Questo articolo descrive in dettaglio le procedure di registrazione simultanea dell’elettroencefalogramma e della risonanza magnetica funzionale (EEG-fMRI) che possono essere utilizzate sia in ambito clinico che di ricerca. Sono incluse anche le procedure di elaborazione EEG per rimuovere gli artefatti di imaging per la revisione clinica. Questo studio si concentra sull’esempio dell’epilessia durante il periodo interictale.
L’elettroencefalogramma simultaneo e la risonanza magnetica funzionale (EEG-fMRI) sono una tecnica combinata unica che fornisce sinergia nella comprensione e localizzazione dell’insorgenza delle crisi epilettiche. Tuttavia, i protocolli sperimentali riportati per le registrazioni EEG-fMRI non riescono ad affrontare i dettagli sulla conduzione di tali procedure su pazienti con epilessia. Inoltre, questi protocolli sono limitati esclusivamente alle impostazioni di ricerca. Per colmare il divario tra il monitoraggio del paziente in un’unità di monitoraggio dell’epilessia (EMU) e la conduzione di ricerche con un paziente epilettico, introduciamo un protocollo di registrazione EEG-fMRI unico dell’epilessia durante il periodo interictale. L’uso di un set di elettrodi condizionali MR, che può essere utilizzato anche nell’EMU per un EEG del cuoio capelluto simultaneo e una registrazione video, consente una facile transizione delle registrazioni EEG dall’EMU alla sala di scansione per registrazioni EEG-fMRI simultanee. Vengono forniti dettagli sulle procedure di registrazione che utilizzano questo specifico set di elettrodi condizionali MR. Inoltre, lo studio spiega le procedure di elaborazione EEG passo-passo per rimuovere gli artefatti di imaging, che possono quindi essere utilizzati per la revisione clinica. Questo protocollo sperimentale promuove una modifica alla registrazione EEG-fMRI convenzionale per una maggiore applicabilità sia in ambito clinico (cioè EMU) che di ricerca. Inoltre, questo protocollo offre il potenziale per espandere questa modalità alle registrazioni EEG-fMRI postictali in ambito clinico.
L’epilessia affligge quasi 70 milioni di persone in tutto il mondo1. Ben una persona su 150 con epilessia scarsamente controllata soccombe a una morte improvvisa e inaspettata nell’epilessia (SUDEP) ogni anno. Inoltre, circa il 30%-40% dei casi di epilessia sono refrattari alla gestione medica2. Il trattamento neurochirurgico sotto forma di resezione, disconnessione o neuromodulazione può essere una misura che cambia la vita e salva la vita per i pazienti con epilessia refrattaria.
L’elettroencefalogramma simultaneo e la risonanza magnetica funzionale (EEG-fMRI) sono una tecnica combinata unica che misura le attività cerebrali in modo non invasivo e ha fornito benefici per comprendere e localizzare l’insorgenza delle crisi nell’epilessia 3,4,5,6. Gli EEG del cuoio capelluto possono essere utilizzati per lateralizzare e localizzare le zone di insorgenza delle crisi, ma hanno una risoluzione spaziale relativamente scarsa a causa delle limitate capacità rispetto alla valutazione delle fonti epilettogene profonde. Mentre la fMRI ha una buona risoluzione spaziale in tutto il cervello, comprese le regioni profonde, la fMRI da sola non è specifica per le convulsioni. Tuttavia, gli EEG del cuoio capelluto possono informare l’interpretazione delle aree di attivazione o disattivazione dipendenti dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) nella fMRI, producendo così una tecnica fMRI specifica per l’epilessia. Pertanto, l’implementazione simultanea di EEG-fMRI può essere utilizzata per mappare i processi spaziotemporali rilevanti per localizzare sia il “dove” che il “quando” degli eventi epilettici.
Le spiegazioni su come condurre l’EEG-fMRI simultanea sono fornite negli studi precedenti 7,8,9,10. Tuttavia, l’EEG-fMRI è stato sottoutilizzato nell’epilessia, specialmente in ambito clinico. Esiste uno studio che fornisce una procedura generale per le registrazioni EEG-fMRI, background ed esempi di possibili analisi EEG7. Inoltre, è stato condotto uno studio che enfatizza l’induzione ipnotica insieme alle misure di temperatura nelle registrazioni simultanee EEG-fMRI8. Inoltre, è stato proposto uno studio esteso EEG-fMRI per introdurre un metodo di imaging della sorgente EEG spaziotemporale e vincolato alla fMRI 9,10. Inoltre, è stato considerato l’uso di un anello di filo di carbonio per rimuovere efficacemente gli artefatti dall’EEG-fMRI10. Tuttavia, tutti questi studi non riescono ad affrontare le sfide nella conduzione di studi EEG-fMRI in un contesto di ricerca clinica. In particolare, l’uso del tappo EEG limita la fattibilità di questi protocolli in ambito clinico e mancano anche dettagli sulla gestione del paziente. In questo studio, forniamo un protocollo di registrazione EEG-fMRI che può essere utilizzato sia in ambito clinico che di ricerca per i pazienti con epilessia. Questo protocollo unico consente una facile transizione del paziente da un’unità di monitoraggio dell’epilessia (EMU) alla sala di scansione. Inoltre, il protocollo offre il potenziale per espandere la sua applicazione alle registrazioni del periodo postictale con pazienti con epilessia. Per EEG-fMRI, la post-elaborazione è un passo cruciale nella rimozione di artefatti causati da gradienti di risonanza magnetica e artefatti fisiologici, come quelli relativi al battito cardiaco. Pertanto, forniamo anche procedure dettagliate per rimuovere gli artefatti EEG utilizzando un metodo di rimozione del modello standard11 per la revisione clinica.
Questo protocollo sperimentale è unico nel fornire una transizione graduale dei pazienti con epilessia dall’EMU alla sala di scansione, consentendone l’utilizzo in contesti clinici e di ricerca. L’uso di elettrodi condizionali MR approvati dalla FDA è una componente essenziale sia per le registrazioni cliniche durante il tempo trascorso nell’EMU sia per il trasferimento sicuro alla risonanza magnetica senza dover rimuovere o sostituire gli elettrodi del cuoio capelluto dal paziente. Nell’EMU, gli elettrodi condizionali MR sono collegati a un amplificatore per il monitoraggio simultaneo di video ed EEG. Per le registrazioni EEG-fMRI, è possibile utilizzare un amplificatore EEG condizionale MR e uno scanner MRI con una bobina di testa a 20 canali, che ospita le dimensioni del set di elettrodi e dei fili di collegamento. Va notato che prima di eseguire le registrazioni simultanee EEG-fMRI in pazienti con epilessia, un test eseguito con un soggetto sano è altamente raccomandato per confermare il corretto funzionamento di tutte le apparecchiature e per acquisire familiarità con ogni passaggio richiesto.
Inoltre, anche l’organizzazione concreta del team e un’attenta selezione dei pazienti svolgono un ruolo significativo in questo protocollo. Per essere praticabile sia per le impostazioni cliniche che di ricerca, è necessario disporre di un team strutturato di epilettologi, personale infermieristico, tecnologi EEG e ingegneri. Per la selezione dei pazienti, i criteri di inclusione ed esclusione sopra elencati devono essere attentamente considerati.
Inoltre, è importante affrontare il fatto che quando viene condotta un’analisi fMRI informata dall’EEG, deve esistere una chiara presenza delle caratteristiche chiave dell’EEG per guidare i corrispondenti cambiamenti BOLD nella fMRI. Pertanto, quando si esegue la registrazione EEG-fMRI, è importante considerare i pazienti che hanno precedentemente dimostrato caratteristiche EEG target. Durante il periodo interictale nei pazienti con epilessia, gli IED, che sono anormali e suggeriscono un potenziale epilettogeno, sono una caratteristica EEG ben nota per fare riferimento ai cambiamenti BOLD16, anche se l’esempio qui non include questo caso. Quando si mira a ottenere IED nelle registrazioni EEG-fMRI interictali, gli sperimentatori dovrebbero considerare i pazienti con IED frequenti (almeno tre IED / ora) osservati da un EEG del cuoio capelluto, al fine di garantire sufficienti scariche epilettiformi durante una sessione di scansione. Il numero di IED può essere determinato dal monitoraggio EEG nell’UEM o facendo riferimento alla frequenza IED vista nelle precedenti registrazioni EEG dei soggetti, se esistono. Le registrazioni ottenute dei dati EEG-fMRI interictali possono apportare benefici alla comprensione e potenzialmente alla localizzazione della zona di insorgenza delle crisi17.
Una volta ottenuto un EEG pulito dopo aver elaborato le fasi di rimozione dell’artefatto, è possibile applicare ulteriori analisi EEG. Ad esempio, l’imaging sorgente EEG (ESI) può essere ottenuto applicando la tomografia elettromagnetica cerebrale standardizzata a bassa risoluzione (sLORETA)18 per stimare l’attività elettrica corrispondente del cervello sulla superficie corticale. Le fonti stimate possono essere ottenute invertendo la matrice del campo guida calcolata in base agli strati della testa, del cranio esterno, del cranio interno e della corteccia creati dalla risonanza magnetica del paziente utilizzando il metodo degli elementi di confine19. Ci sono numerosi toolbox disponibili pubblicamente per ottenere l’imaging dei sorgenti EEG e Brainstorm è uno dei toolbox20 basati su MATLAB comunemente utilizzati.
Quando si considera l’ESI utilizzando l’EEG elaborato, il numero totale di elettrodi e le loro distribuzioni devono essere attentamente presi in considerazione in modo che possano ragionevolmente coprire l’intera testa. Il numero minimo di elettrodi necessari per implementare ESI è 32 canali21,22, che è superiore al numero standard di elettrodi utilizzati in ambito clinico. Pertanto, si consiglia di includere canali aggiuntivi per coprire l’intera testa con una spaziatura ragionevole. La selezione dei canali in questo studio comprende 21 canali, che sono convenzionalmente utilizzati nella clinica per il monitoraggio EEG, e 11 canali aggiuntivi per coprire interamente la testa (Figura 1).
Qui, non includiamo dettagli dell’analisi fMRI, poiché questo è fuori dallo scopo del nostro studio. Tuttavia, una possibile direzione è l’analisi fMRI informata dall’EEG23. Ad esempio, il tempo di occorrenza degli IED può essere salvato come trigger di eventi da correlare con la fMRI, il che può portare a un’analisi fMRI correlata agli eventi di routine. In questo caso, un’analisi generalizzata del modello lineare può essere utilizzata per trovare le regioni cerebrali che mostrano cambiamenti nel segnale fMRI al momento degli IED.
Sottolineiamo che uno studio recentemente pubblicato10 ha dimostrato che è possibile utilizzare un sistema di loop di filo di carbonio quando è richiesta una tecnica di rimozione degli artefatti più robusta16. Tuttavia, vogliamo sottolineare che l’integrazione del sistema di loop del filo di carbonio nel nostro ambiente sperimentale con l’elettrodo condizionale MR non è stata ancora studiata.
Anche se questo studio si concentra specificamente sul periodo interictale dell’epilessia, il protocollo introdotto per l’EEG-fMRI simultaneo può essere ulteriormente esteso al periodo ictale o postictale. Tuttavia, è necessario tenere presenti considerazioni specifiche quando vengono prese in considerazione impostazioni personalizzate. Per la fase postictale, una preoccupazione importante di cui siamo consapevoli è che al paziente venga somministrata una benzodiazepina prima del trasporto alla risonanza magnetica. Per quanto riguarda l’analisi delle frequenze degli EEG, è stato riportato che le benzodiazepine non alterano necessariamente le bande di frequenza specifiche 24,25 e, in caso di modeste variazioni, queste sono limitate alla regione somatosensoriale-motoria26 o ai lobi frontali27. Inoltre, per quanto riguarda l’EEG-fMRI simultanea, le correlazioni delta EEG-BOLD non hanno mostrato cambiamenti dopo l’iniezione di benzodiazepine rispetto a un controllo con iniezione salina27. Il segnale BOLD era diminuito solo nelle piccole aree del giro di Heschel e dell’area motoria supplementare.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato parzialmente supportato dal College of Medicine, dal Vice Presidente per la Ricerca, UK HealthCare e dall’Area di priorità di ricerca presso l’Università del Kentucky come parte della College of Medicine Alliance Initiative e dai fondi Start-Up del Dr. Jihye Bae forniti dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università del Kentucky. Gli autori ringraziano i partecipanti volontari per la registrazione e i membri del team dell’Epilepsy-Neuroimaging Research Alliance, in particolare il Dr. Brian Gold per aver guidato il team dell’alleanza, il Dr. Sridhar Sunderam per il tutoraggio della ricerca e Susan V. Hollar ed Emily Ashcraft per la cura e la gestione del paziente.
3T Magnetom Prisma fit MRI scanner | Siemens Healthineers | ||
Abralyt HiCl, 10 g. | EASYCAP GmbH | Conductive gel for ECG electrode. | |
BrainAmp MR plus 32-channel | Brain Products GmbH | S-BP-01300 | |
BrainVision Analyzer Version 2.2.0.7383 | Brain Products GmbH | EEG analysis software. | |
BrainVision Interface Box 32 inputs | Ives EEG Solutions, LLC | BVI-32 | |
BrainVision Recorder License with dongle | Brain Products GmbH | S-BP-170-3000 | |
BrainVision Recorder Version 1.23.0003 | Brain Products GmbH | EEG recording software. | |
Collodion (non-flexible) | Mavidon | Glue to secure EEG electrodes. | |
Fiber Optic cable (30m one line) | Brain Products GmbH | S-BP-345-3020 | |
Gold Cup Electrode set, 32 channel | Ives EEG Solutions, LLC | GCE-32 | 2+ items are recommended when managing multiple subjects with overlapped/close period of Epilepsy Monitoring Unit (EMU) stay. |
Gold Cup Electrodes | Ives EEG Solutions, LLC | GCE-EKG | |
Harness, 32 lead, reusable | Ives EEG Solutions, LLC | HAR-32 | 2+ items are recommended when managing multiple subjects with overlapped/close period of Epilepsy Monitoring Unit (EMU) stay. |
MR-sled kit including 100% and 75% length base plates, low profile (3 cm) block legs for each base plate, ramp, and strap systems as hand configured | Brain Products GmbH | BV-79123-PRISMA SKYRA | |
Natus NeuroWorks EEG | Natus | Software used for EEG monitoring at the Epilepsy Monitoring Unit (EMU). | |
Nuprep Skin Prep Gel | Weaver and Co. | ||
Passive starter set, including consumables (gel, syringes, dispensing tips, adhesive washers, etc.) to facilitate out of the box data acquisition | Brain Products GmbH | S-C-5303 | |
SyncBox compl. Extension box for phase sync recordings | Brain Products GmbH | S-BP-02675 | Syncbox |
syngo MR XA30 | Siemens Healthineers | Software used for the MRI scanner. | |
Ten 20 Conductive Neurodiagnostic Electrode Paste | Weaver and Co. | Conductive gel for EEG electrodes. | |
TriggerBox Kit for BrainAmp | Brain Products GmbH | S-BP-110-9010 | Triggerbox; This Kit allows to expand the trigger width from the scanner so that the trigger signal can be detected on the BrainVision Recorder properly. This kit may not be required depending on the characteristics of the trigger signal provided by the scanner. |
Xltek EMU40EX amplifier | Natus | An amplifier used at the Epilepsy Monitoring Unit (EMU). |