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(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。大多數(shù)微電極被植入顳葉內(nèi)側(cè)區(qū)域，這與顳葉癲癇占主導(dǎo)地位的情況相符。我們的植入后成像分析還顯示，正如預(yù)期的那樣，大多數(shù)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)：最深的宏觀接觸點(diǎn)放置在顳葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)，而微導(dǎo)線必須從那里向腦的內(nèi)部延伸。在軌跡規(guī)劃期間，微導(dǎo)線的估計(jì)長(zhǎng)度總是包含幾毫米的誤差余量，以防在植入過(guò)程中宏觀電極軌跡出現(xiàn)潛在偏差。然而，可能會(huì)出現(xiàn)更大的偏差，導(dǎo)致微電極無(wú)法到達(dá)目標(biāo)位置。我們觀察到，與海馬體等其他區(qū)域相比，在某些腦區(qū)（如杏仁核）中灰質(zhì)的定位偏差更多，這可能是因?yàn)樾尤屎酥须姌O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(xiǎn)。

對(duì)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，隨著一些技術(shù)變化，情況逐漸得到改善。分析是在沿著整個(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(duì)噪聲水平有最客觀的總體了解。患者房間的電絕緣起到了主要作用，而使用強(qiáng)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(dāng)前的記錄配置）中，濾波后的微電極信號(hào)的大多數(shù)均方根（RMS）值相對(duì)較低。在第四和第五時(shí)間段，第一周超過(guò)85%的測(cè)量值、第二周近70%的測(cè)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(dǎo)線數(shù)量隨著時(shí)間段的推移顯著增加。從記錄的第一天起，數(shù)據(jù)質(zhì)量的改善就很有效，并且能夠在記錄結(jié)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(dǎo)線）。我們數(shù)據(jù)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)尖峰分類更好地分離單單元活動(dòng)（SUA）的概率。在對(duì)我們的數(shù)據(jù)進(jìn)行的幾項(xiàng)分析中確實(shí)觀察到了多單元活動(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(jù)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，也就是說(shuō)，信號(hào)上多單元活動(dòng)的缺失導(dǎo)致了濾波后信號(hào)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(dāng)時(shí)微電極與宏觀電極分開(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?yàn)樵谡麄€(gè)記錄過(guò)程中都有研究人員在場(chǎng)，系統(tǒng)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和微電極信號(hào)過(guò)渡（第二時(shí)間段）最初導(dǎo)致了信號(hào)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差異突顯了患者房間電絕緣的重要性，其經(jīng)濟(jì)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。屏蔽電纜以防止周圍的電磁干擾并避免接地環(huán)路至關(guān)重要。我們可以通過(guò)用連接到患者身上的導(dǎo)電織物覆蓋微電極屏蔽不良的尾部來(lái)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(shè)備，都會(huì)引入50/60赫茲的噪聲，應(yīng)該避免使用。因此，如果患者需要使用電腦或手機(jī)，最好使用電池供電。然而，即使使用電池，當(dāng)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(duì)于必須做出反應(yīng)的認(rèn)知任務(wù)，是使用光纜連接到按鈕響應(yīng)盒。無(wú)線鍵盤(pán)或鼠標(biāo)也可能可行，但首先應(yīng)該測(cè)試其響應(yīng)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(yīng)該考慮拔掉電源或使用手動(dòng)床。我們還發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)輸入的阻抗，就像空氣中的天線一樣，會(huì)拾取環(huán)境中的噪聲。

參考電極對(duì)于降低噪聲水平也很重要。即使總是可以在離線狀態(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(hào)的機(jī)會(huì)。例如，如果參考電極損壞且對(duì)運(yùn)動(dòng)/噪聲敏感，并可能出現(xiàn)飽和情況，那么所有信號(hào)都會(huì)飽和，并且無(wú)法通過(guò)離線重新參考來(lái)改善信號(hào)。一個(gè)良好的參考電極還有助于對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行在線評(píng)估，以便在必要時(shí)調(diào)整記錄設(shè)置。因?yàn)槲覀兘?jīng)常觀察到未絕緣導(dǎo)線會(huì)導(dǎo)致噪聲水平升高，所以對(duì)于型號(hào)2和型號(hào)3，盡管會(huì)對(duì)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(dǎo)線。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?yàn)槿绻枰谶M(jìn)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(shù)，例如使用局部參考電極或所有導(dǎo)線的平均值。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(yīng)版本。未絕緣導(dǎo)線的影響因患者而異，這需要進(jìn)一步研究，其對(duì)單元記錄和尖峰分類的影響也是如此。

微導(dǎo)線的任何損壞不僅會(huì)增加電極的阻抗和50/60赫茲的噪聲，還會(huì)因運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偽影。損壞可能在手術(shù)到記錄結(jié)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(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。因此，我們制定了一個(gè)從手術(shù)到記錄結(jié)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(yī)生在切割導(dǎo)線并將其插入宏觀電極時(shí)要小心操作，護(hù)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(hào)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(dǎo)線損壞減少有關(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(duì)電極的加固似乎降低了損壞的風(fēng)險(xiǎn)，并提高了整個(gè)采集過(guò)程中的記錄質(zhì)量。

我們還觀察到，均方根值隨著時(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(dǎo)線阻抗的增加，正如在另一種電極型號(hào)上所觀察到的那樣。多單元活動(dòng)的丟失也可能是由于微電極周圍的炎癥反應(yīng)，將微電極插入神經(jīng)組織可能會(huì)導(dǎo)致膠質(zhì)增生，從而導(dǎo)致記錄靈敏度的喪失。盡管在記錄結(jié)束時(shí)記錄到多單元活動(dòng)的導(dǎo)線數(shù)量減少了，但多單元活動(dòng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在新的導(dǎo)線上，或者在一段“沉默”間隔后再次出現(xiàn)。這種波動(dòng)需要進(jìn)一步研究。然而，我們假設(shè)這可能是由于電極或大腦的輕微移動(dòng)，使得導(dǎo)線能夠記錄到與之前不同的其他神經(jīng)元的信號(hào)。或者，這可能是由于電極尾部的移動(dòng)導(dǎo)致阻抗發(fā)生變化。

微電極連續(xù)且長(zhǎng)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(jī)制以及與癲癇發(fā)作相關(guān)的細(xì)胞機(jī)制的關(guān)鍵要求。我們的數(shù)據(jù)表明，為了捕捉其發(fā)生具有不可預(yù)測(cè)性的癲癇發(fā)作，確實(shí)有必要對(duì)宏觀電極和微電極進(jìn)行連續(xù)記錄。對(duì)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(qū)（SOZ）內(nèi)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(qū)進(jìn)行記錄仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)閺亩x上來(lái)說(shuō)，在顱內(nèi)檢查開(kāi)始時(shí)這個(gè)區(qū)域是未知的。此外，某型號(hào)的微-宏觀電極只能記錄像顳葉內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)這樣的深部結(jié)構(gòu)，但并不適合對(duì)新皮質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。帶有在宏觀接觸點(diǎn)之間突出的微導(dǎo)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(zhì)區(qū)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(dǎo)線數(shù)量仍然相當(dāng)?shù)停蠹s8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?yàn)榭梢杂^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(dǎo)線和活躍神經(jīng)元之間的距離有關(guān)。一種解決辦法是，一旦微導(dǎo)線植入大腦后，如果沒(méi)有記錄到多單元活動(dòng)，可以調(diào)整微導(dǎo)線的長(zhǎng)度，以便嘗試更接近神經(jīng)元。據(jù)我們所知，DIXI四極管是唯一一種提出此類技術(shù)的電極型號(hào)，該技術(shù)允許將導(dǎo)線拉出多達(dá)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(dǎo)線，基于動(dòng)作電位記錄的空間分布，這種配置應(yīng)該能夠更好地分離單單元。大多數(shù)無(wú)監(jiān)督的尖峰分類軟件可以使用四極管配置，將檢測(cè)到的動(dòng)作電位分離到不同單元中。

持續(xù)3周的連續(xù)記錄，包括以高采樣率記錄的微電極數(shù)據(jù)，會(huì)產(chǎn)生大量需要存儲(chǔ)、備份、分析和共享的數(shù)據(jù)。這只有在高效的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施支持下才有可能實(shí)現(xiàn)，該基礎(chǔ)設(shè)施不僅要有高存儲(chǔ)容量，還應(yīng)具備快速且安全的數(shù)據(jù)訪問(wèn)功能。例如，我們每位患者大約會(huì)生成2TB的數(shù)據(jù)。除了存儲(chǔ)容量之外，還有數(shù)據(jù)組織的問(wèn)題，包括與患者和記錄相關(guān)的所有元數(shù)據(jù)。每位患者的檢查在電極定位、癲癇發(fā)作起始區(qū)（SOZ）、用藥等方面都有所不同，而所有這些元數(shù)據(jù)對(duì)于分析電生理數(shù)據(jù)、研究癲癇或認(rèn)知過(guò)程都是必需的。當(dāng)患者數(shù)量增加時(shí)，一個(gè)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)就變得至關(guān)重要。因此，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)安全的調(diào)查和數(shù)據(jù)庫(kù)，它可以包含臨床信息、電極定位和技術(shù)設(shè)置。另一種可行的方法（并非相互排斥）是采用BIDS數(shù)據(jù)格式，這種格式是標(biāo)準(zhǔn)化的，適合數(shù)據(jù)共享，并且可以為每次記錄添加元數(shù)據(jù)。最后，良好的數(shù)據(jù)組織與合適的分析流程相結(jié)合（見(jiàn)2.8節(jié)和圖9）、專為長(zhǎng)期數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的強(qiáng)大尖峰分類工具、以及強(qiáng)大的計(jì)算能力，是實(shí)現(xiàn)對(duì)大量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的關(guān)鍵要素。

五、結(jié)論與展望

我們證明了在癲癇患者體內(nèi)記錄高質(zhì)量、長(zhǎng)期且連續(xù)的微電極信號(hào)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(yàn)，并提出了一些技術(shù)指南（表1、表2和表6），這些指南是對(duì)其他關(guān)于微電極記錄的方法學(xué)論文的補(bǔ)充。我們?cè)敿?xì)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(jù)采集設(shè)置和環(huán)境對(duì)噪聲水平進(jìn)行了量化。

表6.主要指南總結(jié)

使用腦內(nèi)微電極研究局灶性癲癇的癲癇發(fā)生機(jī)制面臨著許多特定的挑戰(zhàn)：（i）在實(shí)際的癲癇發(fā)作起始區(qū)（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(yīng)對(duì)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(xiàn)，將擴(kuò)大神經(jīng)科學(xué)家之間人類微電極數(shù)據(jù)的儲(chǔ)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(dāng)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(nèi)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(xì)胞機(jī)制，并建立癲癇致癇灶的新標(biāo)志物。