Network Analys av foramen ovale Elektrodrecordings i Läkemedelsresistenta Temporallobsepilepsi Patienter

Abstract

Cirka 30% av epilepsipatienter är okänsliga för antiepileptika. I dessa fall är kirurgi det enda alternativet till eliminera / kontroll anfall. Men en betydande minoritet av patienterna fortsätter att uppvisa postoperativa anfall, även i de fall där den misstänkta källan till anfall är korrekt lokaliserade och utskurna. Protokollet presenteras här kombinerar en klinisk procedur rutinmässigt under preoperativ bedömning av Temporallobsepilepsi (TLE) patienter med en ny teknik för nätverksanalys. Metoden gör det möjligt att utvärdera den tidsmässiga utvecklingen av mesiala telenätet. Det bilaterala införandet av foramen ovale elektroder (FOE) till den omgivande cisternen registrerar samtidigt electrocortical aktivitet vid flera mesiala områden i tinningloben. Vidare nätverk metod som tillämpas på inspelad tid serie spår tidsutvecklingen av de mesiala nätverk både interictally och underanfall. På detta sätt erbjuder den presenterade protokollet ett unikt sätt att visualisera och kvantifiera åtgärder som beaktar sambanden mellan flera mesiala områden i stället för ett enda område.

Introduction

Epilepsi är en handikappande sjukdom som drabbar 1-2% av världens befolkning. I de flesta fall, kramper - kännetecken av epilepsi - kan helt kontrollerad eller avskaffas med antiepileptiska läkemedel. Men cirka 30% av epilepsi patent är okänsliga för läkemedelsbehandlingar. I den vanligaste typen av epilepsi, tinningloben epilepsi (TLE) ^1, lyckligtvis kirurgi är ett giltigt alternativ för att förbättra patientens tillstånd. Resultat från metaanalyser visar att nästan två tredjedelar av läkemedelsresistenta TLE patienterna anfallsfria under de första två till tre år efter det resektiv kirurgi ^2,3, även om denna andel varierar mellan flera faktorer, framför allt, vilken typ av hippocampus skleros ^2. Ett kritiskt steg för ett lyckat resultat är den exakta lokaliseringen av den så kallade epileptiska fokus, kortikala område som ansvarar för generering av beslag, som typiskt ligger i Mesial område i tinningloben. Men även i de fall där den epileptiska fokus är korrekt identifierade och utskurna under operationen, förblir en betydande minoritet av patienterna antingen med postoperativa kramper eller måste placeras under strikt epilepsi läkemedelsbehandling för att kontrollera kramper. Därför har ett nytt perspektiv framkommit i vilken uppmärksamhet inte längre fokuserar enbart på isolerade områden, i stället kortikala interaktioner utgör nu den grundläggande frågan. Detta "nätverk" tillvägagångssätt är förankrad i connectome konceptet ^4, som riktar uppmärksamheten på neurala kopplingar mellan olika områden i stället för att lyfta fram betydelsen av compartmentalized strukturer. Denna nya paradigm påträffades i grafteori, en matematisk ram ägnas åt studier av topologiska och statistiska egenskaper hos grafer, till lämpligt verktyg uttrycka sina grundläggande slutsatser. Enligt detta perspektiv är hjärnan anses som en uppsättning av noder sammankopplade genom länkar

Bland de många invasiva neurofysiologiska tekniker som rutinmässigt används i de flesta epilepsi runt om i världen, foramen ovale elektrod (FOE) är särskilt anmärkningsvärt. FOE är en semi-invasiv teknik eftersom det inte finns något behov av att utföra en kraniotomi, vilket minskar kirurgi relaterade komplikationer ^10. Dessutom, platsen för FOE i omgivnings cisternen ¹¹ gör dem särskilt bekvämt för inspelning mesiala aktivitet från flera kortikala strukturer som deltar i anfalls generation och förökning, såsom entorhinal cortex. Därför dess användning sedandess utseende är utbredd i presurgical utvärdering av läkemedelsresistenta TLE patienter. Traditionellt är denna teknik används för att lokalisera irriterande aktivitet i form av Interiktal epileptogena spikar och skarpa-vågor, och ännu viktigare, att exakt identifiera området mesiala beslag debut.

Den nya definition som föreslås av kommissionen om klassificering och terminologi från International League mot epilepsi (ILAE) tyder på att kramper ursprung någon gång inom vissa nätverk ^12. Dessutom har flera studier visat att kramper orsakas av onormal nätverksaktivitet snarare än av en isolerad patologiskt område ^13-16. Naturligtvis kräver detta nya perspektiv ny analys av tidigare förvärvade information med hjälp av nya numeriska metoder, såsom komplext nätverk metodik. Även den praktiska användningen av dessa analyser är fortfarande begynnande i klinisk praxis, har flera studier visat sinvärde ^13-17.

Protokollet som beskrivs nedan är en kombination av en klinisk praxis rutinmässigt på läkemedelsresistenta TLE epilepsipatienter med en ny teknik för nätverksanalys. Metoden gör det möjligt att utvärdera den tidsmässiga utvecklingen av mesiala telenätet. Det bilaterala införandet av FOE i den omgivande cisternen registrerar samtidigt electrocortical aktivitet vid flera mesiala områden i temporala lober. Ett nätverk inställningen till inspelningstiden serien spår tidsutvecklingen av de mesiala nätverk både interictally och under anfall. På detta sätt erbjuder den presenterade protokollet ett unikt sätt att visualisera och kvantifiera åtgärder som beaktar sambanden mellan flera mesiala områden.

Protocol

I protokollet som beskrivs nedan, steg 1, 2 och 3 hör till både forskning och kliniska protokoll, som båda strikt följt från varje mesial TLE kandidat för resektionskirurgi endast väljas av kliniska kriterier. Steg 4 och 5 hör uteslutande till forskningsprotokoll. Båda förfarandena är förenliga med riktlinjerna för etisk kommitté av Hospital de la Princesa.

1. Preimplantatorisk procedurer

1. Förklara de experimentella förfarandena till deltagaren, ange vilka punkter motsvarar forskning och vilka som är tillämpliga på klinisk praxis, anmärka att forskningen förfarande är inte på något sätt modifiera den kliniska undersökningen. Ägna särskild uppmärksamhet åt att förklara de potentiella riskerna med kirurgisk implantation av elektroder. Skaffa en undertecknad informerat samtycke form deltagaren.
2. För alla kandidater för resektionskirurgi, utföra presurgical neurologiska och neuropsykologiska exaställanden ^18.
   1. Utvärdera patienten genom Interiktal single photon emission datortomografi (SPECT) med ⁹⁹ Tc-HMPAO, magnetisk resonanstomografi (MRT) 1,5 T och video-elektroencefalografi (v-EEG) med hjälp av 25 hårbotten elektroder enligt 10-20 internationella systemet och Maudsley s protokoll ^18.
   2. Under presurgical v-EEG-registrering vistelse, gradvis smalna av de antiepileptiska läkemedel från den andra dagen till den fjärde dagen (ungefär en tredjedel av dosen per dag).

2. Implantation procedurer (Surgery)

1. Administrera antiepileptiska läkemedel pre-operativt, och operera under narkos (3 mg / kg propofol bolus, följt av 0,2 till 0,3 mg / kg fentanyl och 0,5 mg / kg rokuronium).
2. Sätt i två sex kontakt fiender med en 1 cm från centrum till centrum avstånd bilateralt i den omgivande cisterner med hjälp av Kirschner teknik ^19.
   1. Placera patienten on operationsbordet i ryggläge, med halsen försiktigt förlängdes vid 15 grader. Förbereda patientens kind med en jodlösning, med början vid snittstället och kretsande utåt, och drapera området omedelbart runt snittstället.
   2. Sticka hål på huden med en 20-gauge spinalnål enligt Hartel landmärken ^20: en ingångspunkt av ungefär 3 cm lateralt till den ipsilaterala sidan av den orala commissure mot en punkt omedelbart underlägsen den ipsilaterala elev i främre-bakre plan och en punkt ungefär 2,5 cm anterior till den yttre hörselgången i lateralplanet.
   3. Advance nålen mot området för foramen ovale i röntgengenomlysning. Använda de laterala vyer som tillhandahålls av de genomlysningsbilder för att bestämma positionen för nålspetsen. När nålen passerar foramen ovale, ta bort nålen, ersätta det med en elektrod, och matar det till den omgivande cisternen (Figur 1A
3. Bedöm korrekt implantation av fluoroskopisk avbildning i operationssalen ^21; Detta är viktigt för att utesluta inträngning i fora av skallbasen, såsom sämre orbital spricka (belägna främre till foramen ovale) och jugular foramen (placerade posteriort det). Sådan felplacerad kanyle kan potentiellt leda till allvarliga neurovaskulära skada ^22.
4. När elektroderna är korrekt placerade i omgivande cisterner, säkra dem på huden med draperier. Vakna upp patienten och leda honom eller henne till uppvakningsavdelningen.

3. Förvärv av FOE Recordings

1. Återgå patienten till v-EEG utrymme för en vistelse på cirka 5,2 ± 2,4 dagar (medelvärde ± SD).
2. Placera 19 elektroder enligt den internationella 10-20 systemet.
   1. Mät avståndet mellan nasion (näsryggen) och Inion (nackknölen) med hjälp av ett måttband, end märket med en markör mittpunkten (platsen för Cz elektroden). Mät och markera punkt 10% av avståndet ovanför nasion (platsen för FPZ elektrod).
      1. Upprepa samma procedur för Inion (platsen för Oz elektrod), märkning avstånden 20% från Cz både nasion och Inion riktningar (platser av FZ och PZ elektroder, respektive).
   2. Mäta avstånd mellan de båda preaurikulär punkter, och markera avstånden 10% över de vänstra och högra preaurikulär punkter (T3 och T4 elektroder, respektive). Då, markera avstånden 20% över både T3 och T4 i Cz riktning för att erhålla lägena för C3 och C4.
   3. Skapa en omkrets med hjälp av måttband att koppla FPZ och Oz på 5% av avstånden ovanför båda elektroderna på FP1 (till vänster) och FP2 (höger) i fronten och på O1 (till vänster) och O2 (till höger) i ryggen.
   4. I samma omkrets, tillsätt 10% av avståndet uppåt i Inion riktning till OBTain position F7, tillsätt 10% för att nå T3 (det bör placeras ovanför linjen mellan preaurikulär poäng), och lägga till ytterligare 10% för att erhålla T5 (O1 elektrod). Markera varje elektrod och upprepa samma procedur för höger (även) elektroder.
   5. Mät och markera skärningspunkten (F3 elektrod plats) halvvägs mellan F7 och Fz och 20% av avståndet uppåt från Fp1 i F3 riktning. Upprepa denna process i varje kvadrant av huvudet för att erhålla F4 (främre högra positionen), P3 (bakre, vänstra läget) och P4 (back-vänster).
   6. Rengör och torka huden. Placera en måttlig mängd kollodium med ledande gel i varje elektrod cup och placera elektroderna i prepped områden. Torka kollodium med en hårtork.
3. Ansluta alla elektroderna (hårbotten och fiender) med trådar till elektrodboxen, som redan är ansluten till en electroencephalographer. Se till att elektrodsignaler är bra, och kontrollera att hårbotten elektrod Impedanser är under 10 kW med hjälp av electroencephalographer.
4. Förvärva digital hårbotten elektroencefalogram (EEG) data och Foe data vid 1024 Hz med hjälp av en video synkroniserad electroencephalographer (v-EEG), och filtrera data med användning av ett bandpassfilter i intervallet från 0,5 till 100 Hz och en Notch-filter (50 Hz) med electroencephalographer.
5. Successivt avlägsna de antiepileptiska läkemedel från den andra till den fjärde dagen (ungefär en tredjedel av dosen per dag) för att öka sannolikheten för kramper. Detta steg beror på den särskilda receptbelagda läkemedel för varje patient.
6. Använd både Interiktal paroxysmal och ictal aktiviteter till cirka lokalisera ictogenic områden genom att identifiera elektroder / kanal där epileptogena element visas ^23, inklusive slow-wave komplex, polyspikes, serier av snabba spikar, skarpa vågor, skarpa och-slow-wave-komplexet , långsam skarpa vågor, spikar och spik och långsamma vågor. Registrera tider av anfallsdebut och slut, samt eny andra kliniska tecken eller händelser som är relevanta för studien. Det finns en en-till-en mappning mellan elektrod läge i patientens huvud och modellen huvudet i EEG programvara som gör det möjligt att identifiera anatomiskt där epileptogen aktivitet verkar.
7. När studien är klar, ta bort fiender vid v-EEG-enhet genom att försiktigt dra ut dem medan patientens mun fortfarande halvöppen. Inte systematiskt utföra avbildning efter FOE avlägsnande, utom när neurologiska symptom. I sådana fall, utföra ett akut datortomografi (CT) scan.

4. FOE Signal Förbehandling

1. Exportera data som lagras på electroencephalographer vid 200 Hz i ASCII-format i epoker som är lämpliga för numerisk analys av ungefär 30 minuter av krampanfall (som redan identifierats av en expert neurophysiologist) (Figur 1C). Undvik epoker innehåller artefakter, såsom mättade elektrisk aktivitet, muskelaktivitet, och electrode förskjutningar.
2. Öppna de exporterade filer med någon UNIX ström redaktör, och ta bort alla icke-numeriska tecken från de exporterade datafiler, vilket innebär att endast tidsstämplar och kanalspänningar. Spara ändrade filer för vidare numerisk analys.
   OBS: Från och med nu, utför alla beräkningar som använder R paket från R förvaret eller hemlagad koder (tabell 1).
3. Använda programvara, installera de nödvändiga R paket och ladda modifierade datafiler i R miljön. Beställa alla kanaler, tilldela var och en att en särskild kolumn i matrisen som innehåller alla data, vilket eliminerar tomma kanaler och referera dem till en genomsnittlig mittlinjen referens (Fz + Cz + Pz) / 3.
   1. Använda Fast Fourier Transform algoritm (R funktion: fft) och plotta den resulterande variabel för att kontrollera för effektivt avlägsnande av linjefrekvensen (ca 50 Hz). Använd frekvensdomänen för att filtrera annan falsk frequencies som kan förorena signalerna.
4. Konvertera inlästa data till en multivariat tidsserieobjekt (MTS) av 28 kolumner - 16 hårbotten och 12 fiender - med hjälp av R funktion ts. Dela MTS objektet till icke-överlappande tidsfönster av 5 sekunder vardera (1000 datapunkter vid 200 Hz) för att minska filstorleken och optimera beräkningstiden.

5. Post-behandlings Beräkningar (Komplex Network Analysis)

OBS: Beräkna de åtgärder som beskrivs nedan i varje temporal fönster, med början vid 5 min innan beslag debut (60 fönster) och slutar vid 5 minuter efter beslag debut (60 fönster), i syfte att visualisera tidsutvecklingen.

1. Beräkna univariat åtgärder, spektral effekt, upphetsning och spektral entropi för varje enskild kolumn / kanal utan att tänka på korrelationer mellan olika tidsserierna.
   1. Beräkna retbarhet (S) för varje voltage aktivitet tidsserie med hjälp av en hemmagjord kod enligt ekvationen som föreslagits av Schindler ²⁴ (se kompletterande fil). S> 2,5 anses epileptogen, en empiriskt fastställd nivå ^17,25,26.
   2. För varje aktivitet tidsserier, beräkna spektraltätheten med hjälp av en hemmagjord kod för Delta (> 0,5 Hz och <4 Hz), Theta (4-7 Hz), Alpha (7-14 Hz), Beta (14-30 Hz ) och gamma (> 30).
   3. Beräkna Shannon entropi med en hemmagjord kod med hjälp av spektrala effekttätheten för varje tidsserie i stället för motsvarande sannolikhet tidsserier. Genomsnitt de individuella spektrala entropi (SE) värden som erhålls för varje kanal under en uppsättning av elektroder. Shannon entropi förklaras i tilläggsfilen.
      ANMÄRKNING: En minskning i SE bör tolkas som en minskning i antalet frekvenser av spektrumet eftersom SE är entropin av spektrumet.
2. nätverksåtgärder
   INTEE: I detta avsnitt bedöms samspelet mellan olika tidsserier av elektroder.
   1. Beräkna den funktionella anslutning mellan varje par av spänningstidsserien i varje tidsfönstret med det absoluta värdet av den linjära korskorrelationskoefficient beräknas till noll fördröjning (R funktion: CCF).
      OBS: För att eliminera icke-representativa värden för synkronisering, inrätta ett tröskelvärde baserat på tidigare studier ^17,25,26. Använda ett tröskelvärde på 0,5 i detta särskilda fall.
   2. Installera igraph R paketet ^27. Skapa ett igraph objekt från grannmatris (R funktion: graph.adjacency). Använd korrelationsmatrisen som erhållits i föregående steg och ange att grafen viktas och oriktade.
   3. I varje tidsfönster beräkna den genomsnittliga banlängden (APL) (R funktion average.path.length) för hela nätverket (hårbotten + FOE), och för vart och ett av de fyra subnät: vänster hårbotten, höger hårbotten, vänster FOE och höger FOE. i eEnte precis på samma sätt, beräkna densiteten av länkar (DoL) (R funktion: graph.density), modularitet (m) (R funktion: modul) och den genomsnittliga klustring koefficienten (ACC) (R funktion: transitivity).
   4. Upprepa föregående steg 5.2.1 genom 5.2.3 med användning av fas synkronisering (hemlagad R-kod) som en uppskattning av funktionell uppkoppling istället för korskorrelationsfunktionen.
3. Att representera storlekseffekter i de variabla förändringar, beräkna den standardiserade genomsnittliga skillnaden (SMD) (R funktion paketet MBESS: SMD), mellan preictal och ictal stegen liksom mellan preictal och postictal stadier.
   1. Ta preictal som baslinjen väljer trettio sekunder (6 värden) fem minuter före beslag debut, då den preictal värde. En liknande tidsfönster av 30 s kan väljas under beslag för att kvantifiera ändringen avseende på preictal scenen genom att använda SMD.

Representative Results

Den slutliga positionen för FOE är i det omgivande cistern, som sett i den axiella och sagittala MRI (Figur 1A övre paneler). Kontakterna hos FOE posten elektrisk aktivitet från flera mesiala strukturer av temporalloben (Figur 1A undre panelen). Efter operationen (Figur 1B vänster panel), är patienten skickas till video-EEG-rummet, där skalpelektroder är placerade enligt med 10-20 system (figur 1B höger). Under vistelsen på video EEG rum, är patienten övervakas kontinuerligt, vilket sparar för ytterligare analys hårbotten och Foe inspelningar, samt video och viktiga konstanter. En typisk rå hårbotten och Foe signaler (Figur 1C) visar utseendet på ett beslag vid den vänstra FOE och dess spridning till hårbotten och högra Foe kontakter.

Representation av epileptogen aktivitet med hjälp avretbarhet (S) (figur 2) som motsvarar de råa EEG-inspelningar från Figur 1C, under övergången från preictal till ictal och postictal perioder. Beslag insättande är märkt med en solid vertikal linje och tid (x-axeln) hänvisas till denna punkt. Värdet S (retbarhet)> 2,5 representerade irriterande eller epileptogen aktivitet ^17,25,26. Högre retbarhet (rödaktiga färger) dök först med högre intensitet på vänster fiende kontakter (LFOE). Detta resultat är överensstämmande med en vänster mesial Temporallobsepilepsi som informeras av en expert neurophysiologist.

Temporal dynamik flera åtgärder nätverks liksom den spektrala entropi (Figur 3) under övergången från preictal till ictal och postictal stadier, vilket motsvarar samma beslag visas i figur 1C och 2. Beslag insättande är märkt med en fast vertical linje och tid (x-axel) hänvisas till denna punkt. I detta fall var det nätverk bygger på hela uppsättningen av elektroder, inklusive både hårbotten och FOE. DOL och ACC-värden var högre under anfall, med en minskning i APL och Mod, vilket tyder på en ökning i den totala anslutning. Under denna period också har lägre nivåer av SE observeras och upprätt efter retbarhet (prickade vertikala linjer) försvinner.

Analysen av nätverksåtgärder ACC, Dols och APL och SE för varje FOE (höger och vänster) (Figur 4) under övergången från preictal till ictal och postictal stadier. Beslag insättande är märkt med en solid vertikal linje och tid (x-axeln) hänvisas till denna punkt. Utvecklingen av denna åtgärd motsvarar samma beslag av figurerna 1, 2 och 3. Ipsilaterala (vänster) mesial ACC, Dols och APL presenterade tidigare och högre förändringar än contralateral värden, vilket kan förklaras av platsen för beslaget debut zonen i den vänstra tinningloben. I detta fall kunde Mod inte beräknas eftersom inga underavdelningar fanns tillgängliga.

En representativ video av funktionella anslutning (Figur 5) under samma anfall i figur 1, 2, 3 och 4 presenterar en kritisk förändring strax efter anfallsdebut (tid 0). Vid denna tidpunkt anslutningen mellan alla elektroderna ökar dramatiskt, vilket kan ses genom en ökning av antalet länkar och tjockleken (intensitet) av att kanterna. Denna ökning startar mellan vänster FOE vid 0,1 och 0,2, och sprider sig till den kontralaterala sidan innan hela nätverket.

fft	4,3	(Statistik paketet) Beräknar Fast Fourier Transform av en signal.
ts	4,4	(Statistik paketet) Skapar en multivariat tidsserieobjekt (MTS). Samplingsfrekvensen bör tillhandahållas.
retbarhet	5.1.1	(hemlagad) funktion baserad på diff R funktion. Beräknar det absoluta värdet av lutningen av signalen och därefter normalisera den till den standardavvikelse kort basperioden. Tröskel bör tillhandahållas.
Spektrala effekttätheten och Spectral entropi	5.1.2	(Hemlagad) funktion baserad på spektrum och entropi R-funktioner. Beräkna det normaliserade effektspektrumet och Shannon entropi av den normaliserade effektspektrumet
ccf	5.2.1	(Bas-paket) beräknar den linjära korskorrelationen för mts objekt genom att använda Pearson korrelations vid noll eftersläpning, generering av en korrelationsmatris. Absolutvärden bör vara calculpade.
graph.adjacency	5.2.2	(Igraph paketet) Skapar en igraph graf, grund objekt som används av följande igraph funktioner
average.path.length	5.2.3	(Igraph paketet) bestämmer den genomsnittliga banlängden av grafen, genom att beräkna det genomsnittliga antalet steg längs de kortaste banorna genom alla nätnoder.
graph.density	5.2.3	(Igraph paketet) Beräknar tätheten av länkar i diagrammet genom att beräkna förhållandet mellan det faktiska antalet länkar och alla möjliga länkar i nätverket.
modularitet	5.2.3	(Igraph paketet) Bestämmer modularitet av grafen, genom beräkning vilka grupper av noder är mer kopplad mellan dem än med andra noder i nätverket
transitivity	5.2,3	(Igraph paketet) Bestämmer genomsnittliga klustring koefficienten av grafen, genom att beräkna andelen angränsande noder som också är grannar till varandra
fassynkronisering	5.2.4	(hemlagad) funktion baserad på FFT R funktion som beräknar medelvärdet samstämmighet fasen för att erhålla värden mellan noll och ett
SMD	5,3	(MBESS paketet) Bestämmer standarden genomsnittlig skillnad -storlek effekter- genom att beräkna skillnaden i medelvärdet mellan grupper i förhållande till den sammanslagna skillnaden

Tabell 1: R-funktioner som används för databehandling.

Figur 1: foramen ovale Elektroder. (A) Slutlig ställningFOE i den omgivande cisternen. Övre paneler visar en axiell (vänster) och sagittala (höger) MRI-bilder visar fienden kontakter plats (vita pilar). En mänsklig prov (kadaver) med en insatt FOE (lägre panel, kontakter märkta med vita pilar). (B) FOE och hårbotten elektrod setup. Patienter huvudet strax efter FOE inför kirurgi (till vänster) och under video EEG vistelse (högra panelen). (C) fiende och hårbotten inspelningar. Komplexa partiella anfall från vänster TLE patient (5 min efter och före anfall början). RFOE1-RFOE6 står för rätt FOE # 1 till # 6 och LFOE1-LFOE6 står för vänster FOE # 1 till # 6. Beslag debut markeras med en vertikal röd linje och en vit pilspets. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2: Representation av en komplex partiella anfall från en vänster TLE patient kvantifieras genom Retbarhet. Färgskalan kvantifierar retbarhet nivå (S) för varje elektrod. Rätt foramen ovale elektrod (RFOE) och vänster foramen ovale elektrod (LFOE) representerar kontakterna på höger och vänster foramen ovale elektroder (y-axel), respektive. X-axeln markerar tid (i min) i förhållande till beslag debut (tjock vertikal linje) som bestäms av en expert neurophysiologist. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3: Hela nätverket (hårbotten + FOE) Åtgärder från samma patient och samma beslag från figur 2. Den genomsnittliga klustring koefficienten (ACC), genomsnittlig väglängd (APL), Densitet av länkar (Dols), modularitet (m) och spektral entropi (SE) för hela nätverket (hårbotten + FOE) är representerade. De vertikala streckade linjerna representerar retbarhet (S). X-axeln markerar tid i förhållande till beslag insättande (tjock vertikal heldragen linje). Ett glidande genomsnitt över tio på varandra följande fönster representeras av en tjock solid svart linje. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4: mesial åtgärder av samma patient från figur 2 och 3. Den genomsnittliga klustring koefficienten (ACC), genomsnittlig banlängd (APL), densitet av länkar (Dols) och spektral entropi (SE) för både vänster och höger foramen ovale elektroder (fiender). De vertikala streckade linjerna markerar retbarhet. X-axeln markerar tid i förhållande till seizure insättande (tjock vertikal heldragen linje). Ett glidande genomsnitt över tio på varandra följande fönster representeras av en tjock solid svart linje. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5: Dynamisk Connectivity mönster under en komplex partiella anfall. Länkar intensitet representeras av tjockleken på kanterna. Times (lägre nummer) är i förhållande till anfallsdebut (tid 0). Varje ram är 5 sekunder lång. Vänster och höger foramen ovale elektroder (L1-L6 och R1-R6) representeras av korall och blå cirklar, respektive. Vänster och höger skalpelektroder representeras av apelsin och cyan cirklar, respektive. Klicka här för att d= Hämta den här filmen.

Discussion

Traditionellt har epilepsi studerade under en zon orienterat synsätt, som isolerat betydelsen av vissa områden, i huvudsak beslag debut zon, som den unika orsaken till anfall. Helt nyligen har ett verkligt nätverk strategi som betonar vikten av samverkan mellan kortikala områden gynnats över den klassiska zonen orienterat perspektiv ^13-17,28. Men den nuvarande mängd bevis mot epilepsi som ett nätverk sjukdomen fortfarande mycket fragmenterad, och mer forskning behövs. Detta arbete syftar till att ny analys uppgifter från traditionella metoder som FOE under komplext nätverk strategi. Protokollet presenteras här beskriver en steg för steg metod procedur för att utföra ett komplext nätverk och spektralanalys av halv invasiva inspelningar i TLE patienter.

Tillämpningen av den teknik som beskrivits ovan har visat nyttan av nätverks strategi jämfört med den mer traditionella locrealiseras eller zon orienterat perspektiv. Under de senaste verk ^17,29 visade det sig att, med hjälp av samma procedur som den som beskrivs här, en obalans i mesiala anslutning i eldfasta TLE patienter är uppenbar. Mesiala anslutning reduceras i den ipsilaterala sidan både under de Interiktal ²⁹ och ictal ^17,29 stadier. Detta resultat kunde inte förutses genom att titta enbart på de områden där epileptogen aktivitet uppstår. Detta på något sätt överraskande resultat beskrevs också med hjälp av teorier nätverk på fMRI-signaler ^30,31. Dessutom har tillämpningen av den kombinerade tekniken FOE + nätverksteori visat likvärdigheten mesiala aktivitet under anfall och under påverkan av en promotor av epileptogen aktivitet, eftersom det är den farmakologiska administreringen av etomidat ^32.

Den teknik som beskrivs här är i stånd att detektera mesiala obalans nätverk i korta Interiktal inspelningar som varar högst ett or två timmar ^29. På detta sätt skulle en drastisk minskning av analystiden och patientsjukhusvistelse uppnås. Dessutom, från en terapeutisk synvinkel, den nuvarande obalansen i TLE patienter kan "lösas" med kroniskt implanterade (av neurokirurger) enheter, så mycket som det sätt det görs i djup hjärnstimulering.

För att uppnå optimala resultat med hjälp av informationen i detta protokoll, bör vissa frågor övervägas i förväg. För det första bör implantation av elektroderna utföras av en erfaren neurokirurg eftersom deras felaktig placering kan orsaka allvarliga neurologiska konsekvenser och vilseledande inspelningar. Dessutom förlitar sig valet av lämpliga epoker för vidare analys helt på neurophysiologist tolkning av rå EEG; Därför är erfarenhet av klinisk EEG analys obligatoriskt. Dataformatet för de exporterade filerna från electroencephalograph beror på de partiCular varumärke; Följaktligen är goda programmeringskunskaper behövs för att anpassa manus till olika dataformat. Slutligen, för att säkerställa tillförlitligheten hos de data som bör kvalitetskontroller tillämpas på resultaten. Överskattning och falska positiva är sannolikt att visas när man arbetar med ett stort antal korrelationer. I sådana fall, statistiska metoder förbättra känsligheten bör användas. I detta avseende är det viktigt att fastställa en tröskel i korrelationerna att göra värden som inte är representativa för en sann underliggande synkronisering. Således, i detta protokoll, en kant mellan noder i och j ska endast anses föreligga om det absoluta värdet av sambandet mellan dessa noder är större än 0,5, ett kriterium som tidigare användes ^17,26. Andra trösklar i intervallet 0,2-0,8 bör användas för att verifiera liknande resultat och för att säkerställa en smidig övergång från en tröskel till följande tröskel. Förutom trösklar, andra methodologies kan användas för att få tillförlitliga resultat, såsom Bonferroni korrigering eller surrogat uppgifter testning. Dessutom när man arbetar med EEG-data, är det viktigt att komma ihåg att hjärnan nätverk är komplexa system med icke-linjär dynamik; Därför, utöver den linjärt samband, andra icke-linjära synkroniseringsåtgärder bör användas för att säkerställa kvaliteten på resultaten, såsom ömsesidig information eller fas synkronisering ^33.

Beräkning anslutning direkt från hårbotten elektroder, som det delvis sker i detta arbete medför vissa risker. Det största problemet vila i förorenings effekt på grund av volymledning, alltid närvarande med hårbotten inspelning. Ett sätt att lösa detta problem är genom att arbeta på källor utrymme, en tilltalande alternativ som används av många forskare. Ett annat tillvägagångssätt kräver användning av åtgärder för synkronisering som minimerar kontaminering av amplitud effekter. Genom att använda synkroniseringsfasen (även kallad fas Locking Value) vi minimera effekten av volymledning, eftersom det visades i flera ³⁴ verk.

Liksom i andra invasiva neurofysiologiska tekniker, kan inspelningar från FOE inte erhållas från kontrollpersoner, ett faktum som allvarligt begränsar användningen av vissa forskningsprotokoll. Data från fiende inspelningar ge värdefull information om mesial temporalloben aktivitet ^17,29,35, särskilt under later till epileptiska sidan i TLE patienter ^33. Jämfört med invasiva tekniker, är FOE tekniken icke-traumatisk för hjärnan och involverar relativt enkel manipulation, och dess inspelningar är av hög kvalitet över långa tidsperioder ^11. Jämfört med MRI, FOE inspelningar ger bättre tidsupplösning av electrocortical aktivitet. Dessutom finns det många möjligheter att utforska andra än de som används i detta arbete åtgärder. Dessa fakta ökar också möjligheten att analysera flera biomedicinska inspelningarsamtidigt. Dessa fördelar FOE inspelningar i kombination med komplexa nätverk och spektralanalys gör denna teknik ett kraftfullt verktyg för epilepsi forskning med potentiella tillämpningar inom klinisk praxis.

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