cortex, med placering styrd av resultaten från preoperativ EEG och magnetisk resonansavbildning (MRI). Elektroder kan antingen placeras utanför dura mater (epidural) eller under dura mater (subdural). ECoG-elektrodmatriser består vanligtvis av sexton sterila, engångsrostfritt stål, kolspets, platina, platina-iridiumlegering eller guldkulelektroder, var och en monterad på en boll- och sockelled för enkel positionering. Dessa elektroder är fästa på en överliggande ram i en "krona" eller "halo" -konfiguration. Subdurala remsor och rutnätelektroder används också i stor utsträckning i olika dimensioner och har allt från 4 till 256 elektrodkontakter. Gallren är transparenta, flexibla och numrerade vid varje elektrodkontakt. Standardavståndet mellan nätelektroderna är 1 cm; enskilda elektroder är typiskt 5 mm i diameter. Elektroderna sitter lätt på den kortikala ytan och är konstruerade med tillräcklig flexibilitet för att säkerställa att normala rörelser i hjärnan inte orsakar skada. En viktig fördel med remsor och rutnätelektroder är att de kan glidas under dura mater in i kortikala områden som inte utsätts för kraniotomin. Bandelektroder och kronuppsättningar kan användas i valfri kombination. Djupelektroder kan också användas för att registrera aktivitet från djupare strukturer som hippocampus .

DCES

Direkt kortikal elektrisk stimulering (DCES), även känd som kortikal stimuleringskartläggning , utförs ofta samtidigt med ECoG -inspelning för funktionell kartläggning av cortex och identifiering av kritiska kortikala strukturer. Vid användning av en kronkonfiguration kan en handhållen bipolär stimulator användas på valfri plats längs elektrodmatrisen. Vid användning av en subdural remsa måste emellertid stimulering appliceras mellan par av närliggande elektroder på grund av det icke ledande materialet som förbinder elektroderna på nätet. Elektriska stimulerande strömmar som appliceras på cortex är relativt låga, mellan 2 och 4 mA för somatosensorisk stimulering och nära 15 mA för kognitiv stimulering. Stimuleringsfrekvensen är vanligtvis 60 Hz i Nordamerika och 50 Hz i Europa, och varje laddningstäthet över 150 μC/cm2 orsakar vävnadsskada.

De funktioner som oftast kartläggs via DCES är primärmotor, primär sensorisk och språk. Patienten måste vara vaken och interaktiv för kartläggningsprocedurer, även om patientens engagemang varierar med varje kartläggningsprocedur. Språkmappning kan innebära namngivning, högläsning, upprepning och muntlig förståelse; somatosensorisk kartläggning kräver att patienten beskriver känslor som upplevs över ansiktet och extremiteterna när kirurgen stimulerar olika kortikala regioner.

Kliniska tillämpningar

Sedan utvecklingen på 1950 -talet har ECoG använts för att lokalisera epileptogena zoner under föroperativ planering, kartlägga kortikala funktioner och för att förutsäga framgången för epileptisk kirurgisk resektion. ECoG erbjuder flera fördelar jämfört med alternativa diagnostiska metoder:

  • Flexibel placering av inspelnings- och stimulerande elektroder
  • Kan utföras i alla stadier före, under och efter en operation
  • Tillåter direkt elektrisk stimulering av hjärnan och identifierar kritiska områden i cortex som ska undvikas under operationen
  • Större precision och känslighet än en EEG hårbotten inspelning-rumslig upplösning är högre och signal-brusförhållande är överlägsen på grund av närmare närhet till neural aktivitet

Begränsningar av ECoG inkluderar:

  • Begränsad provtagningstid - beslag ( ictal -händelser) får inte registreras under ECoG -inspelningsperioden
  • Begränsat synfält - elektrodplacering begränsas av området exponerad cortex och operationstid, provtagningsfel kan uppstå
  • Inspelningen är påverkad av bedövningsmedel, narkotiska smärtstillande medel och själva operationen

Utdragbar epilepsi

Epilepsi rankas för närvarande som den tredje vanligaste diagnostiserade neurologiska störningen och drabbar cirka 2,5 miljoner människor enbart i USA. Epileptiska anfall är kroniska och är inte relaterade till alla omedelbart behandlingsbara orsaker, såsom toxiner eller infektionssjukdomar, och kan variera mycket beroende på etiologi, kliniska symptom och ursprung i hjärnan. För patienter med svårbehandlad epilepsi - epilepsi som inte reagerar på antikonvulsiva medel kan kirurgisk behandling vara ett livskraftigt behandlingsalternativ.

Extraoperativt ECoG

Innan en patient kan identifieras som en kandidat för resektion av kirurgi måste MR utföras för att påvisa förekomsten av en strukturell skada i cortex, stödd av EEG -bevis på epileptogen vävnad. När en lesion har identifierats kan ECoG utföras för att bestämma läget och omfattningen av lesionen och omgivande irriterande region. EEG i hårbotten, medan det är ett värdefullt diagnostiskt verktyg, saknar den precision som krävs för att lokalisera den epileptogena regionen. ECoG anses vara guldstandarden för bedömning av neuronal aktivitet hos patienter med epilepsi och används i stor utsträckning för förkirurgisk planering för att styra kirurgisk resektion av lesionen och den epileptogena zonen. Operationens framgång beror på korrekt lokalisering och avlägsnande av den epileptogena zonen. ECoG -data bedöms med avseende på ictal spike -aktivitet - "diffus snabbvågsaktivitet" registrerad under ett anfall - och interictal epileptiform aktivitet (IEA), korta utbrott av neuronal aktivitet registrerad mellan epileptiska händelser. ECoG utförs också efter resektionsoperationen för att detektera eventuell kvarvarande epileptiform aktivitet och för att bestämma hur framgångsrik operationen är. Återstående spikar på ECoG, oförändrade av resektionen, indikerar dålig anfallskontroll och ofullständig neutralisering av den epileptogena kortikala zonen. Ytterligare operation kan vara nödvändig för att helt utrota anfallsaktivitet. Extraoperativt ECoG används också för att lokalisera funktionellt viktiga områden (även känd som vältalande cortex) som ska bevaras under epilepsikirurgi. Motoriska, sensoriska, kognitiva uppgifter under extraoperativ ECoG rapporteras öka amplituden för högfrekvent aktivitet vid 70–110 Hz i områden som är involverade i utförandet av givna uppgifter. Uppgiftsrelaterad högfrekvent aktivitet kan animera "när" och "där" hjärnbarken aktiveras och hämmas på ett 4D-sätt med en tidsupplösning på 10 millisekunder eller lägre och en rumslig upplösning på 10 mm eller lägre.

Intraoperativt eko

Målet med resektionsoperationen är att ta bort den epileptogena vävnaden utan att orsaka oacceptabla neurologiska konsekvenser. Förutom att identifiera och lokalisera omfattningen av epileptogena zoner är ECoG som används tillsammans med DCES också ett värdefullt verktyg för funktionell kortikal kartläggning . Det är viktigt att exakt lokalisera kritiska hjärnstrukturer, identifiera vilka regioner kirurgen måste avvara under resektion (" vältalande cortex ") för att bevara sensorisk bearbetning, motorisk koordination och tal. Funktionell kartläggning kräver att patienten kan interagera med kirurgen och utförs därmed under lokalbedövning snarare än generell anestesi. Elektrisk stimulering med hjälp av kortikala och akuta djupelektroder används för att undersöka olika delar av cortex för att identifiera talcentra, somatosensorisk integration och somatomotorisk bearbetning. Under resektionskirurgin kan intraoperativ ECoG också utföras för att övervaka vävnadens epileptiska aktivitet och se till att hela den epileptogena zonen resekteras.

Även om användningen av extraoperativ och intraoperativ ECoG vid resektionskirurgi har varit en accepterad klinisk praxis i flera decennier, har senaste studier visat att användbarheten av denna teknik kan variera beroende på vilken typ av epilepsi en patient uppvisar. Kuruvilla och Flink rapporterade att medan intraoperativ ECoG spelar en kritisk roll vid skräddarsydda temporala lobektomier, vid flera subpiala transektioner (MST) och vid avlägsnande av missbildningar av kortikal utveckling (MCD), har det visat sig opraktiskt vid standardresektion av medial temporallob epilepsi (TLE) med MR -tecken på mesial temporal skleros (MTS). En studie utförd av Wennberg, Quesney och Rasmussen visade förkirurgisk betydelse av ECoG i frontallobepilepsifall (FLE).

Forskningsapplikationer

ECoG har nyligen framträtt som en lovande inspelningsteknik för användning i hjärn-datorgränssnitt (BCI). BCI är direkta neurala gränssnitt som ger kontroll över protetiska, elektroniska eller kommunikationsenheter via direkt användning av individens hjärnsignaler. Hjärnsignaler kan antingen registreras invasivt, med inspelningsanordningar implanterade direkt i cortex, eller icke -invasivt, med hjälp av EEG -hårbottenelektroder. ECoG tjänar till att ge en delvis invasiv kompromiss mellan de två metoderna-medan ECoG inte tränger in i blod-hjärnbarriären som invasiva inspelningsenheter, har den en högre rumslig upplösning och högre signal-brus-förhållande än EEG. ECoG har nyligen uppmärksammats för avkodning av tänkt tal eller musik, vilket kan leda till "bokstavliga" BCI: er där användare helt enkelt föreställer sig ord, meningar eller musik som BCI direkt kan tolka.

Förutom kliniska applikationer för att lokalisera funktionella regioner för att stödja neurokirurgi har funktionell hjärnkartläggning i realtid med ECoG fått uppmärksamhet för att stödja forskning om grundläggande frågor inom neurovetenskap. Till exempel undersökte en studie från 2017 regioner inom ansikts- och färgbehandlingsområden och fann att dessa underregioner bidragit med mycket specifika bidrag till olika aspekter av synen. En annan studie visade att högfrekvent aktivitet från 70–200 Hz återspeglade processer associerade med både övergående och ihållande beslutsfattande. Annat arbete baserat på ECoG presenterade en ny metod för tolkning av hjärnaktivitet, vilket tyder på att både effekt och fas gemensamt påverkar momentan spänningspotential, vilket direkt reglerar kortikal excitabilitet. Precis som arbetet med att avkoda inbillat tal och musik, har dessa forskningsriktningar som involverar funktionell hjärnkartläggning i realtid också konsekvenser för klinisk praxis, inklusive både neurokirurgi och BCI-system. Systemet som användes i de flesta av dessa realtidsfunktionella kartläggningspublikationer, "CortiQ" . har använts för både forskning och kliniska tillämpningar.

Senaste framstegen

Elektrokortikogrammet anses fortfarande vara " guldstandarden " för att definiera epileptogena zoner; detta förfarande är dock riskabelt och mycket invasivt. Nyligen genomförda studier har undersökt utvecklingen av en icke -invasiv kortikal avbildningsteknik för förkirurgisk planering som kan ge liknande information och upplösning av det invasiva ECoG.

I ett nytt tillvägagångssätt, Lei Ding et al. försöka integrera informationen från en strukturell MRI och EEG i hårbotten för att ge ett icke -invasivt alternativ till ECoG. Denna studie undersökte en lokaliseringsmetod med hög upplösning för subrummet, FINE (första principvektorer) för att avbilda platserna och uppskatta omfattningen av nuvarande källor från hårbotten EEG. En tröskelvärdeteknik tillämpades på den resulterande tomografin av korrelationsvärden för delrum för att identifiera epileptogena källor. Denna metod testades hos tre pediatriska patienter med svårlöslig epilepsi, med uppmuntrande kliniska resultat. Varje patient utvärderades med hjälp av strukturell MRI, långsiktig video-EEG-övervakning med hårbottenelektroder och därefter med subdurala elektroder. ECoG -data registrerades sedan från implanterade subdurala elektrodgaller placerade direkt på cortexens yta. MR- och datortomografibilder erhölls också för varje ämne.

De epileptogena zonerna som identifierats från preoperativa EEG -data validerades genom observationer från postoperativa ECoG -data hos alla tre patienterna. Dessa preliminära resultat tyder på att det är möjligt att styra kirurgisk planering och lokalisera epileptogena zoner icke -invasivt med hjälp av de beskrivna avbildnings- och integreringsmetoderna. EEG -fynd validerades ytterligare av de kirurgiska resultaten från alla tre patienterna. Efter kirurgisk resektion är två patienter anfallsfria och den tredje har upplevt en signifikant minskning av anfall. På grund av sin kliniska framgång erbjuder FINE ett lovande alternativ till preoperativ ECoG, som ger information om både platsen och omfattningen av epileptogena källor genom en icke -invasiv bildbehandling.

Se även

Referenser