四、讨论


在过去的10年中，我们收集了一个包含119例癫痫患者微电极记录数据的数据库。大多数微电极被植入颞叶内侧区域，这与颞叶癫痫占主导地位的情况相符。我们的植入后成像分析还显示，正如预期的那样，大多数微电极位于灰质中，但也有一些位于白质或脑膜中。这种定位偏差可能与我们的植入策略有关：最深的宏观接触点放置在颞叶内侧皮质，而微导线必须从那里向脑的内部延伸。在轨迹规划期间，微导线的估计长度总是包含几毫米的误差余量，以防在植入过程中宏观电极轨迹出现潜在偏差。然而，可能会出现更大的偏差，导致微电极无法到达目标位置。我们观察到，与海马体等其他区域相比，在某些脑区（如杏仁核）中灰质的定位偏差更多，这可能是因为杏仁核中电极尖端之外的灰质体积较小。尽管如此，添加微电极并没有增加出血和感染并发症的风险。


对我们微电极记录中的噪声水平和多单元活动（MUA）存在情况的分析表明，随着一些技术变化，情况逐渐得到改善。分析是在沿着整个记录过程均匀分布的盲目选择的文件上进行的，以便对噪声水平有最客观的总体了解。患者房间的电绝缘起到了主要作用，而使用强化微电极束的影响虽较小但也不可忽视。最后几个时间段（即我们当前的记录配置）中，滤波后的微电极信号的大多数均方根（RMS）值相对较低。在第四和第五时间段，第一周超过85%的测量值、第二周近70%的测量值分别小于7.4微伏，而在第二时间段，这一比例低于10%。从2010年到2020年，每束记录到多单元活动的导线数量随着时间段的推移显著增加。从记录的第一天起，数据质量的改善就很有效，并且能够在记录结束前保持更好的质量（更低的均方根值和更多记录到多单元活动的导线）。我们数据中均方根值的降低增加了我们记录多单元活动的可能性，因此也增加了通过尖峰分类更好地分离单单元活动（SUA）的概率。在对我们的数据进行的几项分析中确实观察到了多单元活动和单单元活动之间的这种关系。记录中存在的多单元活动越多，能够分离出的单单元活动就越多。根据图8A，似乎要获得足够高的信噪比以捕捉动作电位，使均方根值小于10微伏很重要。我们观察到均方根值低于5微伏时多单元活动较少，这一事实可能可以用极低的电噪声和生理噪声来解释，也就是说，信号上多单元活动的缺失导致了滤波后信号均方根值的降低。


有趣的是，在我们首次进行微电极记录时（第一时间段），当时微电极与宏观电极分开记录，并且每天只记录几个小时，我们获得的均方根值比第二时间段更低，多单元活动更多，异常值也比其他所有时间段都少。这可能是因为在整个记录过程中都有研究人员在场，系统地尝试降低噪声，例如屏蔽所有电缆，并且仅在噪声水平较低时才开始记录。向使用单一放大器记录宏观和微电极信号过渡（第二时间段）最初导致了信号质量的下降。然而，第二时间段均方根值的降低揭示了从植入到记录的所有步骤中所做改进的影响。第二时间段和第三时间段之间均方根值的显著差异突显了患者房间电绝缘的重要性，其经济成本因噪声的大幅降低而得到了平衡。然而，修改电气装置并不总是可行的，而且它也无法防止某些电噪声源。屏蔽电缆以防止周围的电磁干扰并避免接地环路至关重要。我们可以通过用连接到患者身上的导电织物覆盖微电极屏蔽不良的尾部来观察到微电极中50/60赫兹噪声的降低。


此外，与所有电生理记录一样，任何插入插座且接触患者、患者所坐的床/椅子，或者连接器和系留电缆的电气设备，都会引入50/60赫兹的噪声，应该避免使用。因此，如果患者需要使用电脑或手机，最好使用电池供电。然而，即使使用电池，当患者触摸键盘时，笔记本电脑也可能成为微电极的噪声源。一种解决方案，特别是对于必须做出反应的认知任务，是使用光缆连接到按钮响应盒。无线键盘或鼠标也可能可行，但首先应该测试其响应延迟和抖动情况。如果患者的床是电动的，也可能是噪声源。如果是这种情况，应该考虑拔掉电源或使用手动床。我们还发现，将一个松动的头皮电极连接到NeuraLynx公司的放大器上，是连接到同一32通道输入板上的所有电极产生慢波伪影的另一个来源。悬空的头皮电极具有头箱或系统输入的阻抗，就像空气中的天线一样，会拾取环境中的噪声。


参考电极对于降低噪声水平也很重要。即使总是可以在离线状态下更改参考电极，但在采集过程中使用最佳参考电极会增加获得良好信号的机会。例如，如果参考电极损坏且对运动/噪声敏感，并可能出现饱和情况，那么所有信号都会饱和，并且无法通过离线重新参考来改善信号。一个良好的参考电极还有助于对信号质量进行在线评估，以便在必要时调整记录设置。因为我们经常观察到未绝缘导线会导致噪声水平升高，所以对于型号2和型号3，尽管会对局部场电位（LFP）产生影响，我们大多还是更倾向于使用普通微导线。这并非所有使用微电极进行记录的中心的选择，可能是因为如果需要，在进行尖峰分类之前可以离线重新参考。可以使用几种重新参考技术，例如使用局部参考电极或所有导线的平均值。除了这些经典技术之外，还提出了零参考方法的自适应版本。未绝缘导线的影响因患者而异，这需要进一步研究，其对单元记录和尖峰分类的影响也是如此。


微导线的任何损坏不仅会增加电极的阻抗和50/60赫兹的噪声，还会因运动产生伪影。损坏可能在手术到记录结束之间的任何时间发生，特别是在操作电极时，这可能会导致数据质量下降。因此，我们制定了一个从手术到记录结束的程序（表1和表2），在每个步骤中，都要小心操作电极：神经外科医生在切割导线并将其插入宏观电极时要小心操作，护士在用绷带包扎头部时要小心操作，技术人员在将电极尾部连接到连接器时也要小心操作。有趣的是，在切换到更耐用的某型号微电极后，我们观察到极端均方根值（异常值更少）减少了，这可能与导线损坏减少有关。一般来说，有噪声的通道从记录开始时就存在，这表明电极的损坏更可能发生在手术到记录开始之间，而不是在记录过程中。因此，对电极的加固似乎降低了损坏的风险，并提高了整个采集过程中的记录质量。


我们还观察到，均方根值随着时间的推移略有增加，并且这与多单元活动（MUA）记录的减少相关。均方根值的增加可能是由于微导线阻抗的增加，正如在另一种电极型号上所观察到的那样。多单元活动的丢失也可能是由于微电极周围的炎症反应，将微电极插入神经组织可能会导致胶质增生，从而导致记录灵敏度的丧失。尽管在记录结束时记录到多单元活动的导线数量减少了，但多单元活动经常会出现在新的导线上，或者在一段“沉默”间隔后再次出现。这种波动需要进一步研究。然而，我们假设这可能是由于电极或大脑的轻微移动，使得导线能够记录到与之前不同的其他神经元的信号。或者，这可能是由于电极尾部的移动导致阻抗发生变化。


微电极连续且长期记录质量的提高，增加了使用微电极记录癫痫发作的可能性，这是研究癫痫发生机制以及与癫痫发作相关的细胞机制的关键要求。我们的数据表明，为了捕捉其发生具有不可预测性的癫痫发作，确实有必要对宏观电极和微电极进行连续记录。对9名患者的38次癫痫发作进行的首次分析（由位于癫痫发作起始区（SOZ）内的微电极记录）表明，癫痫发作起始时的神经元放电活动高度异质，并非超同步。然而，从癫痫发作起始区进行记录仍然是一个挑战，因为从定义上来说，在颅内检查开始时这个区域是未知的。此外，某型号的微-宏观电极只能记录像颞叶内侧结构这样的深部结构，但并不适合对新皮质结构进行采样。相反，皮质多电极阵列（如犹他阵列）可以覆盖新皮质结构，但会造成皮质损伤，并且只能用于将通过手术切除的结构。带有在宏观接触点之间突出的微导线的混合电极模型，例如DIXI四极管（MICRODEEP?微-宏观深度电极），是在更浅表的皮质区域记录单元活动的好方法。


每束记录到多单元活动（MUA）的导线数量仍然相当低，大约8根中有3根（范围为0到8根），而且这似乎不只是信噪比（SNR）的问题，因为可以观察到均方根（RMS）值非常低且没有多单元活动的情况。多单元活动的缺失可能也与导线和活跃神经元之间的距离有关。一种解决办法是，一旦微导线植入大脑后，如果没有记录到多单元活动，可以调整微导线的长度，以便尝试更接近神经元。据我们所知，DIXI四极管是唯一一种提出此类技术的电极型号，该技术允许将导线拉出多达2毫米。此外，DIXI微电极的另一个有趣特点是其四极管配置，而不是单根导线，基于动作电位记录的空间分布，这种配置应该能够更好地分离单单元。大多数无监督的尖峰分类软件可以使用四极管配置，将检测到的动作电位分离到不同单元中。


持续3周的连续记录，包括以高采样率记录的微电极数据，会产生大量需要存储、备份、分析和共享的数据。这只有在高效的信息技术基础设施支持下才有可能实现，该基础设施不仅要有高存储容量，还应具备快速且安全的数据访问功能。例如，我们每位患者大约会生成2TB的数据。除了存储容量之外，还有数据组织的问题，包括与患者和记录相关的所有元数据。每位患者的检查在电极定位、癫痫发作起始区（SOZ）、用药等方面都有所不同，而所有这些元数据对于分析电生理数据、研究癫痫或认知过程都是必需的。当患者数量增加时，一个结构化的数据库就变得至关重要。因此，我们开发了一个安全的调查和数据库，它可以包含临床信息、电极定位和技术设置。另一种可行的方法（并非相互排斥）是采用BIDS数据格式，这种格式是标准化的，适合数据共享，并且可以为每次记录添加元数据。最后，良好的数据组织与合适的分析流程相结合（见2.8节和图9）、专为长期数据设计的强大尖峰分类工具、以及强大的计算能力，是实现对大量采集数据进行分析的关键要素。


五、结论与展望


我们证明了在癫痫患者体内记录高质量、长期且连续的微电极信号是可行的。我们的程序允许在生理状态（如清醒和睡眠）和病理状态（如发作间期癫痫样放电和癫痫发作）期间，记录局部场电位（LFP）和单个神经元的活动。我们分享了提高这些记录质量的经验，并提出了一些技术指南（表1、表2和表6），这些指南是对其他关于微电极记录的方法学论文的补充。我们详细描述了术后头部包扎情况，这是电极操作中的关键步骤，并根据采集设置和环境对噪声水平进行了量化。

表6.主要指南总结


使用脑内微电极研究局灶性癫痫的癫痫发生机制面临着许多特定的挑战：（i）在实际的癫痫发作起始区（SOZ）进行记录；（ii）在癫痫发作期间记录单个神经元的活动；（iii）在不同的癫痫事件中随时间追踪同一个神经元；（iv）应对个体间的巨大差异。未来，微电极技术的可用性增加以及共享记录协议的出现，将扩大神经科学家之间人类微电极数据的储备量，并有助于克服这些困难。进展可能来自额外的技术进步，比如开发可移动的微电极，当丢失单个神经元活动时，这种微电极能够进一步向内或向外移动；或者开发非侵入性的皮质微电极阵列。微电极在癫痫领域显示出巨大的潜力。在未来的几十年里，我们期望微电极将越来越多地助力于破译癫痫发作产生的细胞机制，并建立癫痫致痫灶的新标志物。