皮質電気記録

皮質電気記録
皮質電気記録法のための頭蓋内電極グリッド。
同義語	頭蓋内脳波検査
目的	大脳皮質からの電気活動を記録します。(侵襲的)

脳波記録法（ECoG ）は、頭蓋内脳波記録法（iEEG ）の一種で、脳の露出面に直接配置した電極を使用して大脳皮質からの電気的活動を記録する電気生理学的モニタリングの一種です。対照的に、従来の脳波記録法（EEG）の電極は、頭蓋骨の外側からこの活動を監視します。ECoGは、手術中に手術室で（術中ECoG）または手術外（術外ECoG）で行うことができます。電極グリッドを埋め込むには開頭術（頭蓋骨への外科的切開）が必要なため、ECoGは侵襲的な処置です。

ECoGは、1950年代初頭にモントリオール神経研究所の脳神経外科医であったワイルダー・ペンフィールドとハーバート・ジャスパーによって開発されました。^{[1] 2人は、重度の}てんかん 患者を治療するために使用される外科的プロトコルである画期的なモントリオール手術の一部としてECoGを開発しました。ECoGによって記録された皮質電位は、てんかん発作を引き起こす皮質領域であるてんかん原性領域を特定するために使用されました。これらの領域は、切除中に皮質から外科的に除去され、てんかん発作が発生した脳組織が破壊されます。ペンフィールドとジャスパーは、局所麻酔下でてんかん手術を受ける患者でECoG記録中に電気刺激も使用しました。^[2]この手順は、脳の機能解剖を探るために使用され、言語領域をマッピングし、外科的除去から除外する体性感覚皮質領域と体性運動皮質領域を特定しました。ロバート・ガルブレイス・ヒースという名の医師も、チューレーン大学医学部の初期の脳研究者であった。^{[3] [4]}

ECoG 信号は、皮質の露出面から直接記録される同期シナプス後電位 (局所電場電位) で構成されています。電位は主に皮質錐体細胞で発生するため、大脳皮質、脳脊髄液(CSF)、軟膜、くも膜の複数の層を通過して伝導され、硬膜( 頭蓋外膜 )のすぐ下に配置された硬膜下記録電極に到達する必要があります。ただし、従来の脳波(EEG) の頭皮電極に到達するには、電気信号は頭蓋骨も伝導する必要があり、骨の導電性が低いため電位は急速に減衰します。このため、ECoG の空間分解能は EEG よりもはるかに高く、手術前の計画に重要な画像化の利点があります。^[5] ECoG は、約 5 ms の時間分解能と 1-100 μm の低い空間分解能を提供します。^[6]

深部電極を使用すると、局所電場電位は、電極の先端の周囲半径0.5～3 mmの球体内の神経集団の測定値を与えます。^[7]十分に高いサンプリングレート（約10 kHz以上）があれば、深部電極は活動電位も測定できます。^[8]この場合、空間分解能は個々のニューロンまで下がり、個々の電極の視野は約0.05～0.35 mmです。^[7]

ECoG 記録は、露出した皮質に電極を配置して行われます。皮質にアクセスするには、外科医はまず開頭手術を行い、頭蓋骨の一部を切除して脳表面を露出させる必要があります。この処置は、機能的な皮質マッピングのために患者とのやり取りが必要な場合は、全身麻酔または局所麻酔で行うことができます。次に、手術前の EEG と磁気共鳴画像(MRI)の結果に基づいて、皮質の表面に電極を外科的に埋め込みます。電極は、硬膜の外側 (硬膜外) または硬膜の下 (硬膜下) に配置することができます。ECoG 電極アレイは通常、滅菌済みの使い捨てステンレス鋼、カーボン チップ、プラチナ、プラチナ イリジウム合金、または金のボール電極 16 個で構成され、それぞれがボールとソケットのジョイントに取り付けられているため、位置決めが容易です。これらの電極は、「クラウン」または「ハロー」構成で上部のフレームに取り付けられます。^[9]硬膜下ストリップ電極とグリッド電極も、4～256 ^[10]の電極接点を持つ様々な寸法で広く使用されています。グリッドは透明で柔軟性があり、各電極接点に番号が付けられています。グリッド電極間の標準的な間隔は 1 cm で、個々の電極の直径は通常 5 mm です。電極は皮質表面に軽く置かれ、脳の通常の動きによって損傷が生じないように十分な柔軟性を備えて設計されています。ストリップ電極とグリッド電極アレイの主な利点は、頭蓋切開で露出していない皮質領域に硬膜の下に滑り込ませることができることです。ストリップ電極とクラウンアレイは、必要に応じて自由に組み合わせて使用​​できます。深部電極を使用して、海馬などのより深い構造の活動を記録することもできます。

皮質刺激マッピングとしても知られる直接皮質電気刺激（DCES）は、皮質の機能マッピングと重要な皮質構造の識別のために、ECoG記録と同時に頻繁に実行されます。^[9]クラウン構成を使用する場合、手持ちのワンドバイポーラ刺激装置は、電極アレイに沿った任意の場所で使用できます。ただし、硬膜下ストリップを使用する場合は、グリッド上の電極を接続する非導電性材料のため、刺激は隣接する電極のペアの間に適用する必要があります。皮質に適用される電気刺激電流は比較的低く、体性感覚刺激の場合は2〜4 mA、認知刺激の場合は約15 mAです。^[9]刺激周波数は通常、北米では60 Hz、ヨーロッパでは50 Hzで、150 μC/cm2を超える電荷密度は組織損傷を引き起こします。^{[11] [12]}

DCES で最も一般的にマッピングされる機能は、一次運動、一次感覚、言語です。マッピング手順では患者は注意力と対話力が必要ですが、患者の関与はマッピング手順ごとに異なります。言語マッピングには、命名、音読、復唱、口頭理解が含まれます。体性感覚マッピングでは、外科医がさまざまな皮質領域を刺激する際に、患者が顔や四肢で感じる感覚を説明する必要があります。^[9]

ECoG は 1950 年代に開発されて以来、手術前の計画中にてんかん発作の誘発領域を特定したり、皮質機能のマッピングを行ったり、てんかんの外科的切除の成功を予測したりするために使用されてきました。ECoG には、他の診断方法に比べて次のような利点があります。

• 記録電極と刺激電極の柔軟な配置^[2]
• 手術前、手術中、手術後のどの段階でも実施可能
• 脳に直接電気刺激を与え、手術中に避けるべき皮質の重要な領域を特定します。
• 脳波頭皮記録よりも精度と感度が高く、神経活動に近いため空間解像度が高く、信号対雑音比が優れています。

ECoG の制限は次のとおりです。

• 限られたサンプリング時間 - 発作（発作イベント）はECoG記録期間中に記録されない場合があります
• 視野が限られている – 電極の配置は露出した皮質の面積と手術時間によって制限され、サンプリングエラーが発生する可能性があります。
• 記録は麻酔薬、麻薬性鎮痛剤、そして手術そのものの影響を受ける^[2]

てんかんは現在、診断される神経疾患の中で3番目に多い疾患であり、米国だけで約250万人が罹患しています。^[13]てんかん発作は慢性で、毒素や感染症などのすぐに治療できる原因とは無関係であり、病因、臨床症状、脳内の発生部位によって大きく異なります。難治性てんかん（抗けいれん薬が効かないてんかん）の患者の場合、外科的治療が治療選択肢となる場合があります。部分てんかん^[14]は一般的な難治性てんかんで、部分発作の場所を特定するのは困難です。このようなてんかんの治療は、迷走神経刺激装置の装着に限られます。てんかん手術は、発作を引き起こしている脳の領域を慎重かつ正確に除去すれば、部分てんかんの治療法となります。

術外ECoG

患者が切除手術の候補者として特定される前に、MRI を実施して皮質内に構造的病変が存在することを証明し、てんかん原性組織の EEG 証拠によってそれを裏付ける必要があります。^[2]病変が特定されると、ECoG を実施して病変の位置と範囲、および周囲の刺激領域を決定します。頭皮 EEG は貴重な診断ツールですが、てんかん原性領域を特定するために必要な精度を欠いています。ECoG はてんかん患者のニューロン活動を評価するゴールドスタンダードであると考えられており、病変とてんかん原性領域の外科的切除を導くための術前計画に広く使用されています。^{[15] [16]}手術の成功は、てんかん原性領域の正確な位置特定と除去にかかっています。 ECoG データは、発作期スパイク活動（発作中に記録される「拡散性速波活動」）と発作間欠期てんかん様活動（IEA）（てんかん発作の間に記録される短い神経活動のバースト）に関して評価されます。ECoG は、残存するてんかん様活動を検出し、手術の成功を判断するために、切除手術後にも実施されます。切除によって変化しない ECoG 上の残存スパイクは、発作の制御が不十分で、てんかん原性皮質領域の不完全な中和を示しています。発作活動を完全に根絶するには、追加の手術が必要になる場合があります。術外 ECoG は、てんかん手術中に保存する機能的に重要な領域（雄弁皮質とも呼ばれる）を特定するためにも使用されます。 ^[17]術外 ECoG 中の運動、感覚、認知タスクは、特定のタスクの実行に関与する領域で 70～110 Hz の高周波活動の振幅を増大させることが報告されています。^{[17] [18] [19]}タスク関連の高頻度活動は、大脳皮質がいつ、どこで活性化され、抑制されるかを、10ミリ秒以下の時間分解能と10mm以下の空間分解能で4D的に再現することができる。^{[18] [19]}

術中ECoG

切除手術の目的は、許容できない神経学的結果を引き起こすことなくてんかん原性組織を除去することです。てんかん原性領域の範囲を特定して位置特定することに加えて、DCES と併用される ECoG は、機能的皮質マッピングにも役立つツールです。感覚処理、運動協調、および発話を維持するために、外科医が切除中にどの領域 (「雄弁皮質」) を残す必要があるかを特定し、重要な脳構造を正確に位置特定することが重要です。機能マッピングでは、患者が外科医と対話できる必要があるため、全身麻酔ではなく局所麻酔で実施されます。皮質電極と急性深部電極を使用した電気刺激を使用して皮質の個別の領域をプローブし、発話、体性感覚統合、および体性運動処理の中心を特定します。切除手術中は、組織のてんかん活動をモニターし、てんかん原性領域全体が切除されていることを確認するために、術中 ECoG も実行されることがあります。

切除手術における術前および術中のECoGの使用は、数十年にわたって臨床診療として認められてきましたが、最近の研究では、この技術の有用性は患者のてんかんの種類によって異なる可能性があることが示されています。KuruvillaとFlinkは、術中ECoGはテーラーメイド型側頭葉切除、多発性軟膜下離断（MST）、皮質発達奇形（MCD）の除去において重要な役割を果たしますが、MRIで内側側頭葉硬化症（MTS）の証拠がある内側側頭葉てんかん（TLE）の標準的な切除では実用的ではないことがわかったと報告しました。 ^[2] Wennberg、Quesney、およびRasmussenによる研究では、前頭葉てんかん（FLE）症例における術前ECoGの重要性が実証されました。^[20]

ECoG は最近、脳コンピューターインターフェース(BCI)で使用するための有望な記録技術として浮上しました。 ^[21] BCI は、個人の脳信号を直接使用して人工器官、電子機器、または通信機器を制御する直接神経インターフェースです。脳信号は、皮質に直接埋め込まれた記録装置を使用して侵襲的に記録することも、EEG 頭皮電極を使用して非侵襲的に記録することもできます。ECoG は、2 つのモダリティの間の部分的な侵襲的な妥協点を提供します。ECoG は侵襲的な記録装置のように血液脳関門を通過しませんが、EEG よりも高い空間解像度と信号対雑音比を備えています。^[21] ECoG は最近、想像上の音声や音楽を解読するために注目されており、これは「文字通りの」BCI ^[22]につながる可能性があります。これは、ユーザーが単語、文章、または音楽を想像するだけで、BCI が直接解釈できます。^{[23] [24]}

機能領域を特定して脳神経外科手術をサポートする臨床応用に加えて、ECoG によるリアルタイム機能脳マッピングは、神経科学の基本的な問題に関する研究をサポートするために注目を集めています。たとえば、2017 年の研究では、顔と色の処理領域内の領域を調査し、これらのサブ領域が視覚のさまざまな側面に非常に特異的に貢献していることがわかりました。^[25]別の研究では、70 Hz から 200 Hz の高周波活動が、一時的および持続的な意思決定に関連するプロセスを反映していることがわかりました。^[26] ECoG に基づくその他の研究では、脳活動を解釈する新しいアプローチが提示され、電力と位相の両方が共同で瞬間的な電位に影響を与え、それが皮質の興奮性を直接制御することを示唆しています。^[27]想像上の音声と音楽を解読するための研究と同様に、リアルタイム機能脳マッピングを含むこれらの研究方向は、脳神経外科手術と BCI システムの両方を含む臨床診療にも影響を与えます。これらのリアルタイム機能マッピングの出版物のほとんどで使用されたシステムは、「CortiQ」です。研究と臨床応用の両方に使用されてきました。

皮質電気図は、てんかん発作の領域を定義するための「ゴールド スタンダード」として今でも考えられていますが、この手順はリスクが高く、非常に侵襲的です。最近の研究では、侵襲的な ECoG と同様の情報と解像度を提供できる可能性のある、手術前の計画のための非侵襲的な皮質イメージング技術の開発が検討されています。

一つの新しいアプローチとして、Lei Dingら^[28]は構造MRIと頭皮EEGによって提供される情報を統合し、ECoGの非侵襲的な代替手段を提供することを目指しています。この研究では、高解像度のサブスペースソース位置特定アプローチであるFINE（第一原理ベクトル）を調査し、頭皮EEGから電流源の位置を画像化し、範囲を推定しました。てんかん源を識別するために、結果として得られるサブスペース相関値のトモグラフィーに閾値化技術を適用しました。この方法は、難治性てんかんの小児患者3名でテストされ、有望な臨床結果が得られました。各患者は、構造MRI、頭皮電極を使用した長期ビデオEEGモニタリング、続いて硬膜下電極を使用して評価されました。次に、皮質の表面に直接配置された埋め込み型硬膜下電極グリッドからECoGデータが記録されました。各被験者について、MRIおよびコンピューター断層撮影画像も取得されました。

術前 EEG データから特定されたてんかん原性領域は、3 人の患者全員の術後 ECoG データの観察によって検証されました。これらの予備的な結果は、説明したイメージングおよび統合方法を使用して、手術計画を指示し、てんかん原性領域を非侵襲的に特定できることを示唆しています。EEG 所見は、3 人の患者全員の手術結果によってさらに検証されました。外科的切除後、2 人の患者は発作がなく、3 人目の患者は発作が大幅に減少しました。臨床的に成功しているため、FINE は術前 ECoG の有望な代替手段となり、非侵襲的なイメージング手順を通じててんかん原性源の位置と範囲の両方に関する情報を提供します。