四、討論


在過去的10年中，我們收集了一個包含119例癲癇患者微電極記錄數據的數據庫。大多數微電極被植入顳葉內側區域，這與顳葉癲癇占主導地位的情況相符。我們的植入后成像分析還顯示，正如預期的那樣，大多數微電極位于灰質中，但也有一些位于白質或腦膜中。這種定位偏差可能與我們的植入策略有關：最深的宏觀接觸點放置在顳葉內側皮質，而微導線必須從那里向腦的內部延伸。在軌跡規劃期間，微導線的估計長度總是包含幾毫米的誤差余量，以防在植入過程中宏觀電極軌跡出現潛在偏差。然而，可能會出現更大的偏差，導致微電極無法到達目標位置。我們觀察到，與海馬體等其他區域相比，在某些腦區（如杏仁核）中灰質的定位偏差更多，這可能是因為杏仁核中電極尖端之外的灰質體積較小。盡管如此，添加微電極并沒有增加出血和感染并發癥的風險。


對我們微電極記錄中的噪聲水平和多單元活動（MUA）存在情況的分析表明，隨著一些技術變化，情況逐漸得到改善。分析是在沿著整個記錄過程均勻分布的盲目選擇的文件上進行的，以便對噪聲水平有最客觀的總體了解?；颊叻块g的電絕緣起到了主要作用，而使用強化微電極束的影響雖較小但也不可忽視。最后幾個時間段（即我們當前的記錄配置）中，濾波后的微電極信號的大多數均方根（RMS）值相對較低。在第四和第五時間段，第一周超過85%的測量值、第二周近70%的測量值分別小于7.4微伏，而在第二時間段，這一比例低于10%。從2010年到2020年，每束記錄到多單元活動的導線數量隨著時間段的推移顯著增加。從記錄的第一天起，數據質量的改善就很有效，并且能夠在記錄結束前保持更好的質量（更低的均方根值和更多記錄到多單元活動的導線）。我們數據中均方根值的降低增加了我們記錄多單元活動的可能性，因此也增加了通過尖峰分類更好地分離單單元活動（SUA）的概率。在對我們的數據進行的幾項分析中確實觀察到了多單元活動和單單元活動之間的這種關系。記錄中存在的多單元活動越多，能夠分離出的單單元活動就越多。根據圖8A，似乎要獲得足夠高的信噪比以捕捉動作電位，使均方根值小于10微伏很重要。我們觀察到均方根值低于5微伏時多單元活動較少，這一事實可能可以用極低的電噪聲和生理噪聲來解釋，也就是說，信號上多單元活動的缺失導致了濾波后信號均方根值的降低。


有趣的是，在我們首次進行微電極記錄時（第一時間段），當時微電極與宏觀電極分開記錄，并且每天只記錄幾個小時，我們獲得的均方根值比第二時間段更低，多單元活動更多，異常值也比其他所有時間段都少。這可能是因為在整個記錄過程中都有研究人員在場，系統地嘗試降低噪聲，例如屏蔽所有電纜，并且僅在噪聲水平較低時才開始記錄。向使用單一放大器記錄宏觀和微電極信號過渡（第二時間段）最初導致了信號質量的下降。然而，第二時間段均方根值的降低揭示了從植入到記錄的所有步驟中所做改進的影響。第二時間段和第三時間段之間均方根值的顯著差異突顯了患者房間電絕緣的重要性，其經濟成本因噪聲的大幅降低而得到了平衡。然而，修改電氣裝置并不總是可行的，而且它也無法防止某些電噪聲源。屏蔽電纜以防止周圍的電磁干擾并避免接地環路至關重要。我們可以通過用連接到患者身上的導電織物覆蓋微電極屏蔽不良的尾部來觀察到微電極中50/60赫茲噪聲的降低。


此外，與所有電生理記錄一樣，任何插入插座且接觸患者、患者所坐的床/椅子，或者連接器和系留電纜的電氣設備，都會引入50/60赫茲的噪聲，應該避免使用。因此，如果患者需要使用電腦或手機，最好使用電池供電。然而，即使使用電池，當患者觸摸鍵盤時，筆記本電腦也可能成為微電極的噪聲源。一種解決方案，特別是對于必須做出反應的認知任務，是使用光纜連接到按鈕響應盒。無線鍵盤或鼠標也可能可行，但首先應該測試其響應延遲和抖動情況。如果患者的床是電動的，也可能是噪聲源。如果是這種情況，應該考慮拔掉電源或使用手動床。我們還發現，將一個松動的頭皮電極連接到NeuraLynx公司的放大器上，是連接到同一32通道輸入板上的所有電極產生慢波偽影的另一個來源。懸空的頭皮電極具有頭箱或系統輸入的阻抗，就像空氣中的天線一樣，會拾取環境中的噪聲。


參考電極對于降低噪聲水平也很重要。即使總是可以在離線狀態下更改參考電極，但在采集過程中使用最佳參考電極會增加獲得良好信號的機會。例如，如果參考電極損壞且對運動/噪聲敏感，并可能出現飽和情況，那么所有信號都會飽和，并且無法通過離線重新參考來改善信號。一個良好的參考電極還有助于對信號質量進行在線評估，以便在必要時調整記錄設置。因為我們經常觀察到未絕緣導線會導致噪聲水平升高，所以對于型號2和型號3，盡管會對局部場電位（LFP）產生影響，我們大多還是更傾向于使用普通微導線。這并非所有使用微電極進行記錄的中心的選擇，可能是因為如果需要，在進行尖峰分類之前可以離線重新參考。可以使用幾種重新參考技術，例如使用局部參考電極或所有導線的平均值。除了這些經典技術之外，還提出了零參考方法的自適應版本。未絕緣導線的影響因患者而異，這需要進一步研究，其對單元記錄和尖峰分類的影響也是如此。


微導線的任何損壞不僅會增加電極的阻抗和50/60赫茲的噪聲，還會因運動產生偽影。損壞可能在手術到記錄結束之間的任何時間發生，特別是在操作電極時，這可能會導致數據質量下降。因此，我們制定了一個從手術到記錄結束的程序（表1和表2），在每個步驟中，都要小心操作電極：神經外科醫生在切割導線并將其插入宏觀電極時要小心操作，護士在用繃帶包扎頭部時要小心操作，技術人員在將電極尾部連接到連接器時也要小心操作。有趣的是，在切換到更耐用的某型號微電極后，我們觀察到極端均方根值（異常值更少）減少了，這可能與導線損壞減少有關。一般來說，有噪聲的通道從記錄開始時就存在，這表明電極的損壞更可能發生在手術到記錄開始之間，而不是在記錄過程中。因此，對電極的加固似乎降低了損壞的風險，并提高了整個采集過程中的記錄質量。


我們還觀察到，均方根值隨著時間的推移略有增加，并且這與多單元活動（MUA）記錄的減少相關。均方根值的增加可能是由于微導線阻抗的增加，正如在另一種電極型號上所觀察到的那樣。多單元活動的丟失也可能是由于微電極周圍的炎癥反應，將微電極插入神經組織可能會導致膠質增生，從而導致記錄靈敏度的喪失。盡管在記錄結束時記錄到多單元活動的導線數量減少了，但多單元活動經常會出現在新的導線上，或者在一段“沉默”間隔后再次出現。這種波動需要進一步研究。然而，我們假設這可能是由于電極或大腦的輕微移動，使得導線能夠記錄到與之前不同的其他神經元的信號?；蛘?，這可能是由于電極尾部的移動導致阻抗發生變化。


微電極連續且長期記錄質量的提高，增加了使用微電極記錄癲癇發作的可能性，這是研究癲癇發生機制以及與癲癇發作相關的細胞機制的關鍵要求。我們的數據表明，為了捕捉其發生具有不可預測性的癲癇發作，確實有必要對宏觀電極和微電極進行連續記錄。對9名患者的38次癲癇發作進行的首次分析（由位于癲癇發作起始區（SOZ）內的微電極記錄）表明，癲癇發作起始時的神經元放電活動高度異質，并非超同步。然而，從癲癇發作起始區進行記錄仍然是一個挑戰，因為從定義上來說，在顱內檢查開始時這個區域是未知的。此外，某型號的微-宏觀電極只能記錄像顳葉內側結構這樣的深部結構，但并不適合對新皮質結構進行采樣。相反，皮質多電極陣列（如猶他陣列）可以覆蓋新皮質結構，但會造成皮質損傷，并且只能用于將通過手術切除的結構。帶有在宏觀接觸點之間突出的微導線的混合電極模型，例如DIXI四極管（MICRODEEP?微-宏觀深度電極），是在更淺表的皮質區域記錄單元活動的好方法。


每束記錄到多單元活動（MUA）的導線數量仍然相當低，大約8根中有3根（范圍為0到8根），而且這似乎不只是信噪比（SNR）的問題，因為可以觀察到均方根（RMS）值非常低且沒有多單元活動的情況。多單元活動的缺失可能也與導線和活躍神經元之間的距離有關。一種解決辦法是，一旦微導線植入大腦后，如果沒有記錄到多單元活動，可以調整微導線的長度，以便嘗試更接近神經元。據我們所知，DIXI四極管是唯一一種提出此類技術的電極型號，該技術允許將導線拉出多達2毫米。此外，DIXI微電極的另一個有趣特點是其四極管配置，而不是單根導線，基于動作電位記錄的空間分布，這種配置應該能夠更好地分離單單元。大多數無監督的尖峰分類軟件可以使用四極管配置，將檢測到的動作電位分離到不同單元中。


持續3周的連續記錄，包括以高采樣率記錄的微電極數據，會產生大量需要存儲、備份、分析和共享的數據。這只有在高效的信息技術基礎設施支持下才有可能實現，該基礎設施不僅要有高存儲容量，還應具備快速且安全的數據訪問功能。例如，我們每位患者大約會生成2TB的數據。除了存儲容量之外，還有數據組織的問題，包括與患者和記錄相關的所有元數據。每位患者的檢查在電極定位、癲癇發作起始區（SOZ）、用藥等方面都有所不同，而所有這些元數據對于分析電生理數據、研究癲癇或認知過程都是必需的。當患者數量增加時，一個結構化的數據庫就變得至關重要。因此，我們開發了一個安全的調查和數據庫，它可以包含臨床信息、電極定位和技術設置。另一種可行的方法（并非相互排斥）是采用BIDS數據格式，這種格式是標準化的，適合數據共享，并且可以為每次記錄添加元數據。最后，良好的數據組織與合適的分析流程相結合（見2.8節和圖9）、專為長期數據設計的強大尖峰分類工具、以及強大的計算能力，是實現對大量采集數據進行分析的關鍵要素。


五、結論與展望


我們證明了在癲癇患者體內記錄高質量、長期且連續的微電極信號是可行的。我們的程序允許在生理狀態（如清醒和睡眠）和病理狀態（如發作間期癲癇樣放電和癲癇發作）期間，記錄局部場電位（LFP）和單個神經元的活動。我們分享了提高這些記錄質量的經驗，并提出了一些技術指南（表1、表2和表6），這些指南是對其他關于微電極記錄的方法學論文的補充。我們詳細描述了術后頭部包扎情況，這是電極操作中的關鍵步驟，并根據采集設置和環境對噪聲水平進行了量化。

表6.主要指南總結


使用腦內微電極研究局灶性癲癇的癲癇發生機制面臨著許多特定的挑戰：（i）在實際的癲癇發作起始區（SOZ）進行記錄；（ii）在癲癇發作期間記錄單個神經元的活動；（iii）在不同的癲癇事件中隨時間追蹤同一個神經元；（iv）應對個體間的巨大差異。未來，微電極技術的可用性增加以及共享記錄協議的出現，將擴大神經科學家之間人類微電極數據的儲備量，并有助于克服這些困難。進展可能來自額外的技術進步，比如開發可移動的微電極，當丟失單個神經元活動時，這種微電極能夠進一步向內或向外移動；或者開發非侵入性的皮質微電極陣列。微電極在癲癇領域顯示出巨大的潛力。在未來的幾十年里，我們期望微電極將越來越多地助力于破譯癲癇發作產生的細胞機制，并建立癲癇致癇灶的新標志物。