Электрокортикография ( ЭКоГ ), тип внутричерепной электроэнцефалографии ( иЭЭГ ), представляет собой тип электрофизиологического мониторинга, который использует электроды, размещенные непосредственно на открытой поверхности мозга, для регистрации электрической активности коры головного мозга . Напротив, обычные электроды электроэнцефалографии (ЭЭГ) контролируют эту активность снаружи черепа. ЭКоГ может проводиться либо в операционной во время операции (интраоперационная ЭКоГ), либо вне операции (экстраоперационная ЭКоГ). Поскольку для имплантации электродной сетки требуется краниотомия (хирургический разрез в черепе), ЭКоГ является инвазивной процедурой.
ECoG была впервые применена в начале 1950-х годов Уайлдером Пенфилдом и Гербертом Джаспером , нейрохирургами из Монреальского неврологического института . [1] Они разработали ECoG как часть своей новаторской процедуры в Монреале, хирургического протокола, используемого для лечения пациентов с тяжелой эпилепсией . Корковые потенциалы, зарегистрированные ECoG, использовались для определения эпилептогенных зон — областей коры, которые генерируют эпилептические припадки . Затем эти зоны хирургическим путем удалялись из коры во время резекции, тем самым разрушая мозговую ткань, в которой возникли эпилептические припадки. Пенфилд и Джаспер также использовали электрическую стимуляцию во время записи ECoG у пациентов, перенесших операцию по лечению эпилепсии под местной анестезией . [2] Эта процедура использовалась для изучения функциональной анатомии мозга, картирования речевых областей и определения соматосенсорных и соматомоторных областей коры, которые следует исключить из хирургического удаления. Доктор по имени Роберт Гэлбрейт Хит также был одним из первых исследователей мозга в Медицинской школе Тулейнского университета . [3] [4]
Сигналы ECoG состоят из синхронизированных постсинаптических потенциалов ( локальных полевых потенциалов ), регистрируемых непосредственно с открытой поверхности коры. Потенциалы возникают в основном в корковых пирамидальных клетках и, таким образом, должны проходить через несколько слоев коры головного мозга, спинномозговой жидкости (СМЖ), мягкой мозговой оболочке и паутинной оболочке, прежде чем достигнуть субдуральных регистрирующих электродов, расположенных чуть ниже твердой мозговой оболочки (наружной черепной мембраны). Однако для достижения электродов скальпа обычной электроэнцефалограммы (ЭЭГ) электрические сигналы также должны проходить через череп , где потенциалы быстро затухают из-за низкой проводимости кости . По этой причине пространственное разрешение ECoG намного выше, чем у ЭЭГ, что является критическим преимуществом визуализации для предоперационного планирования. [5] ECoG обеспечивает временное разрешение приблизительно 5 мс и пространственное разрешение всего 1-100 мкм. [6]
При использовании глубинных электродов локальный потенциал поля дает меру нейронной популяции в сфере с радиусом 0,5–3 мм вокруг кончика электрода. [7] При достаточно высокой частоте дискретизации (более 10 кГц) глубинные электроды также могут измерять потенциалы действия . [8] В этом случае пространственное разрешение сводится к отдельным нейронам, а поле зрения отдельного электрода составляет приблизительно 0,05–0,35 мм. [7]
Запись ECoG выполняется с электродов, размещенных на открытой коре. Чтобы получить доступ к коре, хирург должен сначала выполнить краниотомию, удалив часть черепа, чтобы обнажить поверхность мозга. Эта процедура может быть выполнена как под общим наркозом , так и под местной анестезией, если для функционального картирования коры требуется взаимодействие с пациентом. Затем электроды хирургическим путем имплантируются на поверхность коры, при этом размещение определяется результатами предоперационной ЭЭГ и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Электроды могут быть размещены либо снаружи твердой мозговой оболочки (эпидурально), либо под твердой мозговой оболочкой (субдурально). Электродные решетки ECoG обычно состоят из шестнадцати стерильных одноразовых электродов из нержавеющей стали, с углеродным наконечником, платины, сплава платины и иридия или золотых шариков, каждый из которых установлен на шаровом шарнире для удобства позиционирования. Эти электроды прикреплены к вышележащей раме в конфигурации «короны» или «гало». [9] Субдуральные полосковые и решетчатые электроды также широко используются в различных размерах, имея от 4 до 256 [10] электродных контактов. Сетки прозрачные, гибкие и пронумерованы на каждом электродном контакте. Стандартное расстояние между решетчатыми электродами составляет 1 см; отдельные электроды обычно имеют диаметр 5 мм. Электроды легко располагаются на поверхности коры и разработаны с достаточной гибкостью, чтобы гарантировать, что нормальные движения мозга не вызовут травм. Ключевым преимуществом решетчатых и решетчатых электродных решеток является то, что их можно вводить под твердую мозговую оболочку в корковые области, не обнаженные при краниотомии. Полосковые электроды и корончатые решетки можно использовать в любой желаемой комбинации. Глубинные электроды также могут использоваться для регистрации активности из более глубоких структур, таких как гиппокамп .
Прямая кортикальная электрическая стимуляция (DCES), также известная как картирование кортикальной стимуляции , часто выполняется одновременно с записью ЭКоГ для функционального картирования коры и идентификации критических кортикальных структур. [9] При использовании конфигурации короны ручной биполярный стимулятор в виде палочки может использоваться в любом месте вдоль электродной решетки. Однако при использовании субдуральной полоски стимуляция должна применяться между парами соседних электродов из-за непроводящего материала, соединяющего электроды на сетке. Электрические стимулирующие токи, применяемые к коре, относительно низкие, от 2 до 4 мА для соматосенсорной стимуляции и около 15 мА для когнитивной стимуляции. [9] Частота стимуляции обычно составляет 60 Гц в Северной Америке и 50 Гц в Европе, и любая плотность заряда более 150 мкКл/см2 вызывает повреждение тканей. [11] [12]
Наиболее часто картируемыми с помощью DCES функциями являются первичная моторика, первичная сенсорика и язык. Пациент должен быть бдительным и интерактивным для процедур картирования, хотя участие пациента меняется в зависимости от каждой процедуры картирования. Языковое картирование может включать называние, чтение вслух, повторение и устное понимание; соматосенсорное картирование требует, чтобы пациент описывал ощущения, испытываемые на лице и конечностях, когда хирург стимулирует различные корковые области. [9]
С момента своего развития в 1950-х годах ЭКоГ использовалась для локализации эпилептогенных зон во время предоперационного планирования, картирования корковых функций и прогнозирования успеха эпилептической хирургической резекции. ЭКоГ имеет ряд преимуществ по сравнению с альтернативными диагностическими методами:
Ограничения ECoG включают в себя:
В настоящее время эпилепсия занимает третье место среди наиболее часто диагностируемых неврологических расстройств, поражая около 2,5 миллионов человек только в Соединенных Штатах. [13] Эпилептические припадки являются хроническими и не связаны с какими-либо немедленно излечимыми причинами, такими как токсины или инфекционные заболевания, и могут широко варьироваться в зависимости от этиологии, клинических симптомов и места возникновения в мозге. Для пациентов с трудноизлечимой эпилепсией — эпилепсией, которая не поддается лечению противосудорожными препаратами — хирургическое лечение может быть жизнеспособным вариантом лечения. Частичная эпилепсия [14] является распространенной трудноизлечимой эпилепсией, и частичный припадок трудно локализовать. Лечение такой эпилепсии ограничивается прикреплением стимулятора блуждающего нерва. Хирургическое лечение эпилепсии является лекарством от частичной эпилепсии при условии, что область мозга, генерирующая припадок, тщательно и аккуратно удаляется.
Прежде чем пациента можно будет идентифицировать как кандидата на резекционную операцию, необходимо провести МРТ, чтобы продемонстрировать наличие структурного поражения в коре, подкрепленного доказательствами эпилептогенной ткани на ЭЭГ. [2] После того, как поражение идентифицировано, можно провести ЭКоГ, чтобы определить местоположение и степень поражения и окружающую раздражающую область. ЭЭГ скальпа, хотя и является ценным диагностическим инструментом, не обладает необходимой точностью для локализации эпилептогенной области. ЭКоГ считается золотым стандартом для оценки нейронной активности у пациентов с эпилепсией и широко используется для предоперационного планирования для руководства хирургической резекцией поражения и эпилептогенной зоны. [15] [16] Успех операции зависит от точной локализации и удаления эпилептогенной зоны. Данные ECoG оцениваются с учетом иктальной спайковой активности – «диффузной быстроволновой активности», регистрируемой во время припадка, – и интериктальной эпилептиформной активности (IEA), кратких всплесков нейронной активности, регистрируемых между эпилептическими событиями. ECoG также выполняется после резекционной операции для обнаружения остаточной эпилептиформной активности и определения успешности операции. Остаточные спайки на ECoG, не измененные резекцией, указывают на плохой контроль над приступами и неполную нейтрализацию эпилептогенной корковой зоны. Для полного устранения судорожной активности может потребоваться дополнительная операция. Экстраоперационная ECoG также используется для локализации функционально важных областей (также известных как красноречивая кора), которые необходимо сохранить во время операции по лечению эпилепсии. [17] Сообщается, что двигательные, сенсорные, когнитивные задачи во время экстраоперационной ECoG увеличивают амплитуду высокочастотной активности на уровне 70–110 Гц в областях, участвующих в выполнении данных задач. [17] [18] [19] Высокочастотная активность, связанная с выполнением задач, может анимировать «когда» и «где» активируется и тормозится кора головного мозга в 4D-режиме с временным разрешением 10 миллисекунд или меньше и пространственным разрешением 10 мм или меньше. [18] [19]
Целью резекционной операции является удаление эпилептогенной ткани без возникновения неприемлемых неврологических последствий. Помимо выявления и локализации степени эпилептогенных зон, ЭКоГ, используемая в сочетании с DCES, также является ценным инструментом для функционального коркового картирования . Крайне важно точно локализовать критические структуры мозга, определяя, какие области хирург должен сохранить во время резекции (« красноречивую кору »), чтобы сохранить сенсорную обработку, координацию движений и речь. Функциональное картирование требует, чтобы пациент мог взаимодействовать с хирургом, и поэтому проводится под местной, а не общей анестезией. Электрическая стимуляция с использованием корковых и острых глубинных электродов используется для зондирования отдельных областей коры с целью выявления центров речи, соматосенсорной интеграции и соматомоторной обработки. Во время резекционной операции может также проводиться интраоперационная ЭКоГ для мониторинга эпилептической активности ткани и обеспечения резекции всей эпилептогенной зоны.
Хотя использование экстраоперационной и интраоперационной ЭКоГ при резекционной хирургии было общепринятой клинической практикой в течение нескольких десятилетий, недавние исследования показали, что полезность этой техники может варьироваться в зависимости от типа эпилепсии, проявляемой пациентом. Курувилла и Флинк сообщили, что, хотя интраоперационная ЭКоГ играет решающую роль в индивидуальной височной лобэктомии, в множественных субпиальных транссекциях (МСТ) и в удалении пороков развития коры (МКР), она была признана непрактичной при стандартной резекции медиальной височной эпилепсии (TLE) с МРТ-признаками мезиального височного склероза (MTS). [2] Исследование, проведенное Веннбергом, Квесни и Расмуссеном, продемонстрировало предоперационное значение ЭКоГ в случаях лобной эпилепсии (FLE). [20]
ECoG недавно появилась как перспективная технология записи для использования в интерфейсах мозг-компьютер (BCI). [21] BCI — это прямые нейронные интерфейсы, которые обеспечивают управление протезами, электронными или коммуникационными устройствами посредством прямого использования сигналов мозга человека. Сигналы мозга могут быть записаны либо инвазивно, с помощью записывающих устройств, имплантированных непосредственно в кору, либо неинвазивно, с помощью скальповых электродов ЭЭГ. ECoG служит для обеспечения частично инвазивного компромисса между двумя модальностями — хотя ECoG не проникает через гематоэнцефалический барьер , как инвазивные записывающие устройства, она имеет более высокое пространственное разрешение и более высокое отношение сигнал/шум, чем ЭЭГ. [21] ECoG недавно привлекла внимание для декодирования воображаемой речи или музыки, что может привести к «буквальным» BCI [22], в которых пользователи просто представляют себе слова, предложения или музыку, которые BCI может напрямую интерпретировать. [23] [24]
Помимо клинических приложений для локализации функциональных областей для поддержки нейрохирургии, функциональное картирование мозга в реальном времени с помощью ECoG привлекло внимание для поддержки исследований фундаментальных вопросов в нейронауке. Например, исследование 2017 года изучало области в областях обработки лиц и цвета и обнаружило, что эти субрегионы вносят весьма специфический вклад в различные аспекты зрения. [25] Другое исследование показало, что высокочастотная активность от 70 до 200 Гц отражает процессы, связанные как с кратковременным, так и с устойчивым принятием решений. [26] Другая работа, основанная на ECoG, представила новый подход к интерпретации активности мозга, предполагая, что и мощность, и фаза совместно влияют на мгновенный потенциал напряжения, который напрямую регулирует возбудимость коры. [27] Подобно работе по расшифровке воображаемой речи и музыки, эти направления исследований, включающие функциональное картирование мозга в реальном времени, также имеют значение для клинической практики, включая как нейрохирургию, так и системы BCI. Система, которая использовалась в большинстве этих публикаций по функциональному картированию в реальном времени, «CortiQ».использовался как в исследовательских, так и в клинических целях.
Электрокортикограмма по-прежнему считается « золотым стандартом » для определения эпилептогенных зон; однако эта процедура рискованна и высокоинвазивна. Недавние исследования изучали разработку неинвазивной техники кортикальной визуализации для предоперационного планирования, которая может предоставить аналогичную информацию и разрешение инвазивной ЭКоГ.
В одном из новых подходов Лей Дин и др. [28] стремятся объединить информацию, полученную с помощью структурной МРТ и скальповой ЭЭГ, чтобы предоставить неинвазивную альтернативу ЭКоГ. В этом исследовании изучался подход локализации подпространственного источника с высоким разрешением, FINE (векторы первого принципа), для визуализации местоположений и оценки протяженности источников тока с скальповой ЭЭГ. Метод пороговой установки был применен к полученной томографии значений корреляции подпространства с целью выявления эпилептогенных источников. Этот метод был протестирован на трех пациентах детского возраста с трудноизлечимой эпилепсией с обнадеживающими клиническими результатами. Каждый пациент был оценен с помощью структурной МРТ, длительного видеомониторинга ЭЭГ с скальповыми электродами, а затем с субдуральными электродами. Затем данные ЭКоГ регистрировались с имплантированных сеток субдуральных электродов, размещенных непосредственно на поверхности коры. Для каждого субъекта также были получены изображения МРТ и компьютерной томографии.
Эпилептогенные зоны, выявленные по данным предоперационной ЭЭГ, были подтверждены наблюдениями по данным послеоперационной ЭКоГ у всех трех пациентов. Эти предварительные результаты показывают, что можно направлять хирургическое планирование и определять эпилептогенные зоны неинвазивно, используя описанные методы визуализации и интеграции. Результаты ЭЭГ были дополнительно подтверждены результатами хирургического вмешательства у всех трех пациентов. После хирургической резекции у двух пациентов не было приступов, а у третьего наблюдалось значительное снижение приступов. Благодаря своему клиническому успеху FINE предлагает многообещающую альтернативу предоперационной ЭКоГ, предоставляя информацию как о местоположении, так и о степени эпилептогенных источников с помощью неинвазивной процедуры визуализации.