Mappatura Dynamics corticali tramite MEG / EEG simultanee e anatomica vincolata minima norma-Stime: un esempio Attenzione Auditory

L'obiettivo generale di questa procedura è mappare la dinamica corticale alla base di diversi stati cognitivi umani. Questo viene raggiunto innanzitutto acquisendo dati magnetoencefalografici ed elettroencefalografici, o MEG ed EEG in breve, mentre un soggetto esegue un compito comportamentale. Il secondo passaggio consiste nell'ottenere dati anatomici utilizzando sequenze MRI appropriate.

Successivamente viene eseguita la co-registrazione per stabilire la corrispondenza spaziale tra le posizioni dei sensori di MEG e EEG con le informazioni anatomiche. L'ultimo passaggio consiste nell'utilizzare un approccio di imaging inverso per mappare l'attività cerebrale dell'individuo nello spazio corticale. Infine, un'analisi inferenziale statistica basata su un sistema di coordinate comune basato sulla superficie viene utilizzata per individuare modelli spazio-temporali significativi che distinguono uno stato cognitivo da un altro.

La procedura sarà dimostrata da Eric Lawson e Ross Maddox. Per i post dottorandi del mio laboratorio, iniziare questo protocollo ottenendo immagini strutturali mediante risonanza magnetica del soggetto. In primo luogo, acquisire una scansione strutturale mediante risonanza magnetica utilizzando una sequenza con eco in gradiente rapido preparata mediante magnetizzazione, o MP rage, o una sequenza simile.

Questa sequenza può richiedere da cinque a dieci minuti, a seconda della specifica risoluzione di scansione e del protocollo di acquisizione delle immagini, se i dati EEG verranno utilizzati per l'analisi di imaging inverso. Acquisire inoltre due scansioni MRI flash (fast low angle shot) o sequenze flash. Queste sequenze flash forniscono un contrasto tissutale diverso rispetto alle sequenze MP rage standard.

Al termine dell'acquisizione delle immagini, utilizzare il software MNE e FreeSurfer per ricostruire le superfici esterna del cranio, interna del cranio e della cute a partire dalle immagini MP RAGE e FLASH. Successivamente, utilizzare queste superfici per generare un modello a elementi di contorno (BEM) a tre strati prima dell'esperimento MEG. Verificare innanzitutto le latenze uditiva e visiva per assicurare l'integrità temporale.

Utilizzare un microfono e un DDE foto ottico collegato allo schermo, quindi assicurarsi che non vi sia alcun jitter osservabile. Ciò potrebbe richiedere l'impostazione del proiettore di presentazione alla sua risoluzione nativa. Successivamente, preparare il soggetto per la registrazione, facendo riferimento all'articolo video precedente di luital per i dettagli sulla preparazione dell'elettrogramma e dell'elettrodo di riferimento, nonché sulla digitalizzazione dei punti fiduciali anatomici del soggetto, delle bobine indicatrici della posizione della testa e degli elettrodi EEG.

Dopo aver posizionato comodamente il soggetto nella configurazione della testa per la misurazione MEG, utilizzando l'indicatore di posizione della testa o le bobine HPI, iniziare la registrazione e la presentazione di stimoli uditivi e visivi. Si noti che le misurazioni HPI possono anche essere effettuate in modo continuo. Il soggetto deve rispondere agli stimoli uditivi e visivi tramite un box di pulsanti ottici mentre svolge un compito comportamentale audiovisivo.

Qui il soggetto riporta il settore e la cifra provenienti dall'emisfero visivo indicato dal segnale visivo. Occasionalmente, ai soggetti viene richiesto visivamente di spostare l'attenzione sull'emisfero controlaterale a metà della prova. Per studiare lo spostamento dell'attenzione uditiva, sono disponibili numerose soluzioni hardware e software per la presentazione degli stimoli.

Qui, il sistema Tucker Davis Technologies RZ sei viene utilizzato per la presentazione degli stimoli uditivi e per il marcatore dei trigger, mentre Psych Toolbox viene impiegato per la presentazione degli stimoli visivi; entrambi i sistemi sono controllati da Matlab. Per iniziare l'elaborazione dei dati, effettuare la co-registrazione dei dati EEG con la risonanza magnetica strutturale utilizzando il software MNE come mostrato qui: innanzitutto caricare i dati del digitizer nel modello cerebrale ricostruito dell'individuo ottenuto tramite risonanza magnetica. Successivamente, selezionare i punti fiduciali per avviare il processo di co-registrazione, quindi procedere con la procedura automatica di allineamento per completare la trasformazione delle coordinate.

Quindi, correlare la posizione di ciascun dipolo nello spazio sorgente con la posizione di ciascun sensore. Combinare i dati registrati dagli indicatori della posizione della testa per calcolare una soluzione diretta mediante il modello a elementi di contorno a tre strati, al fine di aumentare ulteriormente il rapporto segnale-rumore dei dati. Applicare la rimozione degli artefatti nel dominio temporale, ad esempio eliminando gli episodi contenenti segnali di ampiezza anormalmente elevata dovuti a picchi in un canale.

Applicare inoltre la rimozione di artefatti nel dominio della frequenza, come il filtraggio notch a banda stretta a 50 o 60 hertz per eliminare la frequenza di rete, utilizzare la proiezione nello spazio del segnale o altre tecniche di riduzione del rumore, come la separazione dello spazio del segnale, per proiettare o separare i modelli di campo spaziale derivanti dalla contaminazione del campo ambientale o da altri segnali fisiologici indesiderati, come quelli associati ai battiti delle palpebre e agli artefatti cardiaci. Generare ora un filmato cerebrale della stima del dipolo distribuito, ovvero la stima della corrente in ogni posizione di dipolo nello spazio sorgente nel tempo, per ciascuna condizione sperimentale. A seconda delle caratteristiche temporali del disegno sperimentale, i dati possono essere aggregati nel tempo mediante la media delle stime della corrente utilizzando finestre temporali non sovrapposte per proseguire l'analisi morfologica.

I filmati cerebrali precedentemente creati per ogni soggetto vengono proiettati su uno spazio corticale comune basato su un sistema di coordinate superficiale, che allinea in modo ottimale i singoli modelli anatomici corticali. Ciò consente il confronto o la media delle attività corticali tra soggetti. Per adottare un approccio basato su regioni di interesse, le ROI possono essere definite anatomicamente, ad esempio mediante un algoritmo automatico di parcellizzazione, oppure funzionalmente registrando un compito di localizzazione funzionale come un compito di tipo go/no-go per identificare le regioni oculomotrici. L'analisi può inoltre essere limitata a un intervallo temporale specifico, appropriato al paradigma sperimentale utilizzato, ad esempio restringendola al periodo immediatamente precedente e successivo all'inizio degli stimoli sonori.

Altri metodi di inferenza statistica associati all'analisi delle serie temporali possono essere utilizzati anche impiegando il paradigma comportamentale descritto in precedenza. Qui riportiamo risultati rappresentativi ottenuti mediante la procedura non parametrica di clustering spaziotemporale. Il campo oculare frontale destro risulta significativo quando un soggetto esegue un compito di riorientamento rispetto a un compito standard.

Utilizzando l'approccio ROI, viene mostrato l'andamento temporale del campo oculare frontale destro insieme al periodo di tempo in cui queste due condizioni risultano significativamente diverse. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una chiara comprensione di come utilizzare M-E-G-E-E-G e MRI per mappare la dinamica corticale in diverse attività comportamentali. Impiegando opportuni approcci statistici, è possibile individuare diversi modelli spaziotemporali che distinguono tra stati cognitivi.

Grazie per aver guardato e buona fortuna con gli esperimenti.