Электрокортикография ( ЭКоГ ), разновидность внутричерепной электроэнцефалографии ( иЭЭГ ), представляет собой тип электрофизиологического мониторинга, при котором используются электроды, помещаемые непосредственно на открытую поверхность мозга для регистрации электрической активности коры головного мозга . Напротив, обычные электроды электроэнцефалографии (ЭЭГ) контролируют эту активность снаружи черепа. ЭКоГ может проводиться как в операционной во время операции (интраоперационная ЭКоГ), так и вне операции (экстраоперационная ЭКоГ). Поскольку для имплантации электродной сетки требуется краниотомия (хирургический разрез черепа), ЭКоГ является инвазивной процедурой.
ECoG была впервые разработана в начале 1950-х годов Уайлдером Пенфилдом и Гербертом Джаспером , нейрохирургами из Монреальского неврологического института . [1] Они разработали ECoG в рамках своей новаторской Монреальской процедуры — хирургического протокола, используемого для лечения пациентов с тяжелой эпилепсией . Корковые потенциалы, зарегистрированные с помощью ЭКоГ, использовались для выявления эпилептогенных зон — участков коры, генерирующих эпилептические припадки . Эти зоны затем будут хирургически удалены из коры во время резекции, тем самым разрушая ткань мозга, в которой возникли эпилептические припадки. Пенфилд и Джаспер также использовали электростимуляцию во время записи ЭКоГ у пациентов, перенесших операцию по поводу эпилепсии под местной анестезией . [2] Эта процедура использовалась для изучения функциональной анатомии мозга, картирования речевых областей и определения соматосенсорных и соматомоторных областей коры, которые необходимо исключить из хирургического удаления. Доктор по имени Роберт Гэлбрейт Хит также был одним из первых исследователей мозга в Медицинской школе Университета Тулейна . [3] [4]
Сигналы ЭКоГ состоят из синхронизированных постсинаптических потенциалов ( потенциалов локального поля ), регистрируемых непосредственно с открытой поверхности коры. Потенциалы возникают в основном в кортикальных пирамидных клетках и поэтому должны пройти через несколько слоев коры головного мозга, спинномозговой жидкости (СМЖ), мягкой мозговой оболочки и паутинной оболочки , прежде чем достичь субдуральных записывающих электродов, расположенных чуть ниже твердой мозговой оболочки (наружной черепной мембраны). . Однако, чтобы достичь скальповых электродов обычной электроэнцефалограммы (ЭЭГ), электрические сигналы также должны проходить через череп , где потенциалы быстро затухают из-за низкой проводимости костей . По этой причине пространственное разрешение ЭКоГ намного выше, чем ЭЭГ, что является важным преимуществом визуализации для дооперационного планирования. [5] ECoG обеспечивает временное разрешение примерно 5 мс и пространственное разрешение всего 1–100 мкм. [6]
При использовании глубинных электродов потенциал локального поля дает меру нейронной популяции в сфере радиусом 0,5–3 мм вокруг кончика электрода. [7] При достаточно высокой частоте дискретизации (более примерно 10 кГц) глубинные электроды также могут измерять потенциалы действия . [8] При этом пространственное разрешение зависит от отдельных нейронов, а поле зрения отдельного электрода составляет примерно 0,05–0,35 мм. [7]
Запись ЭКоГ осуществляется с электродов, помещенных на обнаженную кору. Чтобы получить доступ к коре головного мозга, хирург должен сначала выполнить краниотомию, удалив часть черепа, чтобы обнажить поверхность мозга. Эта процедура может выполняться либо под общей анестезией , либо под местной анестезией, если для функционального картирования коры требуется взаимодействие с пациентом. Затем на поверхность коры головного мозга хирургическим путем имплантируют электроды, размещение которых определяется результатами предоперационной ЭЭГ и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Электроды могут располагаться либо за пределами твердой мозговой оболочки (эпидуральная анестезия), либо под твердой мозговой оболочкой (субдуральная анестезия). Матрицы электродов ECoG обычно состоят из шестнадцати стерильных одноразовых электродов из нержавеющей стали с углеродистым наконечником, платины, платино-иридиевого сплава или золотых шариковых электродов, каждый из которых установлен на шаровом шарнире для облегчения позиционирования. Эти электроды прикреплены к вышележащей рамке в конфигурации «корона» или «ореол». [9] Субдуральные ленточные и сетчатые электроды также широко используются в различных размерах, имея от 4 до 256 [10] электродных контактов. Сетки прозрачные, гибкие и пронумерованы на каждом контакте электродов. Стандартное расстояние между сеточными электродами составляет 1 см; отдельные электроды обычно имеют диаметр 5 мм. Электроды легко прилегают к поверхности коры головного мозга и имеют достаточную гибкость, чтобы гарантировать, что нормальные движения мозга не вызовут травм. Ключевым преимуществом ленточных и сетчатых электродов является то, что их можно вводить под твердую мозговую оболочку в кортикальные области, не обнажаемые при краниотомии. Ленточные электроды и массивы коронок можно использовать в любой желаемой комбинации. Глубинные электроды также можно использовать для регистрации активности 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 корковых структур. [9] При использовании коронной конфигурации ручной биполярный стимулятор с палочкой можно использовать в любом месте 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, подаваемые на кору, 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, а любая плотность заряда более 150 мкКл/см2 вызывает повреждение тканей. [11] [12]
Функции, наиболее часто отображаемые с помощью DCES, — это первичная двигательная, первичная сенсорная и речевая функции. Пациент должен быть внимательным и интерактивным во время процедур картирования, хотя участие пациента варьируется в зависимости от каждой процедуры картирования. Картирование языка может включать в себя называние, чтение вслух, повторение и устное понимание; Соматосенсорное картирование требует, чтобы пациент описал ощущения, возникающие на лице и конечностях, когда хирург стимулирует различные области коры. [9]
С момента своего развития в 1950-х годах ЭКоГ использовалась для локализации эпилептогенных зон во время предоперационного планирования, картирования корковых функций и для прогнозирования успеха эпилептической хирургической резекции. ЭКоГ предлагает несколько преимуществ перед альтернативными методами диагностики:
Ограничения ECoG включают в себя:
Эпилепсия в настоящее время считается третьим наиболее часто диагностируемым неврологическим расстройством, от которого страдают примерно 2,5 миллиона человек только в Соединенных Штатах. [13] Эпилептические припадки являются хроническими и не связаны с какими-либо причинами, поддающимися немедленному лечению, такими как токсины или инфекционные заболевания, и могут широко варьироваться в зависимости от этиологии, клинических симптомов и места возникновения в головном мозге. Для пациентов с трудноизлечимой эпилепсией – эпилепсией, которая не реагирует на противосудорожные препараты – хирургическое лечение может быть жизнеспособным вариантом лечения. Парциальная эпилепсия [14] является распространенной трудноизлечимой эпилепсией, и парциальный припадок трудно обнаружить. Лечение такой эпилепсии ограничивается установкой стимулятора блуждающего нерва. Хирургическое вмешательство при эпилепсии — это лечение парциальной эпилепсии при условии, что область мозга, вызывающая приступы, аккуратно и аккуратно удалена.
Прежде чем пациента можно будет идентифицировать как кандидата на резекционную операцию, необходимо провести МРТ, чтобы продемонстрировать наличие структурного поражения в коре головного мозга, подтвержденное данными ЭЭГ об эпилептогенной ткани. [2] После выявления поражения можно провести ЭКоГ, чтобы определить местоположение и степень поражения, а также окружающую область раздражения. ЭЭГ кожи головы, хотя и является ценным диагностическим инструментом, не обладает точностью, необходимой для локализации эпилептогенной области. ЭКоГ считается золотым стандартом для оценки активности нейронов у пациентов с эпилепсией и широко используется для предоперационного планирования для проведения хирургической резекции поражения и эпилептогенной зоны. [15] [16] Успех операции зависит от точной локализации и удаления эпилептогенной зоны. Данные ЭКоГ оцениваются с учетом иктальной спайковой активности – «диффузной быстрой волновой активности», регистрируемой во время приступа, – и интериктальной эпилептиформной активности (ИЭА), коротких всплесков активности нейронов, регистрируемых между эпилептическими событиями. ЭКоГ также проводится после резекционной операции, чтобы обнаружить оставшуюся эпилептиформную активность и определить успех операции. Остаточные пики ЭКоГ, не измененные резекцией, указывают на плохой контроль приступов и неполную нейтрализацию эпилептогенной кортикальной зоны. Для полного устранения судорожной активности может потребоваться дополнительная операция. Внеоперационная ЭКоГ также используется для локализации функционально важных областей (также известных как красноречивая кора), которые необходимо сохранить во время хирургического вмешательства по поводу эпилепсии.[17] Сообщается, что двигательные, сенсорные, когнитивные задачи во время экстраоперационной ЭКоГ увеличивают амплитуду высокочастотной активности 70–110 Гц в областях, участвующих в выполнении данных задач. [17] [18] [19] Высокочастотная активность, связанная с задачей, может анимировать, «когда» и «где» кора головного мозга активируется и тормозится в 4D-режиме с временным разрешением 10 миллисекунд или ниже и пространственным разрешением 10. мм или ниже. [18] [19]
Целью резекционной операции является удаление эпилептогенной ткани без возникновения неприемлемых неврологических последствий. Помимо идентификации и локализации эпилептогенных зон, ЭКоГ, используемая в сочетании с DCES, также является ценным инструментом для функционального картирования коры . Крайне важно точно локализовать критические структуры головного мозга, определив, какие области хирург должен сохранить во время резекции (« красноречивая кора »), чтобы сохранить сенсорную обработку, координацию движений и речь. Функциональное картирование требует, чтобы пациент имел возможность взаимодействовать с хирургом, и поэтому выполняется под местной, а не общей анестезией. Электрическая стимуляция с использованием корковых и острых глубинных электродов используется для исследования отдельных областей коры головного мозга с целью выявления центров речи, соматосенсорной интеграции и соматомоторной обработки. Во время резекционной операции также может быть проведена интраоперационная ЭКоГ для мониторинга эпилептической активности тканей и обеспечения резекции всей эпилептогенной зоны.
Хотя использование экстраоперационной и интраоперационной ЭКоГ в резекционной хирургии является общепринятой клинической практикой на протяжении нескольких десятилетий, недавние исследования показали, что полезность этого метода может варьироваться в зависимости от типа эпилепсии, которую проявляет пациент. Курувилла и Флинк сообщили, что, хотя интраоперационная ЭКоГ играет решающую роль при индивидуальной височной лобэктомии, множественных субпиальных трансекциях (MST) и удалении пороков развития коры (MCD), она оказалась непрактичной при стандартной резекции медиальной височной доли . эпилепсия (ВЛЭ) с МРТ-признаками мезиального височного склероза (МТС). [2] Исследование, проведенное Веннбергом, Квесни и Расмуссеном, продемонстрировало дооперационное значение ЭКоГ в случаях лобной эпилепсии (FLE). [20]
ECoG недавно стал многообещающим методом 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 записываться либо инвазивно, с помощью записывающих устройств, имплантированных непосредственно в кору головного мозга, либо неинвазивно, с использованием скальповых электродов ЭЭГ. ЭКоГ служит частично инвазивным компромиссом между двумя модальностями: хотя ЭКоГ не проникает через гематоэнцефалический барьер , как инвазивные записывающие устройства, он имеет более высокое пространственное разрешение и более высокое соотношение сигнал/шум, чем ЭЭГ. [21] ECoG недавно привлек внимание к декодированию воображаемой речи или музыки, что может привести к «буквальным» BCI [22] , в котором пользователи просто воображают слова, предложения или музыку, которые BCI может напрямую интерпретировать. [23] [24]
Помимо клинических применений для локализации функциональных областей для поддержки нейрохирургии, функциональное картирование мозга в реальном времени с помощью ECoG привлекло внимание для поддержки исследований по фундаментальным вопросам нейробиологии. Например, в исследовании 2017 года были изучены области обработки лица и цвета и обнаружено, 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] Как и работа 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 публикаций по функциональному картированию в реальном времени, — «CortiQ».использовался как в исследовательских, так и в клинических целях.
Электрокортикограмма до сих пор считается « золотым стандартом » определения эпилептогенных зон; однако эта процедура является рискованной и высокоинвазивной. Недавние исследования изучали разработку неинвазивного метода визуализации коры головного мозга для предоперационного планирования, который может предоставить информацию и разрешение, аналогичные инвазивной ЭКоГ.
В одном новом подходе Lei Ding et al. [28] стремятся объединить информацию, предоставляемую структурной МРТ и ЭЭГ кожи головы, чтобы создать неинвазивную альтернативу ЭКоГ. В этом исследовании изучался подход к локализации подпространственных источников высокого разрешения, FINE (первопринципные векторы), позволяющий отображать местоположения и оценивать протяженность источников тока по ЭЭГ кожи головы. К полученной томографии значений подпространственной корреляции был применен метод пороговой обработки с целью идентификации эпилептогенных источников. Этот метод был протестирован на трех педиатрических пациентах с трудноизлечимой эпилепсией и дал обнадеживающие клинические результаты. Каждого пациента оценивали с помощью структурной МРТ, длительного видео-ЭЭГ-мониторинга с помощью скальповых электродов, а затем и субдуральных электродов. Затем данные ЭКоГ записывались с имплантированных субдуральных электродных сеток, помещенных непосредственно на поверхность коры. Для каждого субъекта также были получены изображения МРТ и компьютерной томографии.
Эпилептогенные зоны, выявленные по предоперационным данным ЭЭГ, были подтверждены наблюдениями по послеоперационным данным ЭКоГ у всех трех пациентов. Эти предварительные результаты позволяют предположить, что с помощью описанных методов визуализации и интеграции можно управлять хирургическим планированием и определять эпилептогенные зоны неинвазивно. Результаты ЭЭГ были дополнительно подтверждены хирургическими результатами всех трех пациентов. После хирургической резекции у двух пациентов приступы прекратились, а у третьего наблюдалось значительное уменьшение 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.