四、討論

在過(guò)去的10年中，我們收集了一個(gè)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(zhì)中，但也有一些位于白質(zhì)或腦膜中。這種定位偏差可能與我們的植入策略有關(guān)：最深的宏觀(guān)接觸點(diǎn)放置在顳葉內側皮質(zhì)，而微導線(xiàn)必須從那里向腦的內部延伸。在軌跡規劃期間，微導線(xiàn)的估計長(cháng)度總是包含幾毫米的誤差余量，以防在植入過(guò)程中宏觀(guān)電極軌跡出現潛在偏差。然而，可能會(huì )出現更大的偏差，導致微電極無(wú)法到達目標位置。我們觀(guān)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(zhì)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(zhì)體積較小。盡管如此，添加微電極并沒(méi)有增加出血和感染并發(fā)癥的風(fēng)險。

對我們微電極記錄中的噪聲水平和多單元活動(dòng)（MUA）存在情況的分析表明，隨著(zhù)一些技術(shù)變化，情況逐漸得到改善。分析是在沿著(zhù)整個(gè)記錄過(guò)程均勻分布的盲目選擇的文件上進(jìn)行的，以便對噪聲水平有最客觀(guān)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(gè)時(shí)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(shí)間段，第一周超過(guò)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(shí)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(dòng)的導線(xiàn)數量隨著(zhù)時(shí)間段的推移顯著(zhù)增加。從記錄的第一天起，數據質(zhì)量的改善就很有效，并且能夠在記錄結束前保持更好的質(zhì)量（更低的均方根值和更多記錄到多單元活動(dòng)的導線(xiàn)）。我們數據中均方根值的降低增加了我們記錄多單元活動(dòng)的可能性，因此也增加了通過(guò)尖峰分類(lèi)更好地分離單單元活動(dòng)（SUA）的概率。在對我們的數據進(jìn)行的幾項分析中確實(shí)觀(guān)察到了多單元活動(dòng)和單單元活動(dòng)之間的這種關(guān)系。記錄中存在的多單元活動(dòng)越多，能夠分離出的單單元活動(dòng)就越多。根據圖8A，似乎要獲得足夠高的信噪比以捕捉動(dòng)作電位，使均方根值小于10微伏很重要。我們觀(guān)察到均方根值低于5微伏時(shí)多單元活動(dòng)較少，這一事實(shí)可能可以用極低的電噪聲和生理噪聲來(lái)解釋?zhuān)簿褪钦f(shuō)，信號上多單元活動(dòng)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(jìn)行微電極記錄時(shí)（第一時(shí)間段），當時(shí)微電極與宏觀(guān)電極分開(kāi)記錄，并且每天只記錄幾個(gè)小時(shí)，我們獲得的均方根值比第二時(shí)間段更低，多單元活動(dòng)更多，異常值也比其他所有時(shí)間段都少。這可能是因為在整個(gè)記錄過(guò)程中都有研究人員在場(chǎng)，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(shí)才開(kāi)始記錄。向使用單一放大器記錄宏觀(guān)和微電極信號過(guò)渡（第二時(shí)間段）最初導致了信號質(zhì)量的下降。然而，第二時(shí)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(jìn)的影響。第二時(shí)間段和第三時(shí)間段之間均方根值的顯著(zhù)差異突顯了患者房間電絕緣的重要性，其經(jīng)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(wú)法防止某些電噪聲源。屏蔽電纜以防止周?chē)碾姶鸥蓴_并避免接地環(huán)路至關(guān)重要。我們可以通過(guò)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(lái)觀(guān)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(huì )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(pán)時(shí)，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(wù)，是使用光纜連接到按鈕響應盒。無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)或鼠標也可能可行，但首先應該測試其響應延遲和抖動(dòng)情況。如果患者的床是電動(dòng)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(dòng)床。我們還發(fā)現，將一個(gè)松動(dòng)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(chǎn)生慢波偽影的另一個(gè)來(lái)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(xiàn)一樣，會(huì )拾取環(huán)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(xiàn)狀態(tài)下更改參考電極，但在采集過(guò)程中使用最佳參考電極會(huì )增加獲得良好信號的機會(huì )。例如，如果參考電極損壞且對運動(dòng)/噪聲敏感，并可能出現飽和情況，那么所有信號都會(huì )飽和，并且無(wú)法通過(guò)離線(xiàn)重新參考來(lái)改善信號。一個(gè)良好的參考電極還有助于對信號質(zhì)量進(jìn)行在線(xiàn)評估，以便在必要時(shí)調整記錄設置。因為我們經(jīng)常觀(guān)察到未絕緣導線(xiàn)會(huì )導致噪聲水平升高，所以對于型號2和型號3，盡管會(huì )對局部場(chǎng)電位（LFP）產(chǎn)生影響，我們大多還是更傾向于使用普通微導線(xiàn)。這并非所有使用微電極進(jìn)行記錄的中心的選擇，可能是因為如果需要，在進(jìn)行尖峰分類(lèi)之前可以離線(xiàn)重新參考?？梢允褂脦追N重新參考技術(shù)，例如使用局部參考電極或所有導線(xiàn)的平均值。除了這些經(jīng)典技術(shù)之外，還提出了零參考方法的自適應版本。未絕緣導線(xiàn)的影響因患者而異，這需要進(jìn)一步研究，其對單元記錄和尖峰分類(lèi)的影響也是如此。

微導線(xiàn)的任何損壞不僅會(huì )增加電極的阻抗和50/60赫茲的噪聲，還會(huì )因運動(dòng)產(chǎn)生偽影。損壞可能在手術(shù)到記錄結束之間的任何時(shí)間發(fā)生，特別是在操作電極時(shí)，這可能會(huì )導致數據質(zhì)量下降。因此，我們制定了一個(gè)從手術(shù)到記錄結束的程序（表1和表2），在每個(gè)步驟中，都要小心操作電極：神經(jīng)外科醫生在切割導線(xiàn)并將其插入宏觀(guān)電極時(shí)要小心操作，護士在用繃帶包扎頭部時(shí)要小心操作，技術(shù)人員在將電極尾部連接到連接器時(shí)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(guān)察到極端均方根值（異常值更少）減少了，這可能與導線(xiàn)損壞減少有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，有噪聲的通道從記錄開(kāi)始時(shí)就存在，這表明電極的損壞更可能發(fā)生在手術(shù)到記錄開(kāi)始之間，而不是在記錄過(guò)程中。因此，對電極的加固似乎降低了損壞的風(fēng)險，并提高了整個(gè)采集過(guò)程中的記錄質(zhì)量。

我們還觀(guān)察到，均方根值隨著(zhù)時(shí)間的推移略有增加，并且這與多單元活動(dòng)（MUA）記錄的減少相關(guān)。均方根值的增加可能是由于微導線(xiàn)阻抗的增加，正如在另一種電極型號上所觀(guān)察到的那樣。多單元活動(dòng)的丟失也可能是由于微電極周?chē)难装Y反應，將微電極插入神經(jīng)組織可能會(huì )導致膠質(zhì)增生，從而導致記錄靈敏度的喪失。盡管在記錄結束時(shí)記錄到多單元活動(dòng)的導線(xiàn)數量減少了，但多單元活動(dòng)經(jīng)常會(huì )出現在新的導線(xiàn)上，或者在一段“沉默”間隔后再次出現。這種波動(dòng)需要進(jìn)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(dòng)，使得導線(xiàn)能夠記錄到與之前不同的其他神經(jīng)元的信號?；蛘?，這可能是由于電極尾部的移動(dòng)導致阻抗發(fā)生變化。

微電極連續且長(cháng)期記錄質(zhì)量的提高，增加了使用微電極記錄癲癇發(fā)作的可能性，這是研究癲癇發(fā)生機制以及與癲癇發(fā)作相關(guān)的細胞機制的關(guān)鍵要求。我們的數據表明，為了捕捉其發(fā)生具有不可預測性的癲癇發(fā)作，確實(shí)有必要對宏觀(guān)電極和微電極進(jìn)行連續記錄。對9名患者的38次癲癇發(fā)作進(jìn)行的首次分析（由位于癲癇發(fā)作起始區（SOZ）內的微電極記錄）表明，癲癇發(fā)作起始時(shí)的神經(jīng)元放電活動(dòng)高度異質(zhì)，并非超同步。然而，從癲癇發(fā)作起始區進(jìn)行記錄仍然是一個(gè)挑戰，因為從定義上來(lái)說(shuō)，在顱內檢查開(kāi)始時(shí)這個(gè)區域是未知的。此外，某型號的微-宏觀(guān)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(zhì)結構進(jìn)行采樣。相反，皮質(zhì)多電極陣列（如猶他陣列）可以覆蓋新皮質(zhì)結構，但會(huì )造成皮質(zhì)損傷，并且只能用于將通過(guò)手術(shù)切除的結構。帶有在宏觀(guān)接觸點(diǎn)之間突出的微導線(xiàn)的混合電極模型，例如DIXI四極管（MICRODEEP?微-宏觀(guān)深度電極），是在更淺表的皮質(zhì)區域記錄單元活動(dòng)的好方法。

每束記錄到多單元活動(dòng)（MUA）的導線(xiàn)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(wèn)題，因為可以觀(guān)察到均方根（RMS）值非常低且沒(méi)有多單元活動(dòng)的情況。多單元活動(dòng)的缺失可能也與導線(xiàn)和活躍神經(jīng)元之間的距離有關(guān)。一種解決辦法是，一旦微導線(xiàn)植入大腦后，如果沒(méi)有記錄到多單元活動(dòng)，可以調整微導線(xiàn)的長(cháng)度，以便嘗試更接近神經(jīng)元。據我們所知，DIXI四極管是唯一一種提出此類(lèi)技術(shù)的電極型號，該技術(shù)允許將導線(xiàn)拉出多達2毫米。此外，DIXI微電極的另一個(gè)有趣特點(diǎn)是其四極管配置，而不是單根導線(xiàn)，基于動(dòng)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(wú)監督的尖峰分類(lèi)軟件可以使用四極管配置，將檢測到的動(dòng)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(huì )產(chǎn)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(shù)基礎設施支持下才有可能實(shí)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(fǎng)問(wèn)功能。例如，我們每位患者大約會(huì )生成2TB的數據。除了存儲容量之外，還有數據組織的問(wèn)題，包括與患者和記錄相關(guān)的所有元數據。每位患者的檢查在電極定位、癲癇發(fā)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(guò)程都是必需的。當患者數量增加時(shí)，一個(gè)結構化的數據庫就變得至關(guān)重要。因此，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(shù)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(jiàn)2.8節和圖9）、專(zhuān)為長(cháng)期數據設計的強大尖峰分類(lèi)工具、以及強大的計算能力，是實(shí)現對大量采集數據進(jìn)行分析的關(guān)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(zhì)量、長(cháng)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(tài)（如清醒和睡眠）和病理狀態(tài)（如發(fā)作間期癲癇樣放電和癲癇發(fā)作）期間，記錄局部場(chǎng)電位（LFP）和單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。我們分享了提高這些記錄質(zhì)量的經(jīng)驗，并提出了一些技術(shù)指南（表1、表2和表6），這些指南是對其他關(guān)于微電極記錄的方法學(xué)論文的補充。我們詳細描述了術(shù)后頭部包扎情況，這是電極操作中的關(guān)鍵步驟，并根據采集設置和環(huán)境對噪聲水平進(jìn)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(fā)生機制面臨著(zhù)許多特定的挑戰：（i）在實(shí)際的癲癇發(fā)作起始區（SOZ）進(jìn)行記錄；（ii）在癲癇發(fā)作期間記錄單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)；（iii）在不同的癲癇事件中隨時(shí)間追蹤同一個(gè)神經(jīng)元；（iv）應對個(gè)體間的巨大差異。未來(lái)，微電極技術(shù)的可用性增加以及共享記錄協(xié)議的出現，將擴大神經(jīng)科學(xué)家之間人類(lèi)微電極數據的儲備量，并有助于克服這些困難。進(jìn)展可能來(lái)自額外的技術(shù)進(jìn)步，比如開(kāi)發(fā)可移動(dòng)的微電極，當丟失單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)，這種微電極能夠進(jìn)一步向內或向外移動(dòng)；或者開(kāi)發(fā)非侵入性的皮質(zhì)微電極陣列。微電極在癲癇領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。在未來(lái)的幾十年里，我們期望微電極將越來(lái)越多地助力于破譯癲癇發(fā)作產(chǎn)生的細胞機制，并建立癲癇致癇灶的新標志物。