在现代神经外科手术中，术中功能性皮质定位是确保手术成功和患者术后康复的重要环节。传统的术中定位技术包括术前功能成像研究和多种术中神经生理学测试。这些方法不仅需要较高的技术水平，还存在一定的局限性。例如，体感诱发电位（SSEP）阶段逆转用于中央沟定位以及直接电刺激皮质映射和皮质下刺激等方法，尽管有效，但在一些情况下可能无法提供足够的空间分辨率和准确性。


近年来，术中被动高伽马（70–170Hz）映射（HGM）作为一种无需电刺激的技术，越来越受到关注。这种方法通过硬脑膜下条带或网格的皮层电图（ECoG）来捕捉大脑活动。HGM在识别与功能皮质区域相关的神经活动方面表现出色，但现有的ECoG网格在空间分辨率和与皮层表面贴合度方面仍有不足。传统的ECoG网格难以完美适应复杂的皮层表面形状，可能导致数据采集不完整，影响手术的精确性和患者的舒适度。


为了克服现有ECoG网格的限制，本研究由俄勒冈健康与科学大学、加州大学圣地亚哥分校、马萨诸塞总医院和布里格姆妇女医院的研究团队合作，开发了一种由薄膜聚（3,4-乙烯二氧噻吩）与聚苯乙烯磺酸酯（PEDOT：PSS）和铂纳米棒组成的ECoG网格。这些高分辨率电极网格不仅能显著提高空间分辨率，还具有更好的灵活性，能够更好地适应皮层表面的复杂形状，从而提供更精确的功能区域定位。


本研究的目标是评估这些新型高分辨率电极网格在术中的应用效果，并通过对比分析，验证其在术中诊断和定位功能皮质区域方面的可靠性和有效性。研究主要通过观察性数据收集和临床应用实例来实现这一目标。


研究方法


本研究设计为一项观察性研究，收集了在2019年1月1日至2021年9月10日期间同意术中放置高分辨率电极网格的所有成年患者的数据。研究包括患者的年龄、性别、手术指征、术前功能缺陷、麻醉类型和临床映射方式等变量。术中使用的电极网格包括PEDOT:PSS和PtNR网格，网格数据包括化学组成、通道数量、放置策略和放置位置。

图1使用的范例微电极网格(特别是PtNR网格)的照片。注意电极触点是肉眼看不见的。右边是网格相对于手指的照片，来表示微电极接触的紧凑程度


具体来说，研究对象为在俄勒冈健康与科学大学、加州大学圣地亚哥分校、马萨诸塞总医院和布里格姆妇女医院接受病理组织切除手术的成年患者。数据收集涵盖了多项变量，包括患者的基本人口统计信息（如年龄、性别）、手术指征（如癫痫、肿瘤切除等）、术前功能状态、麻醉方式（全身麻醉或局部麻醉）以及具体的临床映射方法（如电刺激、语言测试等）。


电极网格的具体参数也被详细记录，包括网格的材料组成（PEDOT:PSS或PtNR）、通道数量、放置策略（如网格的具体位置、角度等）以及放置位置（如脑皮层的具体区域）。此外，研究还记录了术中网格使用的成功率、术中并发症（如出血、感染等）以及电极故障情况。


研究的主要结局指标包括网格使用成功率（即成功放置并正常记录脑电活动的网格数量）、术中并发症的发生率以及电极故障率。次要结局指标包括术后患者的功能恢复情况以及手术的总体效果。

图2放置在灭菌托盘中的DuraHolder袋中微电极网格(a)。扩展板穿过情境™无菌膜，并由Tegaderm固定以形成无菌屏障(B)。然后将绿色扩展板连接到放大板(C)，然后从内部拉出膜。由一名团队成员制作的非无菌表面，覆盖放大器板和相关的出线电缆(D)。然后用无菌盐水(E)进行阻抗和通道产量测试。一旦定位正确，使用格林伯格或C夹用于将放大器板固定在适当的位置(F)。记录设置如图(G)所示。Intan放大器A通过8根SPI电缆连接到放大器板b，放大器板C分别连接到扩展板和栅格D和E。右面板展示了资深作者在术中使用微电极网格。


研究结果分析


在2019年1月1日至2022年4月1日期间，89名患者在开颅手术中接受了94个网格的植入，以切除病理组织。这些手术分别在Oregon Health&Science University(OHSU)和Massachusetts General Hospital(MGH)进行，比例分别为63.0%和24.7%。研究重点是患者的人口统计、网格类型及其植入位置、数据收集成功率及测试结果、安全性评估和具体临床应用。患者的平均年龄为45.9±1.7岁，颅内肿瘤切除术是最常见的手术指征，占65.2%。大多数患者在术前没有功能缺陷，并在麻醉监护下进行清醒开颅手术，占68.5%。


微电极网格类型和植入位置


在研究期间，共放置了36个PtNRGrids和58个PEDOT网格。网格大小和通道数量各异，包括32mm×32mm的1024通道网格（48个，占51.1%）、128通道网格（44个，占46.8%）以及2个2048通道网格。网格的放置位置主要基于解剖标志和评估中的假设，颞叶区域是最常见的植入部位。


在94个原始网格中，86个用于成功收集皮质记录。数据收集涵盖82名患者，其中4名患者使用了2个网格进行记录。网格主要用于记录实验研究任务（58.4%）或被动静息状态。接受功能测试的患者中，36.0%进行了接受性语言测试，27.0%进行了肢体体感和运动测试。参与研究任务的患者中，33.7%参与音素任务，23.6%参与肢体运动和感觉任务，19.1%进行被动体感诱发电位记录。

图3:灭菌方式对PtNR网格阻抗和通道屈服的影响左图给出了内部MATLAB脚本的示例输出，该脚本用于在PtNR网格上进行阻抗和通道屈服测试。请注意，与V-PRO相比，蒸汽高压灭菌后阻抗中值增加更大(见内嵌阻抗大小直方图)。右图显示了V-PRO和蒸汽灭菌方法后可用通道的差异。非参数Mann-Whitney u检验比较蒸汽灭菌的PtNR栅格(n=7)和V-PRO(n=20)的通道产量表明，V-PRO保存的通道数量明显更多(905个[650.8-935.5]比356个[18.0-597.8]，p=0.0031)。


在研究过程中，共有8例PtNRGrid失败，主要原因是消毒过程中网格损坏。最初使用蒸汽灭菌和自来水进行消毒，但观察到通道产量和阻抗的差异，导致改用V-PRO循环（包括雾化过氧化氢）。V-PRO灭菌显著提高了通道产率，与蒸汽灭菌相比，V-PRO灭菌的通道产率更高（905[650.8-935.5]vs.356[18.0-597.8]，p=0.0031）。


研究未发现与PEDOT网格或PtNRGrid使用相关的术中不良事件或可见组织损伤。术后影像学检查也未发现由网格覆盖的皮质区域内或附近有任何局灶性异常。此外，术后90天内未出现术后颅内感染病例，这表明网格材料在手术应用中的安全性。


研究通过多种测试和监测方法验证了网格的功能和应用价值。例如，在接受清醒肿瘤切除术的患者中，1024通道PtNRGrid用于记录体感诱发电位（SSEP），捕获相位反转波形，显示M1-S1功能边界。PtNRGrid的记录精度高于传统的临床ECoG网格，体现在SSEP的最大峰间振幅比传统网格大20倍以上，并清晰显示相位反转边界。对于因难治性癫痫接受左侧颞叶切除术的患者，PtNRGrid帮助识别癫痫发作区，通过捕获癫痫发作活动的传播模式，提供了自发和双极刺激诱发的癫痫发作活动的时空动态数据。这些数据通过向量场和流线图呈现，显示了发作活动的起源和传播路径，有助于确定癫痫发作区的位置，并指导致癫痫组织的切除。

图4:PtNR微电极网格放置与中央沟与相位反转识别的M1-S1功能边界的差异显示(A)。右上、左、右面板分别显示网格放置和识别的功能边界(FB)相对于中央沟(CS)的位置。底部面板显示了FB与CS的关系，这是通过基于潜力的图(左)和相关系数图(右)确定的。感觉和运动实验范式示意图及相关结果(B)。左下角的五组图显示了每个指尖在振动触觉刺激下HGA的定位和强度。右侧垂直的三个窗格显示了手握开始后85ms,205ms和300ms时HGA在初级运动和感觉皮质区域的进展情况。经Tchoe et al.2022.7许可改编。

图5:PtNR微电极网格相对于潜在癫痫发作病灶、颞上回(STG)和颞中回(MTG)的位置(A)。微电极网格捕捉到刺激诱发的和自发的皮层放电(B)。左侧图显示刺激和自发诱发的脑电波振幅的时间变化，右侧图显示流线图，箭头表示脑电波传播方向。经Tchoe et al.2022.7许可改编


在听觉语言处理的研究中，PtNRGrid被用于记录清醒颞顶骨开颅术患者的皮层活动。通过听觉语言测试范式，研究人员能够捕获皮层对英语单词刺激的反应。在刺激传递后500-600ms，大脑皮层对听觉单词刺激有强烈反应。通过分析PtNRGrid通道在单词刺激期间捕获的皮层反应，研究人员能够识别出在STG中对听觉语言刺激表现出优先参与反应的区域。


图6:术中照片显示PtNR微电极网格相对于颞顶开颅术的位置(A)。插图描绘了ptnr网格相对于颞上回(STG)的位置(浅紫色)(B)。热图显示了听觉语言刺激通过PtNRGrid通道传递后500-600ms的平均皮层反应程度(C)。注意深红色显示的水平长方形区域反应特别强烈。


结论与展望


本研究通过对高分辨率电极网格在人类微皮层电图中的术中应用进行评估，验证了这些新型电极网格在临床中的可行性和有效性。结果表明，由PEDOT:PSS和PtNR组成的高分辨率电极网格能够显著提高术中功能皮质定位的精确性和可靠性，尤其是在需要高空间分辨率和精确功能定位的开颅手术中。


高分辨率电极网格的应用前景广阔，不仅在临床手术中具有重要意义，还为未来的神经科学研究提供了新的工具。未来的研究应继续优化电极网格的预处理和灭菌方法，以进一步降低故障率和提高操作简便性。此外，需开展更大规模的临床研究，比较这些高分辨率网格与市售网格在诊断效用和临床结果方面的差异，从而进一步验证其临床应用价值。


本研究为术中功能皮质定位提供了一种新方法，具有重要的临床和研究意义。这些高分辨率电极网格的应用不仅有助于提高手术的成功率和患者的术后康复质量，还能为神经科学研究提供高质量的数据支持。未来的研究和应用将继续探索这些电极网格在更广泛的临床场景中的潜力，并不断完善其技术和操作规范，以实现更高效、更安全的临床应用。