Samtidig electroencefalografi (EEG) og funktionel magnetisk resonans (fMRI) er et kraftfuldt neuroimaging værktøj. Imidlertid indersiden af en MR scanner danner et vanskeligt miljø for EEG dataregistrering og sikkerhed skal overvejes ved betjening EEG udstyr i en scanner. Her præsenterer vi en optimeret EEG-fMRI dataopsamling protokol.
Samtidig EEG-fMRI muliggør fremragende tidsmæssige opløsning af EEG skal kombineres med den høje rumlige nøjagtighed fMRI. Dataene fra disse to modaliteter kan kombineres på en række måder, men alle er afhængige af køb af høj kvalitet EEG og fMRI data. EEG data erhvervet under samtidige fMRI påvirkes af flere artefakter, herunder gradient artefakt (på grund af de skiftende magnetfeltgradienter kræves for fMRI), pulsen artefakt (knyttet til hjertets cyklus) og bevægelse artefakter (som følge af bevægelser i stærke magnetiske felt af scanneren, og muskelaktivitet). Post-metoder til forarbejdning af succes korrigere gradient og puls artefakter kræver en række kriterier, der skal opfyldes i løbet af dataindsamling. Minimering hoved bevægelse under EEG-fMRI er også afgørende for at begrænse frembringelse af artefakter.
Interaktioner mellem radiofrekvens (RF) impulser, der er nødvendige for MR og the EEG hardware kan forekomme og kan bevirke en opvarmning. Dette er kun en betydelig risiko, hvis retningslinjer for sikkerhed ikke er opfyldt. Hardware design og set-up, samt omhyggelig udvælgelse af hvilke MR-sekvenser køres med EEG hardware til stede skal derfor overvejes.
Ovennævnte spørgsmål fremhæve betydningen af valget af den eksperimentelle anvendte protokol, når du udfører en simultan EEG-fMRI eksperiment. Baseret på tidligere forskning beskriver vi en optimal eksperimentelt set-up. Det giver høj kvalitet EEG data under samtidige fMRI, når du bruger kommercielle EEG og fMRI systemer med sikkerhedsrisici til minimeret emne. Vi demonstrere dette set-up i et EEG-fMRI eksperiment ved hjælp af en simpel visuel stimulus. Dog kan meget mere komplekse stimuli anvendes. Her viser vi EEG-fMRI opsætning med en Brain Products GmbH (Gilching, Tyskland) MRplus, 32 kanals EEG-system i forbindelse med en Philips Achieva (Best, Holland) 3T MR-skanner, selvommange af de teknikker kan overføres til andre systemer.
Samtidig electroencefalografi (EEG) og funktionel magnetisk resonans (fMRI) gør det fremragende tidsmæssige opløsning af EEG til at blive kombineret med høj rumlig nøjagtighed fMRI. Der er en række måder, hvorpå data fra disse to modaliteter kan kombineres 1, men alle er afhængige af køb af høj kvalitet EEG og fMRI data. Til dato har samtidig EEG-fMRI blevet brugt til at studere sammenhængen mellem oscillerende rytmer (målt med EEG) og blodets iltning svar (ved hjælp af blodets iltning niveau afhængig (fed) fMRI), f.eks 2,3. Det er også blevet anvendt til at undersøge, om de særlige kendetegn ved den fremkaldte signal kan forklare variansen i BOLD signal på en prøve-for-prøve basis 4,5. I kliniske undersøgelser den primære brug af teknik har været at undersøge foci af interictal epileptiske udladninger, som kan hjælpe i kirurgisk planlægning og er i øjeblikket vanskeligt at lokalisere ikke-invasivt6,7. For at opnå en sammensmeltning af EEG og fMRI data, som ønskes, er det vigtigt at have høj kvalitet data fra begge metoder. Men EEG data indhentet under samtidig fMRI påvirket af flere artefakter, herunder gradient artefakt (på grund af de skiftende magnetfelter, der kræves for fMRI), pulsen artefakt (knyttet til hjertets cyklus) og bevægelse artefakter (som følge af bevægelser i den stærke magnetfelt af scanneren, samt muskel aktivitet). Disse artefakter er væsentligt større end den neuronale aktivitet af interesse, og derfor reduktion (ved kilden) og korrektion af artefakterne (via post-processing) er begge nødvendige for, at en vellykket gennemførelse af samtidige EEG-fMRI.
De post-forarbejdningsmetoder øjeblikket er til rådighed til at korrigere gradient og puls artefakter kræver en række kriterier, der skal opfyldes i løbet af dataindsamling for at producere høj kvalitet EEG data. I det foregående årti optimal eksperimentelle set-up til optagelse af høj kvalitet data har udviklet sig som vores forståelse af årsagerne til artefakter 8-10 er forbedret, og vi har lært at ændre eksperimentelle metoder for at reducere artefakter ved kilden 11,12 og for at forbedre udførelse af efterbehandling korrektion algoritmer. Denne udvikling omfatter forbedring prøvetagning af gradienten kurveformer via synkronisering af scanner ure 13,14 og brug af en vectocardiogram 15,16 for at give et renere hjerte spor end den traditionelle EKG. Den vectocardiogram spor stammer fra fire elektroder placeret på brystet med et strenge low-pass filter ansat 14-16. Som et resultat af spor er relativt upåvirket af gradient artefakter og er ufølsom over for blodgennemstrømningen artefakt gør R-topdetektion lettere. Men mulighed for at optage en vectocardiogram er ikke tilgængelig på alle MR-scannere, og derfor kun vil blive nævnt kort i denne sTudy. Betydningen af minimering af artefakter og stringent rengøring af data er blevet understreget af den seneste demonstration af, at bevægelsesartefakter registreres i EEG data kan korrelere med BOLD aktivitet relateret til opgaven med renter, der producerer falske resultater, hvis ekstrem pleje ikke er taget i hele eksperimenterende proces 17..
Metoden præsenteres her repræsenterer den nuværende optimale metode til at opnå høj kvalitet EEG og fMRI data samtidigt med MR hardware og puls sekvenser, der er bredt tilgængelige, sammen med kommercielt leverede EEG udstyr. Gennemførelsen af den foreslåede erhvervelse metode i forbindelse med brug af passende post-forarbejdningsmetoder, udbytte vil EEG og fMRI data, der kan bruges til at besvare en række vigtige neurovidenskab spørgsmål.
Generelle råd Da den fysiske indretning af alle scanner værelser er forskellige, vi anerkender, at du ikke kan være i stand til at positionere dit EEG forstærkere uden boring magneten. I dette tilfælde et godt kompromis er at placere forstærkerne på en tyk gummipude for at afkoble dem fra scanner vibrationer så meget muligt. Hvis du synes, at gradient artefakt korrektion ikke fungerer godt, så tjek de tidspunkter mellem volumen eller skive markører, da det er sandsynligt i dette tilfælde, at TR, der har været input til MR-konsollen ikke er netop den TR der bliver genereret . I dette tilfælde skal du kontakte den relevante MR scanner producenten for yderligere hjælp.
De vigtigste trin i processen med EEG dataopsamling under samtidig fMRI er dem, der træffes for at sikre, at alle eksterne støjkilder er blevet minimeret (f.eks cyrocooler pumper og vibrationer af EEG udstyr). Til allow optimal gradient artefakt korrektion er det vigtigt at sikre, at de EEG og MR scanner ure er synkroniseret, den skive TR er et multiplum af scanneren clock periode, og at emnet er optimalt placeret. For at sikre optimale puls artifact korrektion mange teknikker kræver en ren hjerte spor, hvorfra R-toppe kan påvises, foreslår vi, at dette bedst kan opnås ved hjælp af en VCG, selv om det også er muligt med et godt positioneret EKG-afledning. Hvis hjælp af EKG-så det anbefales at placere dette i bunden af ryggen for at maksimere signal-støj-forholdet af R-top med den ekstra fordel af dette er en lettere website til at åbne end en position nær hjertet 23. Placering af EKG-afledningen på brystet resultater i bevægelsesartefakter grund respiration bliver tilføjet til sporet fra denne bly samt forårsager gradient artefakt at variere over tid. Dette kan resultere i trace mætte og / eller gradient artifact korrektion ikke arbejder på grund af template variabilitetog kan derfor ikke anbefales.
Generel diskussion EEG-fMRI er et kraftfuldt værktøj til at studere hjernens funktion, da høj tidslig opløsning på EEG kan kombineres med høj rumlig opløsning fMRI. Til dato har en række undersøgelser brugt denne multimodal metode til at få en bedre forståelse af hjernens funktion. EEG-fMRI er blevet anvendt til raske frivillige for at undersøge sammenhængen mellem oscillerende rytmer (målt med EEG) og blodets iltning reaktioner (ved hjælp af BOLD fMRI) fx 2,3. Det er også blevet anvendt til at undersøge om egenskaber fremkaldte signal kan forklare variansen i BOLD signal på en prøve-for-prøve basis 4,5. I kliniske undersøgelser den primære brug af teknik har været at undersøge foci af interictal epileptiske udladninger, som er meget vanskeligt at lokalisere ikke-invasivt 6,7. Disse eksempler viser kraften i denne multi-modal imagING værktøj. Men for at muliggøre undersøgelsen af disse fænomener, er det vigtigt at have adgang til den bedst mulige kvalitet af EEG og MR data. For at opnå dette inden for MR-skanner er det vigtigt at have den bedste eksperimentelle set-up, og også at vælge de mest hensigtsmæssige analysemetoder. De optimale analysemetoder vil til en vis grad afhænge af forskningen spørgsmålet om renter, som det vil korrektionen metoder, der anvendes til fjernelse af artefakter. For eksempel størrelsen og antallet af bevægelser, der har forekommet under optagelsen vil bestemme den mest effektive kombination af algoritmer til at fjerne gradient artefakt. Men den optimale eksperimentelle set-up af EEG og fMRI hardware er relativt uafhængig af særlige forskningsforhold spørgsmål. Retningslinjerne, der er skitseret her, er derfor af almen værdi, og kan følges ved forsøg med forskellige EEG og MR scanner hardware, end vi brugte.
Her har vi vist erhvervelse metoder, der skulle popped skal følges for at opnå høj kvalitet EEG og fMRI data. Vi anvendte en visuel stimulus baseret på en tidligere anvendt stimulus paradigme 24. Imidlertid kan de samme teknikker til dataopsamling anvendes uanset paradigme anvendes til at stimulere hjernens aktivitet af interesse. Når du vælger din paradigme skal det bemærkes, at kvaliteten af EEG data, der kan opnås, når der optages inde i MR-miljø med de teknikker øjeblikket er til rådighed for brugerne (og beskrevet her) stadig placere nogle begrænsninger på hjernen aktivitet, der kan studeres: der er særlige vanskeligheder i optage EEG aktivitet i lav (<5 Hz) og høj frekvens (> 80 Hz) bånd, hvor residual puls og gradient artefakter kan opholde. Derudover skal der udvises forsigtighed, når de vælger paradigmet således at muligheden for emnet bevægelse i tilknytning til opgaven er minimeret. Dette er et problem, fordi bevægelsesartefakter i EEG data er ofte vanskelige at rette og små artefakter kan værevanskeligt at identificere klart, selv om de stadig kan dominere neuronale signaler. Disse bevægelsesartefakter kan forårsage falske men plausible korrelationer med fMRI data 17..
Post-forarbejdningsmetoder til samtidig EEG-fMRI er talrige og som sådan deres diskussion er uden for rammerne af dette arbejde. Som tidligere nævnt gradienten og puls artefakt kan fjernes ved hjælp af en række teknikker, som omfatter gennemsnitlig artefakt subtraktion 18,19, uafhængig komponent analyse 20,21, optimal basis sæt 22 og stråleformere 25. Ofte en kombination af disse metoder kan anvendes 23 og udførelsen af metoderne er afhængig af faktorer, såsom den magnetiske feltstyrke og den anvendte paradigme. De optimale efterbehandling metoder til en specifik undersøgelse, vil også afhænge af de signaler, Uddrag af data, uanset om disse er oscillerende rytmer eller fremkaldte potentialer kan have en indflydelse på post-forarbejdningsmetoder ansat.
Selv om der er en betydelig igangværende forskning rettet forbedrede datafangst og analysemetoder til samtidig EEG-fMRI, er det allerede muligt at bruge de teknikker der er beskrevet her, for at besvare vigtige neurovidenskab spørgsmål, som kræver en kombination af den høje rumlige opløsning fMRI og fremragende tidsmæssige opløsning af EEG.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne takke Brain Products GmbH for at give deres udstyr, ekspertise og hjælp til at producere dette arbejde. Vi vil også gerne takke Glyn Spencer, University of Nottingham, bistå med produktionen af videoen. Vi takker også Teknik og Physical Science Research Council (EPSRC) EP/J006823/1 og University of Nottingham for at finansiere denne forskning.
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
3T MR scanner | Here we use a Philips Achieva but any MR scanner should work. | ||
BrainVision Recorder | Brain Products GmbH | BP-00010 | 1st License item |
BrainVision RecView | Brain Products GmbH | BP-00051 | basis module |
BrainAmp MR plus | Brain Products GmbH | BP-01840 | single amplifier |
BrainAmp USB Adapter | Brain Products GmbH | BP-02041 | BUA64 |
SyncBox | Brain Products GmbH | BP-02675 | SyncBox complete |
Fibre Optic cables and USB connectors | Brain Products GmbH | BP-02300 (FOC5) BP-02310 (FOC20) BP-02042 USB2 Cable) | These come with the above listed equipment. |
BrainCap MR | EASYCAP GmbH | BP-03000-MR | 32 channel EEG cap for use in MR |
Abralyte 2000 conductive Gel | Brain Products GmbH | FMS-060219 | Conductive and abrasive gel to connect electrodes to scalp |
Isopropyl Alcohol BP | Brain Products GmbH | FMS-060224 | To be applied before Abralyte Gel. Isopropylalcohol 70% (60 ml)-for degreasing the skin |
Cotton tipped swab | Brain Products GmbH | FMS-060234 | For application of Abralyte and Isopropyl Alcohol. Cotton Swabs Non-sterile, 100 pieces |