Electrocorticografía

Electrocorticografía ( ecog ), un tipo de electroencefalografía intracraneal ( IEEG ), es un tipo de electrofisiológica Monitoreo que utiliza electrodos colocados directamente en la superficie expuesta del cerebro para registrar la actividad eléctrica desde la corteza cerebral. En contraste, los electrodos de electroencefalografía convencional (EEG) controlan esta actividad desde fuera del cráneo. ECOG se puede realizar en la sala de operaciones durante la cirugía (ECOG intraoperatoria) o fuera de la cirugía (ECOG extraoperatorio). Debido a que se requiere una craneotomía (una incisión quirúrgica en el cráneo) para implantar la cuadrícula de electrodos, ECOG es un procedimiento invasivo.

Historia

ECOG fue pionero a principios de la década de 1950 por Wilder Penfield y Herbert Jasper, neurocirujanos del Instituto Neurológico de Montreal. Los dos desarrollaron ECOG como parte de su innovador procedimiento de Montreal, un protocolo quirúrgico utilizado para tratar a pacientes con epilepsia severa. Los potenciales corticales registrados por ECOG se usaron para identificar zonas epileptogénicas, regiones de la corteza que generan convulsiones epilépticas. Estas zonas se eliminarían quirúrgicamente de la corteza durante la resección, destruyendo así el tejido cerebral donde se habían originado las convulsiones epilépticas. Penfield y Jasper también usaron estimulación eléctrica durante los registros de ECOG en pacientes sometidos a cirugía de epilepsia bajo anestesia local. Este procedimiento se utilizó para explorar la anatomía funcional del cerebro, mapear las áreas del habla e identificar las áreas de la corteza somatosensorial y somatomotora que se excluirán de la eliminación quirúrgica. Un médico llamado Robert Galbraith Heath también fue uno de los primeros investigadores del cerebro en la Facultad de Medicina de la Universidad de Tulane.

base electrofisiológica

señales ECOG están compuestas por potenciales postsinápticos sincronizados (potenciales de campo locales), registrados directamente desde la superficie expuesta de la corteza. Los potenciales ocurren principalmente en las células piramidales corticales y, por lo tanto, deben realizarse a través de varias capas de la corteza cerebral, el líquido cefalorraquídeo (LCR), el piamán y la materia aracnoidea antes de alcanzar los electrodos de registro subdural colocado justo debajo de la duramadre (membrana craneal externa) . Sin embargo, para alcanzar los electrodos del cuero cabelludo de un electroencefalograma convencional (EEG), también se deben realizar señales eléctricas a través del cráneo, donde los potenciales se atenúan rápidamente debido a la baja conductividad del hueso. Por esta razón, la resolución espacial de ECOG es mucho más alta que EEG, una ventaja crítica de imágenes para la planificación prequirúrgica. ECOG ofrece una resolución temporal de aproximadamente 5 ms y una resolución espacial tan baja como 1-100 μm.

Usando electrodos de profundidad, el potencial de campo local da una medida de una población neural en una esfera con un radio de 0.5-3 mm alrededor de la punta del electrodo. Con una velocidad de muestreo suficientemente alta (más de aproximadamente 10 kHz), los electrodos de profundidad también pueden medir los potenciales de acción. En cuyo caso la resolución espacial se debe a las neuronas individuales, y el campo de visión de un electrodo individual es de aproximadamente 0.05-0.35 mm.

procedimiento

La grabación de ECOG se realiza a partir de electrodos colocados en la corteza expuesta. Para acceder a la corteza, un cirujano primero debe realizar una craneotomía, eliminando una parte del cráneo para exponer la superficie del cerebro. Este procedimiento puede realizarse bajo anestesia general o bajo anestesia local si se requiere la interacción del paciente para el mapeo cortical funcional. Los electrodos se implantan quirúrgicamente en la superficie de la corteza, con la colocación guiada por los resultados del EEG preoperatorio y la resonancia magnética (MRI). Los electrodos se pueden colocar fuera de la duramadre (epidural) o debajo de la duramadre (subdural). Las matrices de electrodos ECOG generalmente consisten en dieciséis electrodos de acero inoxidable estéril, desechable, punta de carbono, platino, aleación de platino-iridio o bola de oro, cada uno montado en una bola y una junta de zócalo para facilitar el posicionamiento. Estos electrodos están unidos a un marco suprayacente en A " Crown " o " Halo " configuración. Los electrodos de tiras y cuadrículas subdurales también se usan ampliamente en varias dimensiones, que tienen entre 4 y 256 contactos de electrodo. Las cuadrículas son transparentes, flexibles y numeradas en cada contacto del electrodo. El espacio estándar entre los electrodos de la cuadrícula es de 1 cm; Los electrodos individuales son típicamente de 5 mm de diámetro. Los electrodos se sientan ligeramente en la superficie cortical y están diseñados con suficiente flexibilidad para garantizar que los movimientos normales del cerebro no causen lesiones. Una ventaja clave de las matrices de electrodos de tiras y de cuadrícula es que pueden deslizarse debajo de la duramadre en regiones corticales no expuestas por la craneotomía. Los electrodos de tiras y las matrices de corona se pueden usar en cualquier combinación deseada. Los electrodos de profundidad también pueden usarse para registrar la actividad de estructuras más profundas, como el hipocampo.

dces

La estimulación eléctrica cortical directa (DCE), también conocida como mapeo de estimulación cortical, se realiza con frecuencia con concurrencia con el registro de ECOG para el mapeo funcional de la corteza e identificación de estructuras corticales críticas. Al usar una configuración de la corona, se puede usar un estimulador bipolar de varita portátil en cualquier ubicación a lo largo de la matriz de electrodos. Sin embargo, cuando se usa una tira subdural, se debe aplicar la estimulación entre pares de electrodos adyacentes debido al material no conductor que conecta los electrodos en la cuadrícula. Las corrientes estimulantes eléctricas aplicadas a la corteza son relativamente bajas, entre 2 y 4 Ma para la estimulación somatosensorial, y cerca de 15 mA para la estimulación cognitiva. La frecuencia de estimulación suele ser de 60 Hz en América del Norte y 50 Hz en Europa, y cualquier densidad de carga más de 150 μC/CM2 causa daño tisular.

Las funciones más comúnmente asignadas a través de DCE son motor primario, sensorial primario e lenguaje. El paciente debe estar alerta e interactivo para los procedimientos de mapeo, aunque la participación del paciente varía con cada procedimiento de mapeo. El mapeo de idiomas puede implicar nombrar, leer en voz alta, repetición y comprensión oral; El mapeo somatosensorial requiere que el paciente describe las sensaciones experimentadas en la cara y las extremidades a medida que el cirujano estimula diferentes regiones corticales.

Aplicaciones clínicas

Desde su desarrollo en la década de 1950, ECOG se ha utilizado para localizar zonas epileptogénicas durante la planificación prequirúrgica, trazar funciones corticales y predecir el éxito de la resección quirúrgica epiléptica. ECOG ofrece varias ventajas sobre modalidades de diagnóstico alternativas:

• Colocación flexible de electrodos de grabación y estimulación
• Se puede realizar en cualquier etapa antes, durante y después de una cirugía
• Permite la estimulación eléctrica directa del cerebro, identificando regiones críticas de la corteza para ser evitadas durante la cirugía
• Mayor precisión y sensibilidad que una grabación del cuero cabelludo EEG – la resolución espacial es más alta y la relación de señal a ruido es superior debido a una proximidad más cercana a la actividad neuronal

Las limitaciones de ECoG incluyen:

• Plazo de muestreo limitado: las incautaciones (eventos ictales) no se pueden registrar durante el período de grabación de ECoG
• Campo de visión limitado – la colocación del electrodo está limitada por el área de corteza expuesta y el tiempo de cirugía, los errores de muestreo pueden ocurrir
• La grabación está sujeta a la influencia de la anestesia, el análisis de narcóticos y la cirugía misma

Epilepsia intratable

La epilepsia está actualmente clasificada como el tercer trastorno neurológico más comúnmente diagnosticado y afecta aproximadamente a 2,5 millones de personas sólo en los Estados Unidos. Las crisis epilépticas son crónicas y no están relacionadas con causas tratables inmediatamente, como toxinas o enfermedades infecciosas, y pueden variar ampliamente según la etiología, los síntomas clínicos y el lugar de origen dentro del cerebro. Para los pacientes con epilepsia intratable (epilepsia que no responde a los anticonvulsivos), el tratamiento quirúrgico puede ser una opción de tratamiento viable. La epilepsia parcial es la epilepsia intratable común y la convulsión parcial es difícil de localizar. El tratamiento para dicha epilepsia se limita a la colocación de un estimulador del nervio vago. La cirugía de la epilepsia es la cura para la epilepsia parcial, siempre que la región del cerebro que genera las convulsiones se extirpe con cuidado y precisión.

ECoG extraoperatorio

Antes de que un paciente pueda ser identificado como candidato para una cirugía de resección, se debe realizar una resonancia magnética para demostrar la presencia de una lesión estructural dentro de la corteza, respaldada por evidencia EEG de tejido epileptogénico. Una vez que se ha identificado una lesión, se puede realizar una ECoG para determinar la ubicación y el alcance de la lesión y la región irritativa circundante. El EEG del cuero cabelludo, si bien es una valiosa herramienta de diagnóstico, carece de la precisión necesaria para localizar la región epileptogénica. La ECoG se considera el estándar de oro para evaluar la actividad neuronal en pacientes con epilepsia y se usa ampliamente en la planificación prequirúrgica para guiar la resección quirúrgica de la lesión y la zona epileptogénica. El éxito de la cirugía depende de la localización y eliminación precisa de la zona epileptogénica. Los datos del ECoG se evalúan con respecto a la actividad de pico ictal: "actividad de onda rápida difusa" registrado durante una convulsión, y actividad epileptiforme interictal (AIE), breves estallidos de actividad neuronal registrados entre eventos epilépticos. La ECoG también se realiza después de la cirugía de resección para detectar cualquier actividad epileptiforme restante y determinar el éxito de la cirugía. Los picos residuales en el ECoG, no alterados por la resección, indican un control deficiente de las convulsiones y una neutralización incompleta de la zona cortical epileptogénica. Puede ser necesaria una cirugía adicional para erradicar por completo la actividad convulsiva. La ECoG extraoperatoria también se utiliza para localizar áreas funcionalmente importantes (también conocidas como corteza elocuente) que se conservarán durante la cirugía de epilepsia. Se informa que las tareas motoras, sensoriales y cognitivas durante el ECoG extraoperatorio aumentan la amplitud de la actividad de alta frecuencia a 70-110 Hz en áreas involucradas en la ejecución de tareas determinadas. La actividad de alta frecuencia relacionada con las tareas puede animar "cuándo" la actividad física. y 'dónde' la corteza cerebral se activa e inhibe de forma 4D con una resolución temporal de 10 milisegundos o menos y una resolución espacial de 10 mm o menos.

ECoG intraoperatorio

El objetivo de la cirugía de resección es eliminar el tejido epileptogénico sin causar consecuencias neurológicas inaceptables. Además de identificar y localizar el alcance de las zonas epileptogénicas, ECOG utilizado junto con DCE también es una herramienta valiosa para el mapeo cortical funcional. Es vital localizar con precisión las estructuras cerebrales críticas, identificando qué regiones debe ahorrar el cirujano durante la resección (la " elocuente Cortex ") para preservar el procesamiento sensorial, la coordinación del motor y el habla. El mapeo funcional requiere que el paciente pueda interactuar con el cirujano y, por lo tanto, se realiza bajo anestesia local en lugar de general. La estimulación eléctrica utilizando electrodos de profundidad cortical y aguda se usa para sondear regiones distintas de la corteza para identificar centros de habla, integración somatosensorial y procesamiento somatomotor. Durante la cirugía de resección, también se puede realizar ECOG intraoperatorio para monitorear la actividad epiléptica del tejido y garantizar que toda la zona epileptogénica se resista.

Aunque el uso de ECOG extraoperatorio e intraoperatorio en la cirugía de resección ha sido una práctica clínica aceptada durante varias décadas, estudios recientes han demostrado que la utilidad de esta técnica puede variar según el tipo de epilepsia que exhibe un paciente. Kuruvilla y Flink informaron que, si bien el ECOG intraoperatorio juega un papel crítico en las lobectomías temporales a medida, en múltiples transecciones subpiales (MST), y en la eliminación de malformaciones del desarrollo cortical (MCD), se ha encontrado poco práctico en la resección estándar del lóbulo temporal medial Epilepsia (TLE) con evidencia de resonancia magnética de esclerosis temporal mesial (MTS). Un estudio realizado por Wennberg, Quesney y Rasmussen demostró la importancia prequirúrgica de ECOG en los casos de epilepsia del lóbulo frontal (FLE).

Aplicaciones de investigación

ECoG ha surgido recientemente como una técnica de grabación prometedora para su uso en interfaces cerebro-computadora (BCI). Las BCI son interfaces neuronales directas que proporcionan control de dispositivos protésicos, electrónicos o de comunicación mediante el uso directo de las señales cerebrales del individuo. Las señales cerebrales se pueden registrar de forma invasiva, con dispositivos de registro implantados directamente en la corteza, o de forma no invasiva, utilizando electrodos EEG en el cuero cabelludo. El ECoG sirve para proporcionar un compromiso parcialmente invasivo entre las dos modalidades: si bien el ECoG no atraviesa la barrera hematoencefálica como los dispositivos de registro invasivos, presenta una resolución espacial más alta y una relación señal-ruido más alta que el EEG. ECoG ha llamado la atención recientemente por decodificar discursos o música imaginados, lo que podría conducir a decodificaciones "literales" BCI en las que los usuarios simplemente imaginan palabras, oraciones o música que la BCI puede interpretar directamente.

Además de las aplicaciones clínicas para localizar regiones funcionales para respaldar la neurocirugía, el mapeo cerebral funcional en tiempo real con ECoG ha ganado atención para respaldar la investigación sobre cuestiones fundamentales en neurociencia. Por ejemplo, un estudio de 2017 exploró regiones dentro de las áreas de procesamiento del rostro y del color y descubrió que estas subregiones hacían contribuciones muy específicas a diferentes aspectos de la visión. Otro estudio encontró que la actividad de alta frecuencia de 70 a 200 Hz reflejaba procesos asociados con la toma de decisiones tanto transitoria como sostenida. Otro trabajo basado en ECoG presentó un nuevo enfoque para interpretar la actividad cerebral, sugiriendo que tanto la potencia como la fase influyen conjuntamente en el potencial de voltaje instantáneo, que regula directamente la excitabilidad cortical. Al igual que el trabajo para decodificar el habla y la música imaginadas, estas líneas de investigación que implican el mapeo cerebral funcional en tiempo real también tienen implicaciones para la práctica clínica, incluyendo tanto la neurocirugía como los sistemas BCI. El sistema que se utilizó en la mayoría de estas publicaciones de mapeo funcional en tiempo real, "CortiQ". se ha utilizado tanto para investigación como para aplicaciones clínicas.

Avances recientes

El electrocorticograma todavía se considera el "estándar de oro" para definir zonas epileptogénicas; sin embargo, este procedimiento es riesgoso y altamente invasivo. Estudios recientes han explorado el desarrollo de una técnica de imágenes corticales no invasiva para la planificación prequirúrgica que puede proporcionar información y resolución similares del ECoG invasivo.

En un enfoque novedoso, Lei Ding et al. buscan integrar la información proporcionada por una resonancia magnética estructural y un EEG del cuero cabelludo para proporcionar una alternativa no invasiva al ECoG. Este estudio investigó un enfoque de localización de fuentes subespaciales de alta resolución, FINE (vectores de primer principio) para obtener imágenes de las ubicaciones y estimar la extensión de las fuentes de corriente a partir del EEG del cuero cabelludo. Se aplicó una técnica de umbral a la tomografía resultante de los valores de correlación subespacial para identificar fuentes epileptogénicas. Este método se probó en tres pacientes pediátricos con epilepsia intratable, con resultados clínicos alentadores. Cada paciente fue evaluado mediante resonancia magnética estructural, monitorización por video EEG a largo plazo con electrodos en el cuero cabelludo y, posteriormente, con electrodos subdurales. Luego, los datos de ECoG se registraron a partir de rejillas de electrodos subdurales implantadas colocadas directamente en la superficie de la corteza. También se obtuvieron imágenes de resonancia magnética y tomografía computarizada para cada sujeto.

Las zonas epileptogénicas identificadas a partir de datos de EEG preoperatorios fueron validadas mediante observaciones de datos de ECoG posoperatorios en los tres pacientes. Estos resultados preliminares sugieren que es posible dirigir la planificación quirúrgica y localizar zonas epileptógenas de forma no invasiva utilizando los métodos de integración y de imagen descritos. Los resultados del EEG fueron validados aún más por los resultados quirúrgicos de los tres pacientes. Después de la resección quirúrgica, dos pacientes están libres de convulsiones y el tercero experimentó una reducción significativa de las convulsiones. Debido a su éxito clínico, FINE ofrece una alternativa prometedora al ECoG preoperatorio, proporcionando información sobre la ubicación y el alcance de las fuentes epileptogénicas a través de un procedimiento de imágenes no invasivo.