Netværk Analyse af foramen ovale elektrode Optagelser i Drug-resistent TLE Patienter

Abstract

Ca. 30% af epilepsipatienter er refraktære over for antiepileptika. I disse tilfælde kirurgi er den eneste alternativ til at fjerne / kontrol anfald. Men et stort mindretal af patienter fortsætter med at udstille postoperative anfald, selv i de tilfælde, hvor den formodede kilde af anfald er blevet lokaliseret og resektion korrekt. Protokollen præsenteres her kombinerer en klinisk procedure rutinemæssigt under den præoperative evaluering af FLE (TLE) patienter med en ny teknik til netværksanalyse. Fremgangsmåden giver mulighed for evaluering af den tidsmæssige udvikling af mesiale netværksparametre. Den bilaterale indsættelse af foramen ovale elektroder (FOE) til den omgivende cisterne samtidig registrerer electrocortical aktivitet på flere mesiale områder i tindingelappen. Desuden netværk metode anvendes på registrerede tidsserier sporer den tidsmæssige udvikling af de mesiale netværk både interictally og underanfald. På denne måde, den præsenteres protokol tilbyder en unik måde at visualisere og kvantificere foranstaltninger, der anser relationerne mellem flere mesiale områder i stedet for et enkelt område.

Introduction

Epilepsi er en invaliderende sygdom, der påvirker 1 - 2% af verdens befolkning. I de fleste tilfælde, kramper - kendetegnende for epilepsi - kan være helt kontrolleret eller afskaffet med antiepileptika. Men ca. 30% af epilepsi patenter refraktære over for lægemiddelterapier. I den mest almindelige form for epilepsi, tindingelappen epilepsi (TLE) ^1, heldigvis kirurgi er et reelt alternativ til at forbedre patientens tilstand. Resultater fra meta-analyser viser, at næsten to tredjedele af resistente TLE patienter er anfaldsfrie i de første to til tre år efter resective kirurgi ^2,3, selv om denne andel varierer på tværs af flere faktorer, især den type hippocampus sklerose ^2. Et afgørende skridt for et vellykket resultat er den præcise lokalisering af den såkaldte epileptiske fokus, kortikale område er ansvarlig for generering af anfald, som er typisk placeret i Mesial område af tindingelappen. Men selv i de tilfælde, hvor den epileptiske fokus er identificeret korrekt og resektion under operationen, et betydeligt mindretal af patienterne enten forbliver, med post-operative anfald eller skal placeres under streng antiepileptisk lægemiddel behandling til at kontrollere anfald. Derfor har et nyt perspektiv opstået, hvor opmærksomheden ikke længere fokuserer udelukkende på isolerede områder, i stedet kortikale interaktioner nu udgør det grundlæggende spørgsmål. Denne "netværk" tilgang er funderet i connectome konceptet ^4, som sætter fokus på de neurale forbindelser mellem forskellige områder snarere end at fremhæve den rolle, som opdelte strukturer. Dette nye paradigme blev fundet i grafteori, en matematisk ramme helliget studiet af topologiske og statistiske egenskaber af grafer, til det relevante værktøj udtryk for sine grundlæggende resultater. Under dette perspektiv, er hjernen betragtes som et sæt af knudepunkter forbundet med hinanden ved links

Blandt de mange invasive neurofysiologiske teknikker rutinemæssigt anvendes i de fleste epilepsi centre rundt om i verden, de foramen ovale elektrode (FOE) er særlig bemærkelsesværdig. FOE er en semi-invasiv teknik, fordi der ikke er behov for at udføre en kraniotomi, som reducerer kirurgi-relaterede komplikationer ^10. Derudover er placeringen af FOE i den omgivende cisterne ¹¹ gør dem specielt velegnet til optagelse mesial aktivitet fra flere kortikale strukturer involveret i beslaglæggelse generering og udbredelse, såsom entorhinal cortex. Derfor brug sidendens udseende er udbredt i prækirurgisk evaluering af resistente TLE patienter. Traditionelt er denne teknik anvendes til at lokalisere irritativ aktivitet i form af interictal epileptogene pigge og skarpe-bølger, og endnu vigtigere, præcist at identificere det område af mesial beslaglæggelse debut.

Den foreslåede nye definition fra Kommissionen om Klassificering og terminologi fra Den Internationale Liga mod epilepsi (ILAE) antyder, at anfald stammer på et tidspunkt inden for bestemte netværk ^12. Desuden har flere undersøgelser vist, at anfald er forårsaget af unormal netværksaktivitet snarere end af et isoleret patologisk område ^13-16. Klart, at denne nye perspektiv kræver reanalyse af tidligere erhvervet information ved hjælp af nye numeriske metoder, såsom komplekst netværk metodologi. Selvom den praktiske anvendelse af disse analyser stadig begyndende i klinisk praksis har flere undersøgelser vist deresværdi ^13-17.

Den nedenfor beskrevne protokol er kombinationen af ​​et klinisk praksis rutinemæssigt udført på lægemiddelresistente TLE epilepsipatienter med en hidtil ukendt teknik til netværk analyse. Fremgangsmåden giver mulighed for evaluering af den tidsmæssige udvikling af mesiale netværksparametre. Den bilaterale indsættelse af FOE til den omgivende cisterne samtidig registrerer electrocortical aktivitet på flere mesiale områder af tindingelapperne. Et netværk tilgang anvendes på optagetiden serien sporer den tidsmæssige udvikling af de mesiale netværk både interictally og under anfald. På denne måde, den præsenteres protokol tilbyder en unik måde at visualisere og kvantificere foranstaltninger, der anser relationerne mellem flere mesiale områder.

Protocol

I protokollen beskrevet nedenfor, trin 1, 2 og 3 hører til både forskning og kliniske protokoller, som begge strengt følges fra alle mesial TLE kandidat til resektion kirurgi kun vælges ved kliniske kriterier. Trin 4 og 5 hører udelukkende til forsøgsprotokol. Begge procedurer er i overensstemmelse med retningslinjerne i Etisk Udvalg for Hospital de la Princesa.

1. Pre-implantation Procedurer

1. Forklare de eksperimentelle procedurer til deltageren, angive, hvilke punkter svarer til den forskning, og hvilke der er gældende for klinisk praksis, bemærke, at proceduren forskning er på ingen måde at ændre den kliniske procedure. Vær særlig opmærksom på at forklare de potentielle risici ved kirurgisk implantation af elektroder. Anskaf en underskrevet informeret samtykke formular deltageren.
2. For alle kandidater til resektion kirurgi, udføre prækirurgisk neurologiske og neuropsykologiske EXAminations ^18.
   1. Vurdere patienten ved interictal enkelt foton emission computer tomografi (SPECT) med ⁹⁹ Tc-HMPAO, magnetisk resonans imaging (MRI) 1.5 T og video-elektroencephalografi (v-EEG) hjælp 25 hovedbund elektroder i henhold til den 10 - 20 internationale system og Maudsley s protokol ^18.
   2. Under prækirurgisk v-EEG optagelse ophold, gradvis taper de antiepileptika fra den anden dag til den fjerde dag (ca. en tredjedel af dosen per dag).

2. Implantation Procedurer (Surgery)

1. Administrere antiepileptika præoperativt, og udføre kirurgi under generel anæstesi (3 mg / kg propofol bolus, efterfulgt med 0,2 - 0,3 mg / kg fentanyl og 0,5 mg / kg rocuronium-).
2. Sæt to seks-kontakt fjender med en 1-cm center-til-center afstand bilateralt ind i de omgivende cisterner bruger Kirschner teknik ^19.
   1. Placer patienten on operationsbordet i liggende stilling, med halsen forsigtigt udvidet ved 15 grader. Klargør patientens kind med en jodopløsning, der starter ved incisionssted og cirkelbevægelser udad, og drapere området umiddelbart omkring incisionssted.
   2. Punktere huden med en 20-gauge spinalnålen ifølge Hartel vartegn ^20: en indgang ca. 3 cm lateralt for den ipsilaterale side af oral commissure mod et punkt umiddelbart ringere end den ipsilaterale elev i anterior-posterior planet og et punkt ca. 2,5 cm anteriort for den ydre øregang i den laterale plan.
   3. Føres nålen mod området ved foramen ovale under fluoroskopisk vejledning. Brug de laterale synspunkter fra de fluoroskopi billeder for at bestemme positionen af ​​nålespidsen. Når nålen passerer foramen ovale, fjerne stiletten, erstatte det med en elektrode, og føre det ind i den omgivende cisterne (figur 1A
3. Vurdere korrekt implantation af fluoroskopisk billeddannelse på operationsstuen ^21; dette er vigtigt at udelukke indtrængning i huller af kraniet base, såsom inferior orbital fissure (placeret anteriort for den foramen ovale) og jugular foramen (placeret posteriort for det). En sådan malplaceret kanylering kan potentielt føre til alvorlige neurovaskulær skade ^22.
4. Når elektroderne er korrekt placeret i de omgivende cisterner, sikre dem på huden med gardiner. Vågn op patienten, og føre ham eller hende til opvågningsstuen.

3. Erhvervelse af FOE Recordings

1. Retur patienten til v-EEG plads til et ophold på ca. 5,2 ± 2,4 dage (gennemsnit ± SD).
2. Placer 19 elektroder i henhold til den internationale 10-20-systemet.
   1. Måle afstanden mellem nasion (næseryg) og inion (nakkeknude) med en målebånd, end mærket med en markør midtpunktet (placering af Cz elektrode). Mål og markere punktet 10% af afstand over nasion (placering af Fpz elektrode).
      1. Gentag den samme procedure for Inion (placering af Oz elektrode), markerer afstandene 20% fra den Cz i både nasion og Inion retninger (steder af FZ og PZ elektroder, henholdsvis).
   2. Mål afstanden mellem de to præaurikulær punkter, og markere afstande 10% over venstre og højre præaurikulær punkter (T3 og T4 elektroder henholdsvis). Derefter markere afstande 20% over både T3 og T4 i Cz retning for at få placeringen af ​​C3 og C4.
   3. Opret en omkreds ved hjælp af målebåndet at knytte Fpz og Oz til 5% af de afstande over begge elektroder på FP1 (venstre) og FP2 (højre) i fronten og på O1 (venstre) og O2 (højre) i ryggen.
   4. I samme omkreds, tilsættes 10% af afstanden opad i inion retning til OBTain position F7, tilsættes 10% til T3 (det skal være placeret over linjen mellem de præaurikulær point), og der tilsættes yderligere 10% for at opnå T5 (O1 elektrode). Markér hver elektrode position og gentag samme procedure for retten (selv) elektroder.
   5. Mål og markere skæringspunktet (F3 elektrode placering) halvvejs mellem F7 og Fz og 20% ​​af afstanden opad fra Fp1 i F3 retning. Gentag denne proces i hver kvadrant af hovedet for at opnå F4 (forreste højre position), P3 (back-venstre position) og P4 (back-venstre position).
   6. Rens og tør hud. Placer en moderat mængde collodion med ledende gel i hver elektrode kop, og placere elektroderne på prepped områder. Tør Kollodium med en hårtørrer.
3. Forbinde alle elektroderne (hovedbund og fjender) fra ledninger til elektroden boks, som allerede er tilsluttet en electroencephalographer. Sørg for, at elektrode signaler er gode, og kontrollere, at hovedbunden elektroder Impedanse er under 10 kQ ved hjælp af electroencephalographer.
4. Anskaf digital hovedbund elektroencefalogram (EEG) data og fjende data på 1024 Hz ved hjælp af en video synkroniseret electroencephalographer (v-EEG), og filtrere data ved hjælp af et båndpasfilter i 0,5 - 100 Hz og en Notch filter (50 Hz) med electroencephalographer.
5. Gradvis at fjerne de antiepileptika fra den anden til den fjerde dag (ca. en tredjedel af dosen per dag) for at øge sandsynligheden for anfald. Dette trin afhænger af den særlige stof recept for hver patient.
6. Brug både interictal paroxysmal og iktal aktiviteter til ca. lokalisere ictogenic områder ved at identificere elektroder / kanal, hvor krampefremkaldende elementer vises ^23, herunder slow-wave-kompleks, polyspikes, løber af hurtige pigge, skarpe bølger, skarpe og-slow-wave-kompleks , langsomme skarpe bølger, pigge og spike og langsomme bølger. Optag de tider af beslaglæggelse debut og ende, samt eny andre kliniske tegn eller hændelser af relevans for undersøgelsen. Der er en en-til-en mapping mellem elektroderne placering i patientens hoved og hovedet model i EEG software, som gør identifikation anatomisk hvor epileptogen aktivitet vises.
7. Når undersøgelsen er afsluttet, fjernes fjender på v-EEG enhed ved forsigtigt at trække dem ud, mens patientens mund forbliver halvt åbnet. Må ikke systematisk udføre billedbehandling efter FOE fjernelse, undtagen når neurologiske symptomer. I sådanne tilfælde udføres en akut computertomografi (CT) scanning.

4. FOE Signal Forbehandling

1. Eksporter data gemt på electroencephalographer ved 200 Hz i ASCII-format i epoker egnede til numerisk analyse af ca. 30 min for beslaglæggelse aktivitet (allerede identificeret af en ekspert neurofysiolog) (figur 1C). Undgå epoker indeholder artefakter, såsom mættet elektrisk aktivitet, muskelaktivitet, og electrode forskydninger.
2. Åbn de eksporterede filer ved hjælp af enhver UNIX stream editor, og fjerne alle ikke-numeriske tegn fra de eksporterede datafiler, så kun tidsstempler og kanal spændinger. Gem de ændrede filer til yderligere numerisk analyse.
   BEMÆRK: Fra nu af, udføre alle beregninger ved hjælp R pakker fra R repository eller hjemmelavede koder (tabel 1).
3. Ved hjælp af R-software, installere de nødvendige R pakker, og indlæse de ændrede datafiler i F miljø. Bestille alle kanaler, tildele hver en til en bestemt søjle af matrixen, der indeholder alle de data, fjerne tomme kanaler og referencing dem til en gennemsnitlig midterlinje reference (Fz + Cz + Pz) / 3.
   1. Brug Fast Fourier Transform algoritme (R funktion: FFT) og plotte den resulterende variabel for at kontrollere for en effektiv fjernelse af den linje frekvens (ca. 50 Hz). Brug frekvensdomænet at filtrere andre uægte frequencies der kan forurene signalerne.
4. Konverter de indlæste data til en multivariat tidsserier objekt (MTS) af 28 kolonner - 16 hovedbund og 12 fjender - ved hjælp af R funktionen ts. Opdel mts objekt til ikke-overlappende tidsmæssige vinduer på 5 sekunder (1.000 datapunkter ved 200 Hz) for at reducere filstørrelsen og optimere beregningstid.

5. Efterbehandling Beregninger (Complex Network Analysis)

BEMÆRK: Beregn følgende foranstaltninger i hvert tidsvindue, der starter ved 5 min før beslaglæggelse indtræden (60 vinduer) og slutter ved 5 minutter efter beslaglæggelse indtræden (60 vinduer), med det formål at visualisere den tidslige udvikling.

1. Beregn univariate foranstaltninger, spektral magt, ophidselse og spektral entropi for hver enkelt søjle / kanal uden at overveje sammenhænge mellem forskellige tidsserier.
   1. Beregn ophidselse (S) for hver voltage aktivitet tidsserier ved hjælp af en hjemmelavet kode i henhold til den af Schindler ²⁴ ligning (se supplerende fil). S> 2,5 betragtes epileptogen, en empirisk bestemt tærskel ^17,25,26.
   2. For hver aktivitet tidsserier, beregne power spectral density ved hjælp af en hjemmelavet kode for Delta (> 0,5 Hz og <4 Hz), Theta (4 - 7 Hz), Alpha (7-14 Hz), Beta (14-30 Hz ) og gamma (> 30).
   3. Beregn Shannon entropi med en hjemmelavet koden ved hjælp af power spectral density af hver tidsserie stedet for den tilsvarende sandsynlighed tidsserier. Gennemsnittet af individuelle spektrale entropi (SE) værdier opnået for hver kanal i løbet af et sæt elektroder. Shannon entropi er forklaret i den supplerende fil.
      BEMÆRK: Et fald i SE bør fortolkes som et fald i antallet af frekvenser af spektret, fordi SE er entropien af ​​spektret.
2. Netværk foranstaltninger
   IKKEE: I dette afsnit vurderes samspillet mellem forskellige tidsserier af elektroder.
   1. Beregn den funktionelle forbindelse mellem hvert par af spænding tidsserier i hvert tidsvindue ved hjælp af den absolutte værdi af den lineære krydskorrelationskoefficient opgjort til nul forsinkelse (R funktion: CCF).
      BEMÆRK: For at fjerne ikke-repræsentative værdier for synkronisering, etablere en tærskel baseret på tidligere undersøgelser ^17,25,26. Brug en tærskel på 0,5 i dette særlige tilfælde.
   2. Installer igraph R pakken ^27. Opret en igraph objekt fra nabomatricen (R-funktion: graph.adjacency). Brug sammenhængen matrix opnået i det foregående trin, præciserer, at grafen er vægtet og ikke-orienteret.
   3. I hvert tidsvindue beregne den gennemsnitlige vejlængde (APL) (R-funktion average.path.length) for hele netværket (hovedbund + FOE), og for hvert af de fire sub-netværk: venstre hovedbund, højre hovedbund, venstre FOE og højre FOE. I exactly på samme måde, beregne tætheden af links (DoL) (R-funktion: graph.density), modularitet (Mod) (R-funktion: modularitet) og den gennemsnitlige klyngedannelse koefficient (ACC) (R-funktion: transitivitet).
   4. Gentag de foregående trin 5.2.1 gennem 5.2.3 hjælp fase synkronisering (hjemmelavet R-kode) som et estimat af funktionel konnektivitet i stedet for den krydskorrelationsfunktionen.
3. Til at repræsentere størrelsen effekter i de variable ændringer, beregne den standardiserede gennemsnitlige forskel (SMD) (R funktion fra pakken MBESS: smd), mellem preictal og iktal faser samt mellem preictal og postictal etaper.
   1. Tager preictal som baseline, skal du vælge tredive sekunder (6 værdier) fem minutter før beslaglæggelse debut, da den preictal værdi. En tilsvarende tidsvindue på 30 s kan vælges under anfaldet for at kvantificere ændringen i forhold til preictal fase, ved hjælp af SMD.

Representative Results

Den endelige position af FOE er i den omgivende cisterne, som set i aksial og sagittale MRI (figur 1A øvre paneler). Kontakterne af FOE rekord elektriske aktivitet fra flere mesiale strukturer tindingelappen (figur 1A nederste panel). Efter operationen (Figur 1B venstre panel), er patienten sendes til video-EEG rum, hvor hovedbund elektroder placeres efter med 10 - 20 (figur 1B til højre). Under opholdet på videoen-EEG værelse, er patienten løbende overvåges, hvilket sparer yderligere analyse hovedbund og fjende optagelser, samt video og vitale konstanter. En typisk rå hovedbund og fjende signaler (Figur 1C) viser udseendet af en beslaglæggelse i venstre FOE og dens udbredelse til hovedbunden og højre fjende kontakter.

Gengivelse af epileptogen aktivitet ved hjælp afophidselse (S) (figur 2), der svarer til de rå EEG optagelser fra figur 1C, under overgangen fra den preictal til iktal og postictal perioder. Beslaglæggelse indtræden er markeret med en fast lodret linje og tid (x-akse) er henvist til dette punkt. En værdi af S (ophidselse)> 2,5 repræsenteret irriterende eller epileptogen aktivitet ^17,25,26. Højere ophidselse (rødlige farver) optrådte først med højere intensitet i venstresiden fjende kontakter (LFOE). Dette resultat er overensstemmende med en venstre mesial FLE som oplyst af en ekspert neurofysiolog.

Tidsmæssige dynamik flere netværks foranstaltninger samt den spektrale entropi (figur 3) under overgangen fra den preictal til iktal og postictal faser, der svarer til den samme beslaglæggelse vist i figur 1C og 2. Beslaglæggelse debut er markeret med en solid Vertical linje og tid (x-akse) er henvist til dette punkt. I dette tilfælde blev det netværk bygget på hele sættet af elektroder, herunder både hovedbund og FOE. DoL og ACC værdier var højere under anfald, med et fald i APL og Mod, hvilket tyder på en stigning i den samlede forbindelse. I løbet også denne periode blev lavere niveauer af SE observeret og vedvarende efter ophidselse (stiplede lodrette linjer) forsvinder.

Analysen af netværket foranstaltninger ACC, Dols og APL og SE for hver FOE (højre og venstre) (Figur 4) under overgangen fra preictal til iktal og postictal etaper. Beslaglæggelse indtræden er markeret med en fast lodret linje og tid (x-akse) er henvist til dette punkt. Udviklingen af denne foranstaltning svare til den samme beslaglæggelse af figurerne 1, 2 og 3. Den ipsilaterale (til venstre) mesial ACC, Dols og APL præsenterede tidligere og højere ændringer end contralarale værdier, som kunne forklares ved placeringen af ​​beslaglæggelse debut zone i venstre tindingelappen. I dette tilfælde kunne Mod ikke beregnes, fordi ingen underafdelinger var til rådighed.

En repræsentativ video af den funktionelle konnektivitet (figur 5) i samme beslaglæggelse af figur 1, 2, 3, og 4 viser en kritisk ændring lige efter anfaldet indtræden (Time 0). På det tidspunkt forbindelsen mellem alle elektroderne stige drastisk, som det kan ses ved en forøgelse af antallet af links og tykkelsen (intensitet) i nævnte kanter. Denne stigning begynder mellem den venstre FOE på tidspunkt 0,1 og 0,2, og spredes til den kontralaterale side, før de når hele netværket.

FFT	4.3	(Statistik pakke) Beregner Fast Fourier Transform af et signal.
ts	4.4	(Statistik pakke) Opretter en multivariat tidsserier objekt (MTS). Prøveudtagningsfrekvensen bør gives.
ophidselse	5.1.1	(hjemmelavet) funktion baseret på diff R-funktionen. Beregner den absolutte værdi af hældningen af ​​signalet og derefter normalisere det til standardafvigelsen korte baseline periode. Threshold bør gives.
Power spectral density og Spectral Entropy	5.1.2	(Homemade) funktion baseret på funktioner spektrum og entropi R. Beregn den normaliserede magt spektrum og Shannon entropi af det normaliserede kraftspektrum
CCF	5.2.1	(Base pakke) beregner den lineære krydskorrelationen af ​​mts objektet ved hjælp Pearson korrelation ved nul forsinkelse, generere en korrelationsmatrix. Absolutte værdier bør være calculated.
graph.adjacency	5.2.2	(Igraph pakke) Opretter en igraph graf, den grundlæggende formål, der anvendes af de følgende igraph funktioner
average.path.length	5.2.3	(Igraph pakke) bestemmer den gennemsnitlige vejlængde af grafen, ved at beregne det gennemsnitlige antal trin langs de korteste stier gennem alle netværksknudepunkterne.
graph.density	5.2.3	(Igraph pakke) Beregner tætheden af ​​links af grafen ved at beregne forholdet mellem det faktiske antal af links og alle mulige forbindelser i netværket.
modularitet	5.2.3	(Igraph pakke) Bestemmer modularitet af grafen, ved computing hvilke grupper af knudepunkter er mere forbundet mellem dem end med andre knudepunkter i nettet
transitivitet	Fem.2.3	(Igraph pakke) Bestemmer den gennemsnitlige klyngedannelse koefficient på grafen, ved at beregne andelen af ​​tilstødende knuder, der også naboer til hinanden
fasesynkronisering	5.2.4	(hjemmelavet) funktion baseret på FFT R funktion, der beregner den gennemsnitlige fase sammenhæng for at opnå værdier mellem nul og én
SMD	5.3	(MBESS pakke) Bestemmer standarden betyde forskellen -størrelse effects- ved at beregne forskellen i middelværdien mellem grupperne i forhold til samlet forskel

Tabel 1: R-funktioner Bruges til databehandling.

Figur 1: Foramen Ovale Elektroder. (A) Endelig stillingFOE til den omgivende cisterne. Øvre paneler viser en aksial (venstre) og sagittale (højre) MRI-billeder viser placering fjenden kontakter (hvide pile). Et menneske eksemplar (cadaver) med en indsat FOE (nederste panel, kontakter markeret med hvide pile). (B) FOE og hovedbund elektroder setup. Patienter hovedet lige efter FOE indsætning kirurgi (venstre felt) og under video-EEG ophold (højre panel). (C) fjende og hovedbund optagelser. Komplekse partielle anfald fra en venstre TLE patient (5 min efter og før beslaglæggelse onset). RFOE1-RFOE6 står for højre FOE # 1 til # 6 og LFOE1-LFOE6 står for venstre FOE # 1 til # 6. Beslaglæggelse debut er markeret med en lodret rød linje og en hvid pil hoved. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: Repræsentation af en kompleks partielle anfald fra en Venstre TLE Patient kvantificeret ved ophidselse. Farveskalaen kvantificerer ophidselse niveau (S) for hver elektrode. Den rigtige foramen ovale elektrode (RFOE) og venstre foramen ovale elektrode (LFOE) repræsenterer kontakterne på højre og venstre foramen ovale elektroder (y-akse), hhv. X-aksen markerer tid (i min) i forhold til beslaglæggelse debut (tyk lodret linje), bestemt ved en ekspert neurofysiolog. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3: Foranstaltninger fra den samme patient og Same Beslaglæggelse af Figur 2. Den gennemsnitlige klyngedannelse koefficient (ACC), gennemsnitlig vejlængde Hele netværket (hovedbund + FOE) (APL), Tæthed af links (Dols), modularitet (MOD) og spektral entropi (SE) for hele netværket (hovedbund + FOE) er repræsenteret. De lodrette punkterede linier repræsenterer ophidselse (S). X-aksen markerer tidspunkt i forhold beslaglægges indtræden (tyk lodret optrukket linje). En glidende gennemsnit over ti på hinanden følgende vinduer er repræsenteret af en tyk solid sort linje. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4: mesial Mål for den samme patient fra figur 2 og 3. Det gennemsnitlige klyngedannelse koefficient (ACC), gennemsnitlig vejlængde (APL), tætheden af links (Dols) og spektral entropi (SE) for både venstre og højre foramen ovale elektroder (fjender). De lodrette stiplede linjer markerer ophidselse. X-aksen markerer tidspunkt i forhold til seizure indtræden (tyk lodret optrukket linje). En glidende gennemsnit over ti på hinanden følgende vinduer er repræsenteret af en tyk solid sort linje. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5: Dynamisk af Connectivity Mønster under en komplekse partielle anfald. Links intensitet er repræsenteret ved tykkelsen af ​​kanterne. Times (lavere tal) er i forhold til beslaglæggelse debut (Time 0). Hver ramme er 5 sek lang. Venstre og højre foramen ovale elektroder (L1-L6 og R1-R6) er repræsenteret ved koraller og blå cirkler, henholdsvis. Venstre og højre hovedbund elektroder er repræsenteret af appelsin og cyan kredse, hhv. Klik her for at download denne film.

Discussion

Traditionelt epilepsi blev undersøgt under en zone-orienteret tilgang, som isolerede betydningen af ​​bestemte områder, hovedsagelig beslaglæggelsen debut zone, som den unikke årsag til anfald. For ganske nylig, har en sand netværk tilgang, der understreger vigtigheden af samspillet mellem kortikale områder været begunstiget i den klassiske zone perspektiv ^13-17,28. Men den nuværende mængde af beviser for epilepsi som et netværk sygdom er stadig meget fragmenteret, og der er behov for mere forskning. Den nuværende arbejde har til formål at reanalyze data fra traditionelle metoder som FOE under komplekst netværk tilgang. Protokollen præsenteres her beskriver en trinvis metodiske procedure at udføre et komplekst netværk og spektralanalyse af semi-invasive optagelser i TLE patienter.

Anvendelsen af ​​den ovenfor beskrevne teknik har demonstreret anvendeligheden af ​​nettet tilgang i forhold til den mere traditionelle localized eller zone-orienterede perspektiver. I de seneste værker ^17,29 blev det vist, at anvendelse af den samme procedure som den, der er beskrevet her, en ubalance i mesial forbindelse i refraktære TLE patienter fremgår. Mesial tilslutningsmuligheder reduceres i ipsilaterale side både under interictal- ²⁹ og iktal ^17,29 etaper. Dette resultat kunne ikke forudses ved at se udelukkende på de områder, hvor epileptogen aktivitet opstår. Denne måde overraskende resultat blev også beskrevet ved hjælp af netværk teorier om fMRI-signaler ^30,31. Desuden har anvendelsen af den kombinerede teknik FOE + netværksteori vist ligestilling af mesial aktivitet under anfald og under virkningerne af en promotor af epileptogen aktivitet, da det er den farmakologiske administration af etomidat ^32.

Den her beskrevne teknik er i stand til at detektere mesial netværk ubalance i korte interictal optagelser varig højst én or to timer ^29. På denne måde kunne en drastisk reduktion i analysen tid og patient hospitalsophold opnås. Hertil kommer, fra et terapeutisk perspektiv, den eksisterende ubalance i TLE patienter kunne "løses" ved hjælp af kronisk implanterede (ved neurokirurger) enheder, så meget som den måde, det sker i dyb brain stimulation.

For at opnå optimale resultater ved hjælp af oplysningerne i denne protokol, bør nogle spørgsmål overvejes på forhånd. For det første bør implantation af elektroderne skal udføres af en erfaren neurokirurg, fordi deres forkert placering kunne producere alvorlige neurologiske konsekvenser og vildledende optagelser. Desuden valget af passende epoker til yderligere analyse beror udelukkende på neurofysiolog fortolkning af den rå EEG; derfor erfaring i klinisk EEG analyse er obligatorisk. Dataformatet af de eksporterede filer fra electroencephalograph afhænger af partiCULAR mærke; derfor er der behov for gode programmering færdigheder til at tilpasse scripts til forskellige dataformater. Endelig, for at sikre pålideligheden af ​​de data, bør kvalitetskontrol blive anvendt på resultaterne. Overvurdering og falske positiver er tilbøjelige til at blive vist, når du arbejder med et stort antal sammenhænge. I sådanne tilfælde, at statistiske metoder forbedre bør anvendes følsomhed. I denne forbindelse er det vigtigt at etablere en tærskel i korrelationerne at kassere værdier, som ikke er repræsentativ for en sand underliggende synkronisering. Således i denne protokol, en kant mellem knudepunkterne i og j vil kun blive anset for at foreligge, hvis den absolutte værdi af sammenhængen mellem disse knudepunkter er større end 0,5, et kriterium tidligere været ansat ^17,26. Andre tærskelværdier i intervallet 0,2-0,8 bør anvendes til at kontrollere lignende resultater, og at sikre en glidende overgang fra en tærskel til følgende tærskel. Ud over tærskelværdier, andre methodologies kan anvendes til at opnå pålidelige resultater, såsom Bonferroni korrektion eller surrogat test data. Desuden, når du arbejder med EEG-data, er det vigtigt at huske på, at hjernen netværk er komplekse systemer med ikke-lineær dynamik; derfor, ud over den lineære korrelation, bør der anvendes andre ikke-lineære synkronisering foranstaltninger for at sikre kvaliteten af resultaterne, såsom gensidig information eller fasesynkronisering ^33.

Beregning konnektivitet direkte fra hovedbunden elektroder, som det delvist er gjort i dette arbejde, medfører nogle risici. Hovedproblemet hvile i forureningen virkning på grund af volumen ledning, altid til stede med hovedbunden optagelse. En måde at overvinde dette problem er ved at arbejde på kilderne plads, en tiltalende alternativ ansat af mange undersøgelser. En anden tilgang kræver brug af foranstaltninger for synkronisering, der minimerer forurening af amplitude effekter. Ved anvendelse af fasesynkronisering (også kendt som fase Locking Value) vi minimere virkningen af volumen ledning, som det blev påvist i flere værker ^34.

Som i andre invasive neurofysiologiske teknikker, kan der ikke opnås optagelser fra FOE fra kontrolindivider, en kendsgerning, at alvorligt begrænser anvendelsen af ​​visse forsknings- protokoller. Data fra FOE optagelser give værdifulde oplysninger om mesial tindingelappen aktivitet ^17,29,35, især under lateralization til epileptogen side i TLE patienter ^33. Sammenlignet med invasive teknikker, FOE teknik er ikke-traumatisk for hjernen og involverer relativt enkel manipulation, og dens optagelser er af høj kvalitet over lange tidsperioder ^11. I forhold til MRI, fjende optagelser giver bedre tid opløsning på electrocortical aktivitet. Endvidere findes mange muligheder for at udforske andre end dem, der anvendes i dette arbejde foranstaltninger. Disse kendsgerninger øger også muligheden for at analysere flere biomedicinske optagelsersamtidigt. Disse fordele af FOE optagelser kombineret med komplekse netværk og spektralanalyse gør denne teknik et stærkt værktøj til epilepsi forskning med potentielle anvendelser i klinisk praksis.

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