Network Analysis di forame ovale elettrodi Recordings in farmaco-resistenti epilessia del lobo temporale pazienti

Abstract

Circa il 30% dei pazienti con epilessia sono refrattari ai farmaci antiepilettici. In questi casi, la chirurgia è l'unica alternativa per eliminare convulsioni / controllo. Tuttavia, una minoranza significativa di pazienti continua a presentare convulsioni post-operatorie, anche in quei casi in cui la fonte sospetta di convulsioni sia stata correttamente localizzati e resecati. Il protocollo presentato qui combina una procedura clinica di routine utilizzata durante la valutazione pre-operatoria di epilessia del lobo temporale pazienti (TLE) con una tecnica innovativa per l'analisi della rete. Il metodo permette di valutare l'evoluzione temporale dei parametri di rete mesiali. L'inserimento bilaterale di elettrodi forame ovale (FOE) nella cisterna ambiente registra contemporaneamente attività elettrocorticale in diverse aree mesiali del lobo temporale. Inoltre, la metodologia di rete applicata alla serie tempo registrato segue l'evoluzione temporale delle reti mesiali sia interictally e durante laconvulsioni. In questo modo, il protocollo presentato offre un modo unico per visualizzare e quantificare misure che considera le relazioni tra diverse aree mesiali invece di una singola area.

Introduction

L'epilessia è una malattia invalidante che colpisce 1-2% della popolazione mondiale. Nella maggior parte dei casi, convulsioni - le caratteristiche di epilessia - possono essere completamente controllati o abolite con farmaci antiepilettici. Tuttavia, circa il 30% dei brevetti epilessia sono refrattari alle terapie farmacologiche. Nel tipo più comune di epilessia, l'epilessia lobo temporale (TLE) ^1, fortunatamente chirurgia è una valida alternativa per migliorare la condizione del paziente. I risultati di meta-analisi mostrano che quasi due terzi dei pazienti TLE farmaco-resistenti sono nei primi due o tre anni dopo l'intervento chirurgico resettiva ^2,3 libero da crisi, anche se questa percentuale varia a seconda di diversi fattori, in particolare, il tipo di dell'ippocampo La sclerosi ^2. Un punto critico per un esito positivo è la localizzazione precisa del cosiddetto focus epilettico, la zona corticale responsabile della generazione di convulsioni, che si trova di solito nella mesial area del lobo temporale. Tuttavia, anche in quei casi in cui il focus epilettico è stato correttamente identificati e asportati durante l'intervento chirurgico, una minoranza significativa di pazienti o rimane con crisi post-operatorio o deve essere posto sotto stretto trattamento antiepilettico per controllare le convulsioni. Pertanto, una nuova prospettiva è emersa in cui l'attenzione non si concentra esclusivamente su aree isolate, le interazioni invece corticali costituiscono ora la questione fondamentale. Questo approccio "rete" si fonda il concetto connettoma ^4, che si concentra l'attenzione nelle connessioni neurali tra i diversi settori, piuttosto che mettendo in evidenza il ruolo delle strutture compartimenti. Questo nuovo paradigma è stato trovato in teoria dei grafi, un quadro matematico dedicato allo studio delle proprietà topologiche e statistiche di grafici, lo strumento appropriato per esprimere le sue conclusioni fondamentali. In questa prospettiva, il cervello è considerato come un insieme di nodi interconnessi da collegamenti

Tra le molte tecniche neurofisiologiche invasive abitualmente impiegati nella maggior parte dei centri per l'epilessia in tutto il mondo, i forame ovale elettrodo (FOE) è particolarmente notevole. FOE è una tecnica semi-invasiva perché non vi è alcuna necessità di eseguire una craniotomia, che riduce chirurgia complicazioni legate ^10. Inoltre, la posizione del FOE nella cisterna ambiente ¹¹ li rende particolarmente utili per registrare attività mesiale da diverse strutture corticali coinvolte nella generazione e propagazione sequestro, come la corteccia entorinale. Pertanto l'uso dalil suo aspetto è molto diffuso nella valutazione preoperatoria dei pazienti TLE farmaco-resistenti. Tradizionalmente, questa tecnica è utilizzata per individuare l'attività irritativa in forma di picchi epilettogene interictali e taglienti onde, e, soprattutto, per identificare con precisione l'area di mesiale insorgenza sequestro.

La nuova definizione proposta da parte della Commissione sulla classificazione e terminologia della Lega Internazionale contro l'Epilessia (ILAE) suggerisce che i sequestri hanno origine ad un certo punto all'interno di particolari reti ^12. Inoltre, numerosi studi hanno dimostrato che gli attacchi sono causati da attività di rete anomala piuttosto che da un'area patologica isolato ^13-16. Chiaramente, questa nuova prospettiva richiede rianalisi delle informazioni precedentemente acquisite utilizzando nuovi metodi numerici, come ad esempio la metodologia complessa rete. Anche se l'uso pratico di queste analisi è ancora incipiente pratica clinica, numerosi studi di ricerca hanno dimostrato la lorovalore di ^13-17.

Il protocollo descritto di seguito è la combinazione di una pratica clinica di routine effettuati su pazienti epilessia TLE farmaco-resistenti con una nuova tecnica di analisi di rete. Il metodo permette di valutare l'evoluzione temporale dei parametri di rete mesiali. L'inserimento bilaterale del FOE nella cisterna ambiente registra contemporaneamente l'attività elettrocorticale in diverse aree mesiali dei lobi temporali. Un approccio di rete applicata alla serie tempo di registrazione segue l'evoluzione temporale delle reti mesiali sia interictally e durante le convulsioni. In questo modo, il protocollo presentato offre un modo unico per visualizzare e quantificare le misure che considera le relazioni tra le diverse aree mesiale.

Protocol

Nel protocollo descritto qui di seguito, i passaggi 1, 2 e 3 appartengono ai protocolli sia la ricerca e clinica, che sono entrambi rigorosamente seguite da ogni candidato TLE mesiale per un intervento chirurgico di resezione selezionato in base a criteri clinici. Passaggi 4 e 5 appartengono esclusivamente al protocollo di ricerca. Entrambe le procedure sono in accordo con le linee guida del Comitato Etico del Hospital de la Princesa.

1. Procedure pre-impianto

1. Spiegare le procedure sperimentali per il partecipante, specificando quali punti corrispondono alla ricerca e quali sono applicabili alla pratica clinica, sottolineando che la procedura di ricerca è in alcun modo modificare la procedura clinica. Prestare particolare attenzione a spiegare i potenziali rischi del impianto chirurgico di elettrodi. Ottenere un modulo di consenso informato firmato il partecipante.
2. Per tutti i candidati per la chirurgia di resezione, eseguire neurologica prechirurgica e exa neuropsicologicaminazioni ^18.
   1. Valutare il paziente da interictale tomografia computerizzata a emissione di singolo fotone (SPECT) con ⁹⁹ Tc-HMPAO, la risonanza magnetica (MRI) 1.5 T e il video-elettroencefalografia (v-EEG) con 25 elettrodi sul cuoio capelluto secondo il 10 - sistema internazionale 20 e Maudsley di protocollo ^18.
   2. Durante la permanenza prechirurgica registrazione v-EEG, progressivamente cono i farmaci antiepilettici dal secondo giorno al quarto giorno (circa un terzo della dose al giorno).

2. Procedure impianto (Chirurgia)

1. Somministrare farmaci antiepilettici pre-operatorio, e di eseguire un intervento chirurgico in anestesia generale (3 mg / kg in bolo di propofol, seguito da 0,2-0,3 mg / kg di fentanyl e 0,5 mg / kg di rocuronio).
2. Inserire due nemici sei a contatto con 1 cm da centro a centro distanza bilateralmente nelle cisterne ambiente mediante la tecnica di Kirschner ^19.
   1. Posizionare il paziente on tavolo operatorio in posizione supina, con il collo leggermente esteso a 15 gradi. Preparare la guancia del paziente con una soluzione di iodio, a partire al sito di incisione e girando verso l'esterno, e drappeggio l'area immediatamente circostante il sito di incisione.
   2. Perforare la pelle con un ago spinale 20-gauge secondo punti di riferimento di Hartel ^20: un punto di ingresso di circa 3 cm lateralmente al lato omolaterale della commissura orale verso un punto immediatamente inferiore alla pupilla ipsilaterale nel piano antero-posteriore e un punto a circa 2,5 centimetri anteriore al meato uditivo esterno nel piano laterale.
   3. Avanzare l'ago verso la regione del forame ovale sotto guida fluoroscopica. Utilizzare le viste laterali forniti dalle immagini fluoroscopiche per determinare la posizione della punta dell'ago. Quando l'ago passa forame ovale, rimuovere il mandrino, sostituirlo con un elettrodo, e avanzare nella cisterna ambiente (Figura 1A
3. Valutare corretto impianto per l'imaging fluoroscopico in sala operatoria ^21; questo è importante escludere la penetrazione nel forami della base del cranio, come la fessura inferiore orbitale (situato anteriormente al forame ovale) e il forame giugulare (situato posteriormente ad esso). Tale incannulamento fuori luogo potrebbe portare a gravi lesioni neurovascolari ^22.
4. Una volta che gli elettrodi siano correttamente posizionati nelle cisterne ambientali, fissarli per la pelle con drappi. Svegliati il ​​paziente, e lui o lei portare alla sala di rianimazione.

3. Acquisizione di FOE Recordings

1. Riportare il paziente in sala v-EEG per un soggiorno di circa 5,2 ± 2,4 giorni (media ± SD).
2. Mettere 19 elettrodi secondo il sistema internazionale 10-20.
   1. Misurare la distanza tra il nasion (ponte del naso) e il inion (protuberanza occipitale) utilizzando un nastro di misurazione, unMark D con un pennarello il punto medio (posizione degli elettrodi Cz). Misurare e segnare il punto del 10% della distanza di sopra del nasion (posizione degli elettrodi Fpz).
      1. Ripetere la stessa procedura per il inion (posizione dell'elettrodo Oz), che segna la distanza del 20% dal Cz in entrambe le direzioni e nasion inion (posizioni degli elettrodi Fz e PZ, rispettivamente).
   2. Misurare le distanze tra due punti preauricolari, e segnare la distanza del 10% al di sopra dei punti preauricolari destro e sinistro (T3 e T4 elettrodi, rispettivamente). Quindi, segnare il distanze 20% superiore sia T3 e T4 nella direzione Cz per ottenere le posizioni di C3 e C4.
   3. Creare una circonferenza utilizzando il nastro di misurazione per collegare il Fpz e Oz al 5% delle distanze di cui sopra entrambi gli elettrodi a FP1 (a sinistra) e FP2 (a destra) nella parte anteriore e in O1 (a sinistra) e O2 (a destra) nella parte posteriore.
   4. Nella stessa circonferenza, aggiungere 10% della distanza verso l'alto nella direzione inion a OBTain la posizione di F7, aggiungere il 10% per raggiungere T3 (si trova al di sopra della linea tra i punti preauricolari), e aggiungere un altro 10% per ottenere T5 (O1 elettrodo). Mark ogni posizione degli elettrodi e ripetere la stessa procedura per la (anche) elettrodi destra.
   5. Misurare e segnare l'intersezione (F3 posizione degli elettrodi) a metà strada tra F7 e Fz e il 20% della distanza verso l'alto dalla Fp1 nella direzione F3. Ripetere questo processo in ogni quadrante della testa per ottenere F4 (posizione anteriore destro), P3 (posizione posteriore sinistro) e P4 (posizione di back-sinistra).
   6. Pulire e asciugare la pelle. Posizionare una quantità moderata di collodio al gel conduttivo in ogni tazza elettrodo, e posizionare gli elettrodi nelle zone prepped. Asciugare il collodio con un asciugacapelli.
3. Collegare tutti gli elettrodi (cuoio capelluto e nemici) con dei fili alla scatola degli elettrodi, che è già collegato ad un electroencephalographer. Assicurarsi che i segnali degli elettrodi sono buone, e verificare che gli elettrodi del cuoio capelluto Impedanze sono sotto 10 k utilizzando il electroencephalographer.
4. Acquisire digitale cuoio elettroencefalogramma (EEG) di dati e dati FOE a 1.024 Hz utilizzando un video sincronizzato electroencephalographer (v-EEG), e filtrare i dati utilizzando un filtro passa banda tra 0,5 - 100 Hz ed un filtro Notch (50 Hz) con il electroencephalographer.
5. rimuovere progressivamente i farmaci antiepilettici dal secondo al quarto giorno (circa un terzo della dose al giorno) per aumentare la probabilità di convulsioni. Questa fase dipende dalla particolare prescrizione farmaco di ogni paziente.
6. Utilizzare sia parossistica interictale e attività ictali a circa individuare le aree ictogenic individuando gli elettrodi / canali in cui gli elementi epilettogene appaiono ^23, tra cui il complesso a onde lente, polyspikes, corse di punte rapide, onde taglienti, complesso sharp-e-onde lente , lenti onde taglienti, punte e le onde Spike e lente. Registrare i tempi di insorgenza sequestro e fine, nonché uny altri segni clinici o da altri eventi rilevanti per lo studio. Esiste una corrispondenza uno-a-uno tra la posizione elettrodi nella testa del paziente e il modello testa nel software EEG che consente l'identificazione anatomicamente dove compare l'attività epilettogena.
7. Quando lo studio, rimuovere nemici presso l'unità v-EEG estraendole delicatamente mentre bocca del paziente rimane mezzo aperto. Non eseguire sistematicamente l'imaging dopo la rimozione FOE, tranne quando compaiono sintomi neurologici. In tali casi, eseguire una scansione urgente tomografia computerizzata (CT).

4. FOE segnale pre-elaborazione

1. Esportare i dati memorizzati sul electroencephalographer a 200 Hz in formato ASCII in epoche adatti per l'analisi numerica di circa 30 minuti di attività di sequestro (già individuato da un neurofisiologo esperto) (Figura 1C). Evitare di epoche contenenti manufatti, come l'attività elettrica satura, l'attività muscolare, ed espostamenti lectrode.
2. Aprire i file esportati utilizzando un qualsiasi editor di flusso presente in UNIX, e rimuovere tutti i caratteri non numerici dai file di dati esportati, lasciando solo data e ora e le tensioni di canale. Salvare i file modificati per ulteriori analisi numerica.
   NOTA: Da ora in poi, eseguire tutti i calcoli utilizzando i pacchetti R dal repository R o codici fatti in casa (Tabella 1).
3. Utilizzando il software R, installare i pacchetti R richiesti e caricare i file di dati modificati nell'ambiente R. Order tutti i canali, assegnando a ciascuno di una particolare colonna della matrice che contiene tutti i dati, eliminando canali vuoti e li riferimento ad un riferimento media mezzeria (Fz + Cz + Pz) / 3.
   1. Utilizzare l'algoritmo Fast Fourier Transform (funzione R: FFT) e tracciare la variabile risultante per verificare la rimozione efficace della frequenza di rete (circa 50 Hz). Utilizzare il dominio della frequenza per filtrare altri fr spuriaequencies che potrebbero contaminare i segnali.
4. Convertire i dati caricati in un oggetto di serie temporali multivariate (MTS) di 28 colonne - 16 cuoio capelluto e 12 nemici - utilizzando i ts funzione R. Dividere il mt oggetto nelle finestre temporali non sovrapposti di 5 secondi ciascuno (1.000 punti di dati a 200 Hz) per ridurre le dimensioni del file e ottimizzare i tempi di calcolo.

5. I calcoli post-processing (Complex Network Analysis)

NOTA: Calcolare le misure descritte di seguito in ciascuna finestra temporale, da 5 min prima dell'inizio sequestro (60 finestre) e termina a 5 minuti dopo il sequestro insorgenza (60 finestre), con lo scopo di visualizzare l'evoluzione temporale.

1. Calcola misure univariata, spettrale di potenza, eccitabilità e l'entropia spettrale per ogni singola colonna / canale senza considerare le correlazioni tra diverse serie storiche.
   1. Calcolare eccitabilità (S) per ogni vserie tempo di attività ensione utilizzando un codice fatto in casa secondo l'equazione proposta da Schindler ²⁴ (vedi file supplementare). S> 2,5 è considerato epilettogena, una soglia determinata empiricamente ^17,25,26.
   2. Per ogni serie temporale di attività, calcolare la densità spettrale di potenza utilizzando un codice casalingo per il Delta (> 0.5 Hz e <4 Hz), Theta (4 - 7 Hz), Alpha (7 - 14 Hz), Beta (14 - 30 Hz ) e Gamma (> 30).
   3. Calcolare Shannon entropia con un codice casalingo utilizzando la densità spettrale di potenza di ogni serie temporale invece di serie temporali probabilità corrispondente. La media dei singoli valori entropia spettrale (SE) ottenuti per ogni canale su un insieme di elettrodi. Shannon entropia è spiegato nel file supplementare.
      NOTA: Una diminuzione SE dovrebbe essere interpretata come una diminuzione del numero di frequenze dello spettro perché SE è l'entropia dello spettro.
2. misure di rete
   NONE: La presente sezione valuta le interazioni tra diverse serie storiche di elettrodi.
   1. Calcolare la connettività funzionale fra ciascuna coppia di serie temporale di tensione in ciascuna finestra temporale, utilizzando il valore assoluto del coefficiente di cross-correlazione lineare calcolato a zero lag (funzione R: CCF).
      NOTA: Per eliminare i valori non rappresentativi di sincronizzazione, stabilire una soglia sulla base di studi precedenti ^17,25,26. Utilizzare una soglia di 0,5 in questo caso particolare.
   2. Installare il pacchetto R IGRAPH ^27. Creare un oggetto IGRAPH dalla matrice di adiacenza (funzione R: graph.adjacency). Utilizzare la matrice di correlazione ottenuto nello stadio precedente, precisando che il grafico viene ponderato e non orientato.
   3. In ogni finestra temporale calcolare la lunghezza del percorso medio (APL) (funzione R average.path.length) per l'intera rete (cuoio + FOE), e per ciascuna delle quattro sottoreti: cuoio sinistra, cuoio destra, sinistra e FOE FOE destra. in materia di exactly allo stesso modo, calcolare la densità di collegamenti (DOL) (funzione R: graph.density), modularità (Mod) (funzione R: modularità) e il coefficiente medio di clustering (ACC) (funzione R: transitività).
   4. Ripetere i passaggi precedenti 5.2.1 tramite 5.2.3 utilizzando la sincronizzazione di fase (codice R fatta in casa) come una stima della connettività funzionale anziché la funzione cross-correlazione.
3. Per rappresentare gli effetti dimensionali nelle modifiche variabili, calcolare la differenza standardizzata media (SMD) (funzione R dalla confezione MBESS: smd), tra la preictal e le fasi ictali nonché tra la preictal e fasi postictale.
   1. Prendendo il preictal come la linea di base, selezionare trenta secondi (6 valori) a cinque minuti prima del contrassegno sequestro insorgenza, come valore preictal. Un simile finestra temporale di 30 s può essere scelto durante il sequestro per quantificare il cambiamento, rispetto alla fase preictal, utilizzando il SMD.

Representative Results

La posizione finale del FOE è nella cisterna ambiente, come si vede nella assiale e sagittale MRI (Figura 1A pannelli superiori). I contatti della attività elettrica record di FOE da diverse strutture mesiale del lobo temporale (Figura 1A pannello inferiore). Dopo l'intervento chirurgico (Figura 1B pannello di sinistra), il paziente viene inviato alla sala video-EEG, dove elettrodi rasatura sono piazzati secondo con il 10 - sistema 20 (Figura 1B destra). Durante il soggiorno presso la sala di video-EEG, il paziente è costantemente monitorato, il risparmio per ulteriori registrazioni analisi del cuoio capelluto e nemici, nonché video e costanti vitali. Un tipico del cuoio capelluto e nemico segnali prime (Figura 1C) mostrano l'aspetto di un sequestro al FOE sinistra e la sua diffusione al cuoio capelluto e contatti FOE giusti.

Rappresentazione dell'attività epilettogena tramiteeccitabilità (S) (figura 2) corrispondente alle registrazioni EEG prime dalla Figura 1C, durante la transizione dalla preictal al ictal e periodi postictale. esordio sequestro è contrassegnato con una linea continua verticale e tempo (asse x) si riferiscono a questo punto. Un valore di S (dell'eccitabilità)> 2,5 rappresentava l'attività irritative o epilettogena ^17,25,26. eccitabilità superiore (colori rossastri) è apparso in primo luogo con la maggiore intensità dei contatti FOE sinistra (LFOE). Questo risultato è concorde con un sinistro mesiale epilessia del lobo temporale come informato da un neurofisiologo esperto.

Dinamica temporale delle diverse misure di rete e l'entropia spettrale (Figura 3) durante il passaggio dal preictal alle fasi ictali e postictale, corrispondente allo stesso sequestro mostrata in figura 1C e 2. Il sequestro esordio è contrassegnato da un solido vertiline e tempo (asse x) cal sono riferiti a questo punto. In questo caso, la rete è stata costruita su tutta la serie di elettrodi, compreso sia cuoio e FOE. valori DOL ACC erano più elevati durante convulsioni, con una diminuzione della APL e Mod, provocando un aumento della connettività complessiva. Durante questo periodo anche, bassi livelli di SE stati osservati e sostenuti dopo l'eccitabilità (linee verticali tratteggiate) scompare.

L'analisi delle misure di rete ACC, Dols e APL e SE per ogni nemico (destra e sinistra) (Figura 4) durante il passaggio dal preictal al ictale e le fasi di post-critico. esordio sequestro è contrassegnato con una linea continua verticale e tempo (asse x) si riferiscono a questo punto. L'evoluzione di questi misure corrispondono alla stessa presa delle figure 1, 2 e 3. Il omolaterale (a sinistra) ACC mesiale, Dols e APL presentato precedenti e variazioni superiori alla contralavalori terale, che potrebbe essere spiegato con la posizione della zona di sequestro insorgenza nel lobo temporale sinistro. In questo caso, Mod non può essere determinato perché nessun suddivisioni erano disponibili.

Un video rappresentante della connettività funzionale (Figura 5) durante la stessa presa di figura 1, 2, 3 e 4 presenta una variazione critico appena dopo l'inizio presa (tempo 0). A quel punto la connettività tra tutti gli elettrodi aumentare notevolmente, come si può vedere da un aumento del numero di collegamenti e lo spessore (intensità) che i bordi. Questo aumento inizia tra il FOE sinistra al momento 0,1 e 0,2, e si estende a lato controlaterale prima di raggiungere l'intera rete.

FFT	4.3	(Pacchetto di statistiche) Calcola Fast Fourier Transform di un segnale.
ts	4.4	(Pacchetto di statistiche) Crea un oggetto serie temporale multivariata (MTS). Deve essere prevista la frequenza di campionamento.
Eccitabilità	5.1.1	la funzione (fatta in casa) sulla base della funzione diff R. Calcola il valore assoluto della pendenza del segnale e quindi normalizzare il breve periodo di riferimento deviazione standard. dovrebbe essere fornita Soglia.
Densità spettrale di potenza e spettrale Entropy	5.1.2	La funzione (fatta in casa) sulla base di funzioni di spettro e l'entropia R. Calcola lo spettro di potenza normalizzata e l'entropia di Shannon dello spettro di potenza normalizzata
CCF	5.2.1	(Pacchetto base) calcola la cross-correlazione lineare di oggetti metri utilizzando correlazione di Pearson in ritardo pari a zero, generando una matrice di correlazione. Valori assoluti dovrebbero essere calculated.
graph.adjacency	5.2.2	(Pacchetto IGRAPH) Crea un grafico IGRAPH, l'oggetto di base utilizzato dalle seguenti funzioni IGRAPH
average.path.length	5.2.3	(Pacchetto igraph) determina la lunghezza di percorso media del grafico, calcolando il numero medio di passaggi lungo i percorsi più brevi attraverso tutti i nodi della rete.
graph.density	5.2.3	(Pacchetto igraph) Calcola la densità di collegamenti del grafico calcolando il rapporto tra il numero effettivo di collegamenti e tutti i possibili collegamenti della rete.
modularità	5.2.3	(Pacchetto igraph) Determina la modularità del grafico, calcolando quali gruppi di nodi sono più collegati fra loro che con altri nodi della rete
transitività	5.2.3	(Pacchetto igraph) Determina il coefficiente medio di clustering del grafico, calcolando la percentuale di nodi adiacenti che sono anche vicini tra loro
Fase sincronizzazione	5.2.4	funzione (fatta in casa) basato in funzione R FFT che calcola la coerenza di fase medio di avere valori tra zero e uno
SMD	5.3	(MBESS pacchetto) determina lo standard differenza media-size effetti: calcolando la differenza media tra i gruppi relativi alla differenza pool

Tabella 1: R funzioni utilizzate per Data Processing.

Figura 1: forame ovale elettrodi. (A) posizione finaleFOE nella cisterna ambiente. pannelli superiori mostrano una assiale (a sinistra) e sagittali (a destra) le immagini di risonanza magnetica che mostrano la posizione dei contatti FOE (frecce bianche). Un campione umani (cadavere) con un nemico inserita (pannello inferiore, contatti contrassegnati con frecce bianche). (B) FOE e elettrodi sul cuoio capelluto di installazione. I pazienti testa appena dopo l'intervento chirurgico di inserimento FOE (pannello di sinistra) e durante il soggiorno di video-EEG (pannello di destra). (C) le registrazioni FOE e del cuoio capelluto. Crisi parziali complesse da una sinistra TLE paziente (5 minuti dopo e prima il sequestro insorgenza). RFOE1-RFOE6 sta per FOE destra # 1 a 6 # e LFOE1-LFOE6 sta per FOE sinistra # 1 a 6 #. esordio sequestro è contrassegnato da una linea rossa verticale e una testa di freccia bianca. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Rappresentazione di un sequestro parziali complesse da un paziente Sinistra TLE quantificati dalla Eccitabilità. La scala di colore quantifica il livello di eccitabilità (S) per ogni elettrodo. L'ovale elettrodo giusto forame (RFOE) e forame ovale sinistra elettrodo (LFOE) rappresentano i contatti della destra e di sinistra forame ovale elettrodi (asse y), rispettivamente. L'asse x segna il tempo (in minuti) rispetto a sequestro insorgenza (linea verticale di spessore), come determinato da un neurofisiologo esperto. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Misure dallo stesso paziente e Same sequestro dalla Figura 2. Il coefficiente medio di clustering (ACC), lunghezza media percorso APL Tutta la rete (cuoio + FOE) (), La densità di collegamenti (Dols), modularità (MOD) e l'entropia spettrale (SE) per l'intera rete (cuoio + FOE) sono rappresentati. Le linee tratteggiate verticali rappresentano l'eccitabilità (S). L'asse x segna il tempo relativo a sequestro insorgenza (spessa linea continua verticale). Una media mobile su dieci finestre consecutivi è rappresentato da una linea nera spessa. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Misure mesiale stesso paziente dalla figura 2 e 3. coefficiente di clustering media (ACC), lunghezza del percorso medio (APL), la densità di link (DOLS) ed entropia spettrale (SE) sia per la sinistra e la destra forame elettrodi ovale (nemici). Le linee tratteggiate verticali segnano l'eccitabilità. L'asse x indica il tempo relativo sinsorgenza eizure (spessa linea continua verticale). Una media mobile su dieci finestre consecutivi è rappresentato da una linea nera spessa. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5: dinamica della connettività del modello nel corso di una crisi parziale complessa. Links intensità è rappresentato dallo spessore dei bordi. Tempi (numeri inferiori) sono relativi alla insorgenza sequestro (tempo 0). Ogni frame è lungo 5 sec. Sinistra e destra elettrodi ovale forame (L1-L6 e R1-R6) sono rappresentati da coralli e cerchi blu, rispettivamente. Sinistro e destro elettrodi sul cuoio capelluto sono rappresentati da cerchi arancio e ciano, rispettivamente. Clicca qui per download questo film.

Discussion

Tradizionalmente, l'epilessia è stato studiato con un approccio orientato alla zona, che ha isolato l'importanza delle aree particolari, in sostanza, la zona di insorgenza delle crisi, come la causa unica di crisi epilettiche. Molto recentemente, un vero e proprio approccio di rete che sottolinea l'importanza delle interazioni tra le aree corticali è stato favorito sopra la zona-oriented prospettiva classica ^13-17,28. Tuttavia, il corpo corrente di prove per l'epilessia come una malattia rete è ancora molto frammentato, e sono necessarie ulteriori ricerche. Il presente lavoro si propone di analizzare nuovamente i dati forniti con i metodi tradizionali come il FOE, sotto il complesso approccio di rete. Il protocollo presentato qui descrive un passo per passo metodologico per eseguire una rete complessa e l'analisi spettrale di registrazioni semi-invasive nei pazienti TLE.

L'applicazione della tecnica sopra descritta ha dimostrato l'utilità dell'approccio rete rispetto alla più tradizionale localized o prospettive di zona-oriented. In questi lavori ^17,29 è stato dimostrato che, utilizzando la stessa procedura come quella qui descritta, uno squilibrio nella connettività mesiale in pazienti TLE refrattari è evidente. Connettività mesiale è ridotta nel lato ipsilaterale sia durante le interictali ²⁹ e ictali ^17,29 fasi. Questo risultato non era prevedibile, cercando esclusivamente presso le aree in cui si pone l'attività epilettogena. Questo risultato in qualche modo sorprendente, è stato descritto anche utilizzando le teorie di rete sui segnali fMRI ^30,31. Inoltre, l'applicazione della tecnica combinata della teoria delle reti FOE + ha dimostrato l'equivalenza di attività mesiale durante convulsioni e sotto l'effetto di un promotore di attività epilettogena, in quanto è la somministrazione farmacologica di etomidate ^32.

La tecnica qui descritta è in grado di rilevare mesiale squilibrio rete in brevi registrazioni interictali durata al massimo uno or due ore ^29. In questo modo, una drastica riduzione dei tempi di analisi e degenza paziente potrebbe essere raggiunto. Inoltre, dal punto di vista terapeutico, lo squilibrio esistente nei pazienti TLE potrebbe essere "risolto" utilizzando cronicamente impiantati (da neurochirurghi) dispositivi, tanto quanto il modo in cui si è fatto in stimolazione cerebrale profonda.

Per ottenere risultati ottimali utilizzando le informazioni fornite in questo protocollo, alcune questioni devono essere considerati in anticipo. In primo luogo, l'impianto degli elettrodi deve essere eseguita da un neurochirurgo esperto, perché la loro collocazione non corretta potrebbe produrre gravi conseguenze neurologiche e registrazioni fuorvianti. Inoltre, la scelta di epoche appropriate per ulteriori analisi si basa interamente sulla interpretazione data dal neurofisiologo del EEG prima; Pertanto, l'esperienza in analisi EEG clinica è obbligatoria. Il formato dei dati dei file esportati dalla elettroencefalografo dipende dalle partimarchio colare; Di conseguenza, sono necessarie buone capacità di programmazione per adattare gli script per diversi formati di dati. Infine, per garantire l'affidabilità dei dati, controlli di qualità dovrebbero essere applicati i risultati. Sovrastima e falsi positivi sono probabili comparire quando si lavora con un elevato numero di correlazioni. In tali casi, metodi statistici per migliorare la sensibilità deve essere utilizzato. A questo proposito, è importante stabilire una soglia nelle correlazioni scartare valori che non sono rappresentativi di una vera sincronizzazione sottostante. Così, in questo protocollo, un bordo tra i nodi i e j sarà considerato solo ad esistere se il valore assoluto della correlazione tra questi nodi è maggiore di 0,5, un criterio precedentemente impiegato ^17,26. Altre soglie nella gamma di 0,2-0,8 dovrebbero essere impiegati per verificare i risultati simili e per garantire una transizione graduale da una soglia al seguente soglia. Oltre a soglie, altri Methodologies possono essere utilizzati per ottenere risultati affidabili, come la correzione di Bonferroni o il test dei dati surrogata. Inoltre, quando si lavora con dati EEG, è importante tenere presente che le reti del cervello sono sistemi complessi con dinamiche non lineari; Pertanto, oltre alla correlazione lineare, devono essere utilizzate altre misure di sincronizzazione non lineari per garantire la qualità dei risultati, come informazione reciproca o la sincronizzazione di fase ^33.

Calcolo connettività direttamente dagli elettrodi del cuoio capelluto, come è parzialmente fatto in questo lavoro, comporta alcuni rischi. Il problema principale resto l'effetto di contaminazione a causa del volume di conduzione, sempre presente con la registrazione del cuoio capelluto. Un modo per superare questo problema è lavorare sullo spazio fonti, un'alternativa interessante impiegato da molte ricerche. Un altro approccio richiede l'uso di misure di sincronizzazione che minimizza la contaminazione degli effetti di ampiezza. Utilizzando la sincronizzazione di fase (noto anche come fase Llocco Value) che minimizza l'effetto del volume di conduzione, come è stato dimostrato in diverse opere ^34.

Come in altre tecniche neurofisiologiche invasive, registrazioni FOE non possono essere ottenuti da soggetti di controllo, un fatto che limita fortemente l'uso di certi protocolli di ricerca. I dati provenienti da registrazioni FOE forniscono informazioni preziose sulla mesiale attività del lobo temporale ^17,29,35, soprattutto durante lateralizzazione al lato epilettogena nei pazienti TLE ^33. Rispetto alle tecniche invasive, la tecnica FOE atraumatica per il cervello e coinvolge relativamente semplice manipolazione, e le sue registrazioni sono di alta qualità per lunghi periodi di tempo ^11. Rispetto alla risonanza magnetica, le registrazioni FOE fornire una migliore risoluzione temporale di attività elettrocorticale. Inoltre, molte possibilità esistono per esplorare misure diverse da quelle utilizzate in questo lavoro. Questi fatti aumentano anche la possibilità di analizzare diverse registrazioni biomedichecontemporaneamente. Questi vantaggi di registrazioni FOE combinati con rete complessa e analisi spettrale rendono questa tecnica un potente strumento per la ricerca epilessia con potenziali applicazioni nella pratica clinica.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Foramen Ovale Electrodes	AD-Tech, Racine, USA	FO06K-SP10X-000	Six-contact platinum
Electroencephalograph	XLTEK, Canada	XLT-EEG32T	Natus XLTEK
MRI machine	General Electric
SPEC machine	General Electric