Brain Stimulation | 同时进行立体脑电图和高密度头皮脑电图记录以研究脑内刺激参数的影响

本文摘自：Brain Stimulation《Simultaneous stereo-EEG and high-density scalp EEG recordings to study the effects of intracerebral stimulation parameters》

作者：S. Parmigiani, E. Mikulan, S. Russo, S. Sarasso, F.M. Zauli, A. Rubino,A. Cattani, M. Fecchio, D. Giampiccolo, J. Lanzone, P. D'Orio,M. Del Vecchio, P. Avanzini, L. Nobili, I. Sartori, M. Massimini, A. Pigorini

单位：意大利米兰大学生物医学和临床科学系，意大利米兰大学哲学系，美国波士顿大学数学与统计系，美国麻省总医院神经科神经技术和神经恢复中心，意大利维罗纳大学神经科学、生物医学和运动科学系神经外科，英国伦敦大学神经病学研究所临床和实验癫痫学系，英国伦敦皇后广场国立神经病学和神经外科医院Victor Horsley神经外科部门，英国伦敦克利夫兰诊所神经科学研究所，罗马大学系统医学系，意大利米兰研究所神经康复部

背景:通过立体脑电图（SEEG）记录的皮质诱发电位（CCEPs）是研究大脑反应性和有效连接的宝贵工具。然而，有创记录在空间上是稀疏的，因为它们取决于临床需要。这种稀疏性阻碍了跨受试者的系统比较、检测皮层内刺激的全脑效应，以及它们与非侵入性刺激诱发的脑电图反应的关系。

目的:证明由高密度脑电图（hd-EEG）记录的CCEPs可以提供比SEEG更多的信息，并提供一个开放的、经过整理的数据集，以便进一步探索其潜力。

方法:该数据集包括在耐药性癫痫患者的单脉冲电刺激(SPES)过程中同时采集的SEEG和高清脑电图记录，这些患者接受了不同物理、几何和拓扑参数的刺激。CCEPs的差异通过振幅、潜伏期和频谱测量进行评估。

结果:虽然侵入性和非侵入性记录的CCEPs通常是相关的，但hd-EEG能更好地捕获脉冲持续时间、角度和刺激皮质面积的差异。此外，颅内刺激诱发了部位特异性hd-EEG反应，再现了经颅磁刺激(TMS)EEG反应的频谱特征。

      值得注意的是，尽管受试者未察觉到SPES，但其引起的头皮反应比清醒人类中通常由感觉刺激诱发的反应大一个数量级。

结论:CCEPs可以与SEEG和hd-EEG同时记录，后者为SPES的效果提供了可靠的描述，也为比较皮层内刺激的全脑效果与人类非侵入性经颅或感觉刺激的效果提供了共同参考。

      皮质内电刺激是外科手术计划的宝贵工具，可直接评估人类的大脑诱发反应性和有效连接性。临床方案通常将单脉冲电刺激（SPES）与立体定向脑电图（SEEG）相结合，在脑内电极探索的区域诱发反应。 

      单脉冲电刺激是为了定位局灶性耐药性癫痫患者致痫活动的起源和扩散，通常会引起一致的皮质诱发电位（CCEPs），其特征反映了基础神经组织的生理和病理特征。

      由于其高功能特异性、信号保真度以及高空间和时间分辨率，CCEPs可被用作评估大脑反应性和有效连接的电生理工具，补充功能和结构连接测量。然而，有创记录必然是稀疏的，因为脑内电极通常被限定在有限的脑区，根据临床需要，每个受试者的情况不同。

      电极放置的可变性和稀疏性显然限制了对不同受试者的系统比较，限制了对全脑刺激效应的检测，也限制了CCEPs和其他EEG电位的直接比较，如那些由非侵入性感觉、电或磁刺激诱发的电位。

      本研究的第一个目的是通过同时采集高密度EEG记录来克服这些限制，该记录提供了一个固定的观察点，以可靠地比较受试者的SPE诱发的反应，并评估其振幅和潜伏期以及头皮水平的频谱特性。

      具体来说，我们分析了不同刺激参数的系统操作对清醒时SEEG和头皮脑电图记录的CCEPs的影响。这些包括物理(脉冲强度和宽度)、几何(相对于白/灰质的角度和位置)和拓扑(刺激的皮层区域)刺激参数。

      第二个目的是描述在头皮脑电图水平上刺激不同皮质区域所诱发的CCEPs的频谱特性，以验证以前用经颅磁刺激结合头皮脑电图（TMS-EEG）获得的结果，该结果显示对TMS的脑电图反应的主导频率有一个自上而下的梯度。

      本研究的第三个目的是评估大脑对头皮记录的临床直接皮质刺激反应的幅度，与感觉刺激或TMS后记录的典型脑电图反应的幅度相比。

      最后，为了允许更全面的数据挖掘和充分探索SPES期间颅内和头皮脑电图同步记录的潜力，我们提供了对这里报告的数据集的开放访问。

方法

      参与者。来自意大利米兰 "Claudio Munari "癫痫手术中心的总共36名患者参加了这项研究。所有受试者都有耐药性、局灶性癫痫病史，并且是手术切除/消融癫痫发作区（SOZ）的候选人。

      31名患者在核磁共振成像中没有显示任何解剖学上的畸形，而其他5名患者显示出小的解剖学上的改变。所有患者都没有神经系统或神经心理学方面的缺陷。被调查的半球和电极的位置是根据电临床数据决定的。

同时进行SEEG和高清脑电图记录。在住院治疗的1-3周内，以1000赫兹的采样率连续记录SEEG活动。所有采集都参考了两个完全位于白质的相邻触点。

      在住院治疗的最后一天，本研究中的所有受试者通过高密度脑电图(hd-EEG - 256通道、EGI)进行了同步头皮无创记录。在头部放置hd-EEG电极帽是由训练有素的神经外科医生使用无菌技术进行的，遵循准确的分步方案：

      （1）对电极帽进行消毒，（2）从受试者的头部去除保护性绷带，（3）用Betadine和Clorexan进行皮肤消毒，（4）固定hd-EEG电极帽，以及（5）使用导电凝胶将阻抗降至25-50千欧以下。

      这种设置的一个例子如图1所示。然后使用参考Cz的EGI NA-400放大器(EGI)以1000 Hz采样速率记录Hd-EEG。使用外部触发盒产生的数字触发信号对SEEG和hd-EEG记录进行比对。

图为EGI高密度脑电

      在同时数据采集结束时，将hd-EEG接触点和解剖基准的空间位置数字化，并与植入前3D-T1 MRI进行共配准。然后取下电极帽，再次对皮肤消毒。

      单脉冲电刺激。在同时进行hd-EEG和SEEG记录时，在同一电极相邻的颅内接触点之间注入单双相电脉冲（正-负），刺激间隔至少为1秒，强度和脉冲宽度范围很广（见下段）。

       从所有其他SEEG接触点以及256个头皮hd-EEG接触点连续记录大脑活动。一个刺激疗程包括30/40次连续试验。不同受试者的疗程数量不同。本工作中包括的所有疗程都是按照以下标准选择的：

      刺激(i)通过远离SOZ的双极接触进行（由电学病理活动表明，并由手术后评估确认）；(ii)通过没有显示自发发作间歇性癫痫活动的双极接触进行；(iii)没有引起肌肉抽搐、体感或认知表现。

      物理、几何和拓扑刺激参数。这项工作包括在术前评估背景下收集的数据集，在此期间根据临床评估实施了SPES，因此采用了不同的刺激参数。回顾过去，我们决定将这些参数分为三类，即物理、几何和拓扑。

      物理刺激参数包括(I)刺激强度和(ii)脉冲宽度。刺激强度范围为0.1 mA至5 mA。具体而言，SPES在0.1 mA、0.5 mA、1 mA、3 mA和5 mA下给药。

      鉴于在强度≤ 1 mA的情况下进行的疗程数较少，我们将其分组，并将这些疗程仅用于刺激强度分析。脉冲宽度改为0.5 ms或1 ms。几何刺激参数指(I)刺激双极接触相对于灰质和白质之间界面的位置，以及

      (ii)SEEG电极相对于皮质表面的插入角度。为了导出这两个参数，我们使用了用Freesurfer获得的灰色和白色物质的三维网格。

图1  实验装置。D组：左图为多导线脑内电极的轮廓。右图，刺激参数类别概述：物理、几何和拓扑结构。E组：脑内SEEG（红色）和hd-EEG（蓝色）信号的例子，在提供不同的物理（3毫安与5毫安）、几何（白质与灰质）和拓扑（顶叶与额叶）参数的SPES时，从有代表性的双极触点记录。

      使用trimesh库，将灰/白质边界的距离计算为刺激性双极接触的中心与白质网格上最近的点之间的距离（见图1D和3A）。然后，双极接触的距离被归纳为三类：灰质的两个接触（GG），白质的两个接触（WW）和灰质的一个接触和白质的一个接触（GW）。

图3 hd-EEG和SEEG对不同物理刺激参数下的SPES反应：强度和脉冲持续时间。A组：左图为不同脉冲强度的轮廓；右图为所有受试者和疗程中获得的数据的总平均值。

      使用由SEEG形成的矢量计算相对于皮质表面的角度 双极接触，以及白质网格的最近段的法向量。然后，就皮质表面而言，这些角度被分为两类:平行和垂直。

      拓扑刺激参数包括以下受刺激的皮质区域。扣带皮层、额叶皮层、内丘、枕叶皮层、顶叶皮层、颞叶皮层，使用Desikan-Killiany图谱进行解剖学标记。

数据预处理。对SEEG和hd-EEG CCEPs的联合视觉检查允许保留323/379个片段（~85%），排除9个在头皮或脑内EEG水平上显示诱发癫痫尖峰的片段，以及47个由于整体数据质量差或存在发作间期活动而导致保留试验数量低于25的片段。

振幅分析。通过测量CCEP波形的标准特征(N1和N2的幅度和潜伏期)以及总体反应的替代测量值，在SEEG和hd-EEG水平评估了SPES参数的影响(图2)。

      具体而言，在SEEG水平上，后者被量化为对SPES有显著CCEP效应(基线STD 6以上，图2B)的接触者数量，而N1和N2的振幅和潜伏期是在单个接触水平上获得的，然后在接触者之间取平均值。

      相反，在hd-EEG水平上，总体响应作为全局平均场功率获得(GMFP，0 ms和500 ms之间，图2B中蓝色阴影区域)，N1和N2的幅度和潜伏期分别在0-50 ms(图2中虚线和点垂直线)和50 ms-300 ms时间窗内被检测为GMFP(图2B中黑色圆圈)的最大峰值。

      我们在头皮和颅内记录之间使用了稍微不同的通道，以使测量结果具有可比性，因为由于它们记录的信号的内在差异，不可能在两个层面上使用准确的测量结果。

      在SEEG和HD-EEG水平上，信噪比被计算为10毫秒到500毫秒之间的刺激后活动与显示最大刺激后振幅的接触基线（从-300毫秒到-10毫秒）之间的比率，以dB表示（即10*log10（信号/基线））。

光谱分析。为了验证先前TMS-EEG研究的结果，我们比较了枕叶、顶叶和额叶皮质刺激诱发的CCEPs的光谱特性，以评估头尾梯度的存在。

对于每个疗程，我们计算了与事件相关的光谱扰动(ERSP)，并对所有接触点进行了平均。在10 ms至150 ms之间的时间内，累积得到的平均ERSPs。

      这里，与TMS-EEG实验不同，我们将主频率表征为累积频谱的平均频率，而不是其峰值频率，因为后者由颅内电刺激诱发的常规N1-N2复合波支配，这是所有刺激部位共有的特征(也参见图6B)。

统计分析。SEEG和hd-EEG测量值之间的相关性采用非参数Spearman相关分析。使用Kruskal-Wallis检验(KW)评估多组之间的差异，然后进行事后Wilcoxon秩和检验(WR，使用错误发现率法(FDR)校正了多次比较)。

      刺激参数之间的统计交互作用是用方差分析法（ANOVA）进行的。所有的描述性数值都以平均值±标准差的形式在稿件中报告。图中的箱线图使用标准参数（第25和75百分位数和1.5 *四分位数范围）。所有的统计分析都在R语言中进行。

公开数据集。所有经过预处理的记录都可以在EBRAINS平台和Open Science Framework公开获取。数据集以BIDS格式提供，包括:从36名受试者获得的总计323次SPES会议的同时收集的hd-EEG和SEEG。

      此外，它还包括原始MRI空间、MNI152空间和Freesurfer表面空间中的刺激触点的空间位置，以及185个头皮EEG电极的数字化位置。它还包含每个受试者的MRI，用AnonyMi进行了识别。

      据我们所知，这是第一次用SEEG和头皮hd-EEG同时研究皮层内SPES的反应，因为以前的同时记录只在使用低密度标准10-20系统时对自发活动进行了记录。

      在此，我们对36名接受SPES手术前评估的清醒耐药癫痫患者同时进行了头皮hd-EEG和颅内SEEG的记录（见图1A-B-C）。

图1 A、B、C

      总的来说，我们的数据集包括323次无伪迹的记录，包括不同的刺激参数，这些参数分为三类（见图1D）：物理（刺激强度和脉冲宽度），几何（双极接触相对于灰/白质的位置和电极相对于皮质表面的角度），和拓扑（刺激的皮质面积）。

      重要的是，整个数据集可在EBRAINS平台和Open Science Framework上获得，不仅包括同时进行的有创和无创电生理记录，还包括单个去识别的MRI。

      除了本手稿的特定目的之外，所提供的数据集将不仅允许进一步比较不同尺度下的电生理记录(例如，以测试源定位算法)，而且允许研究在形成对颅内刺激的响应中涉及的其他因素，例如，从个体MRI导出的解剖特征、来自模板共配准的结构连通性等。

CCEPs的一般特征在SEEG和hd-EEG中一致。根据不同试验的R2评估，CCEPs在不同的试验中具有很高的可重复性（图1C），并且在脑内和脑电图记录中都具有高信噪比的特点（图1D）。

      我们首先通过计算hd-EEG水平的GMFP（0毫秒和500毫秒之间的累计）和SEEG水平的明显反应接触的百分比来量化对SPES反应的总体强度（图2B）。然后，我们通过测量所有时段的N1和N2的平均振幅来评估CCEPs的波形(图2B和方法)。

      尽管在单个接触水平显示了不同的波形(例如参见图1E)，hd-EEG和SEEG平均显示了相似的波形，其特征在于典型的N1和N2分量的显著性，如图2A所示。

      N1和N2的hd-EEG平均振幅分别为9.5±5.04mV和11.36±9.86mV，SEEG的z值分别为13.90±7.04和15.20±7.02。hd-EEG对应的N1和N2平均潜伏期分别为16.79±7.08 ms和164.31±48.39 ms；SEEG为8.31±3.75毫秒，为211.96±70.95毫秒。

      重要的是，我们发现SEEG和hd-EEG在振幅上呈显著正相关(图2C)，但在潜伏期上无显著正相关。

      此外，振幅相关性虽然显著，但远非完整。这表明，尽管可以在两个水平上捕获CCEPs的一般特征，但hd-EEG和SEEG对物理、几何和拓扑刺激参数的敏感性不同，如以下段落中报告的分析所证实的。

物理刺激参数:脉冲强度和宽度的影响。当在SEEG和hd-EEG水平测量N1、N2和总体反应强度时，CCEPs中可以意识到刺激强度变化的影响(图3A)。

使用KW进行的统计分析和使用WR检验进行的事后成对比较显示，SEEG和hd-EEG均可完全捕捉三种刺激强度(≤1 mA、3 mA和5 mA)之间的差异(图3B)。

      具体来说，SEEG显示，对SPES有反应的接触者的百分比、N1振幅和N2振幅都有显著差异。同样，hd-EEG在GMFP、N1的振幅以及N2中显示出明显的差异。

      与以前的文献不同，我们发现不同刺激强度的潜伏期没有明显的差异；这可能是由于在SEEG接触中N1的多个潜伏期的平均化。相反，仅通过hd-EEG捕获了脉冲宽度差异(0.5 ms对1 ms)，而SEEG未捕获(图3C)。

      具体而言，在hd-EEG水平上，WR测试显示1 ms时GMFP、N1波幅和N2波幅明显大于0.5 ms脉宽时(图3D)。在潜伏期方面没有观察到明显的差异。值得注意的是，两个物理刺激参数（强度和宽度）都没有受到任何特定空间分布的影响。

      总的来说，这些结果与以前的脑内研究是一致的，这些研究表明N1和N2成分的振幅以及更普遍的CCEPs的振幅取决于注入的电流的大小。

图3D

      然而，虽然刺激强度的影响已被明确描述，但脉冲宽度的影响在整个文献中却不太一致。在这里，较长脉宽的刺激所引起的较大的hd-EEG反应可能表明有更大的网络参与，意味着更广泛的多突触激活和复发性活动。

      总之，用全脑hd-EEG测量来补充脑内探索证实了以前关于刺激强度的研究结果，并表明脉冲宽度的影响可能不会被单独的SEEG记录完全捕获。

几何刺激参数:接触位置相对于皮质的影响。首先，我们评估了在距灰白质界面不同距离处刺激时对SPES的SEEG和hd-EEG反应(以GG/GW/WW操作；图4A)。

我们观察到，通过KW统计分析评估，该几何刺激参数在SEEG和hd-EEG水平均影响CCEPs。具体来说，在hd-EEG水平上的所有措施都是如此。相反，在SEEG水平上，只有反应接触的百分比和N2的振幅显示出明显的差异，而N1的振幅则没有明显的影响。

图4在不同几何刺激参数下对SPES的Hd-EEG和SEEG反应。 

      特别是，除SEEG N1外，事后比较显示，相对于GW刺激，WW刺激更有效(即CCEP反应更大)，而GW刺激又比GG刺激更有效(图4B)。与此一致，我们还发现当刺激白质时，N1和N2的潜伏期都更短(GG > GW > WW)。

      值得注意的是，这仅在hd-EEG中观察到，而在SEEG未观察到。我们考虑的第二个几何参数是相对于灰白质界面的角度（操作为平行/垂直，图4C）。在这种情况下（图3C），垂直刺激仅在hd-EEG水平上导致明显较大的反应。

相反，没有一项SEEG措施显示出显著差异。未观察到潜伏期有显著差异。值得注意的是，两个几何参数(白质距离和角度)均未受到任何特定空间分布的影响。

      关于脑内技术的研究主要集中在几何刺激参数的影响上，以优化深脑刺激方案。根据这些研究，电极位置以及方向的微小差异可以在激活的白质通路中产生相当大的差异。与这些发现一致，在WW和垂直刺激下观察到的较大和较快的hd-EEG反应可以归因于白质纤维束的更广泛参与。

物理和几何刺激参数之间的相互作用。上述刺激参数原则上可以在不同层次上相互作用。然而，所有探索的物理和几何参数的相互作用的模型将需要更大的样本。

出于这个原因，我们用成对的双变量方差分析来测试相互作用。总体上，我们仅在hd-EEG水平观察到脉冲宽度/角度、脉冲宽度/与白质的距离、强度/与白质的距离方面的显著相互作用。

      具体来说，前两个发现GMFP和N2振幅，而后者只发现N1振幅。虽然可以想象，在更接近或垂直于白质纤维束的情况下，更长的脉宽和更高的强度可能会产生更强的影响，但未来的研究包括更大的样本量和多变量分析，以达到对这些相互作用的详尽解释。

      然而，这些结果只能从头皮上观察到，这一事实再次证明了同步记录的价值，以及它们发现可能由于空间限制而未被发现的效果的能力。

拓扑刺激参数:刺激不同区域的效果。此外，我们评估了对不同皮质区域的刺激是否与CCEP振幅的差异相关。在hd-EEG水平，我们系统观察到，额叶皮质的刺激反应大于其他皮质区域的刺激反应。

      具体而言，如图5C所示，KW检验和Wilcoxon Rank Sum事后成对比较显示所有测量值在hd-EEG水平上存在显著差异。相反，在所有考虑过的SEEG措施中，只有N1表现出显著效果。

图5通过不同皮质中的接触递送的对SPES的Hd-EEG和SEEG反应(拓扑参数)

      重要的是，在hd-EEG水平上，所报告的测量值均与SPES部位的深度无关。

值得注意的是，仅在hd-EEG水平观察到潜伏期差异，我们发现刺激扣带回、颞叶和岛叶皮质会导致枕叶、额叶和顶叶皮质的N1潜伏期延长。

      所有这些结果都要求 谨慎的解释，因为物理和几何刺激参数在皮质之间不是完全平衡的；将需要更大的数据集来得出更可靠的结论。

      然而，额叶皮质对SPES的高振幅反应可能是由于与显著性相关的前循环直接参与造成的，这些前循环被认为是产生高振幅头皮EEG图形元素(如K复合波和顶点波)的原因。有趣的是，后者是清醒大脑中感觉刺激可诱发的最大图形元素，平均为25 mV，峰间最大振幅为35 mV。

有创与无创脑刺激技术的比较。在我们的数据集中，Cz处的CCEPs电压平均为43.42 mV（平均参考值；参考乳突时为53.1 mV），达到172.16 mV（平均参考值；参考乳突时为214.43 mV）的峰-峰最大值，因此远远大于清醒时记录的任何感觉诱发电位。

事实上，感觉（听觉、体感或视觉）诱发电位的范围可能从几分之一微伏到几微伏。

      当考虑CCEPs对受试者意识的影响时，这一发现尤其有趣:尽管引起了皮质回路的大量和长期激活，但我们的颅内刺激均未导致任何可报告的知觉事件。

      有趣的是，与TMS诱发电位(TEP)相比，CCEPs在头皮EEG水平的电压也始终较大，后者的幅度通常约为20 mV。

      与此同时，我们的结果显示，与TMS相似，SPES可引出持续数百毫秒的大EEG成分，从而证实了晚期成分反映了直接皮质激活而非外周激活的效应这一观点。

      更重要的是，将hd-EEG与SPES相结合，可以直接比较侵入性和非侵入性(TMS)刺激方法在扰动不同部位大脑时在局部和全脑水平出现的频谱特性，如TMS-EEG研究中那样。

      这是通过计算SEEG和hd-EEG在刺激枕叶、顶叶或额叶皮质时采集的CCEPs的时间-频谱(ERSP)来完成的(图6A和B)。

      随着时间的推移(在5 ms和150 ms之间)累积这些ERSPs产生了每个刺激位置的频谱轮廓，其总体平均值在图6C和图6d中示出。该分析表明，由枕叶、顶叶和额叶皮质的刺激诱发的CCEPs的特征在于平均频率的头尾部梯度，即枕叶<顶叶<额叶(图6C和图6d)。

      这些差异在hd-EEG和SEEG水平(通过KW测试和事后单尾WR测试评估)下均显著。我们还对扣带回、岛叶和颞皮质的主要频率进行了额外分析。这些结果是用一种非常不同的扰动(皮质内SPES)获得的，证实了先前用TMS-EEG获得的观察结果，并推广了特定频率调谐的概念，即皮质回路的固有频率。

结论

      目前的结果显示，hd-EEG记录的CCEPs与侵入性SEEG记录获得的CCEPs总体一致。重要的是，它们表明宏观尺度的hd-EEG记录对刺激参数的变化(包括物理和几何刺激特性的局部变化)非常敏感，同时克服了稀疏记录的典型局限性。

      具体来说，hd-EEG可以捕捉SEEG单独无法检测到的振幅和潜伏期的差异，因此，这表明用全脑记录来补充侵入性技术，可以发现原本可能未被发现的效应。

      总的来说，在全脑水平上研究和比较多种局部皮质内扰动的影响的可能性开辟了有趣的研究领域。例如，它可以提供研究认知功能所需的广阔空间覆盖和跨学科参考点，这通常需要广泛的区域网络。

      此外，它可以用一个有效的连接体补充当前关于结构和功能连接体的数据集，从而在头皮EEG的共同记录空间中从因果角度系统地研究皮质内相互作用，并对时空动态进行评估。

      此外，hd-EEG记录允许在CCEPs和由非侵入性刺激诱发的其他电位之间进行直接比较。例如，EEG对SPE的反应再现了先前TMS-EEG测量显示的头尾部光谱梯度。

      一个有趣的发现是，SPES诱发的反应系统地大于在清醒时诱发的任何感觉诱发电位。考虑到本研究中包含的刺激均未引发任何知觉事件，这一点尤为显著。

      按照这些思路，未来涉及SPES和hd-EEG(结合更多的生态刺激)的研究应调查为什么一些大脑反应与知觉事件相关，而其他反应尽管更大且持续时间更长，但与知觉事件无关。