在現(xiàn)代神經(jīng)外科手術(shù)中，術(shù)中功能性皮質(zhì)定位是確保手術(shù)成功和患者術(shù)后康復(fù)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的術(shù)中定位技術(shù)包括術(shù)前功能成像研究和多種術(shù)中神經(jīng)生理學(xué)測(cè)試。這些方法不僅需要較高的技術(shù)水平，還存在一定的局限性。例如，體感誘發(fā)電位（SSEP）階段逆轉(zhuǎn)用于中央溝定位以及直接電刺激皮質(zhì)映射和皮質(zhì)下刺激等方法，盡管有效，但在一些情況下可能無(wú)法提供足夠的空間分辨率和準(zhǔn)確性。

近年來(lái)，術(shù)中被動(dòng)高伽馬（70–170Hz）映射（HGM）作為一種無(wú)需電刺激的技術(shù)，越來(lái)越受到關(guān)注。這種方法通過(guò)硬腦膜下條帶或網(wǎng)格的皮層電圖（ECoG）來(lái)捕捉大腦活動(dòng)。HGM在識(shí)別與功能皮質(zhì)區(qū)域相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)方面表現(xiàn)出色，但現(xiàn)有的ECoG網(wǎng)格在空間分辨率和與皮層表面貼合度方面仍有不足。傳統(tǒng)的ECoG網(wǎng)格難以完美適應(yīng)復(fù)雜的皮層表面形狀，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不完整，影響手術(shù)的精確性和患者的舒適度。

為了克服現(xiàn)有ECoG網(wǎng)格的限制，本研究由俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校、馬薩諸塞總醫(yī)院和布里格姆婦女醫(yī)院的研究團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)了一種由薄膜聚（3,4-乙烯二氧噻吩）與聚苯乙烯磺酸酯（PEDOT：PSS）和鉑納米棒組成的ECoG網(wǎng)格。這些高分辨率電極網(wǎng)格不僅能顯著提高空間分辨率，還具有更好的靈活性，能夠更好地適應(yīng)皮層表面的復(fù)雜形狀，從而提供更精確的功能區(qū)域定位。

本研究的目標(biāo)是評(píng)估這些新型高分辨率電極網(wǎng)格在術(shù)中的應(yīng)用效果，并通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證其在術(shù)中診斷和定位功能皮質(zhì)區(qū)域方面的可靠性和有效性。研究主要通過(guò)觀察性數(shù)據(jù)收集和臨床應(yīng)用實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

研究方法

本研究設(shè)計(jì)為一項(xiàng)觀察性研究，收集了在2019年1月1日至2021年9月10日期間同意術(shù)中放置高分辨率電極網(wǎng)格的所有成年患者的數(shù)據(jù)。研究包括患者的年齡、性別、手術(shù)指征、術(shù)前功能缺陷、麻醉類型和臨床映射方式等變量。術(shù)中使用的電極網(wǎng)格包括PEDOT:PSS和PtNR網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)據(jù)包括化學(xué)組成、通道數(shù)量、放置策略和放置位置。

圖1使用的范例微電極網(wǎng)格(特別是PtNR網(wǎng)格)的照片。注意電極觸點(diǎn)是肉眼看不見(jiàn)的。右邊是網(wǎng)格相對(duì)于手指的照片，來(lái)表示微電極接觸的緊湊程度

具體來(lái)說(shuō)，研究對(duì)象為在俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校、馬薩諸塞總醫(yī)院和布里格姆婦女醫(yī)院接受病理組織切除手術(shù)的成年患者。數(shù)據(jù)收集涵蓋了多項(xiàng)變量，包括患者的基本人口統(tǒng)計(jì)信息（如年齡、性別）、手術(shù)指征（如癲癇、腫瘤切除等）、術(shù)前功能狀態(tài)、麻醉方式（全身麻醉或局部麻醉）以及具體的臨床映射方法（如電刺激、語(yǔ)言測(cè)試等）。

電極網(wǎng)格的具體參數(shù)也被詳細(xì)記錄，包括網(wǎng)格的材料組成（PEDOT:PSS或PtNR）、通道數(shù)量、放置策略（如網(wǎng)格的具體位置、角度等）以及放置位置（如腦皮層的具體區(qū)域）。此外，研究還記錄了術(shù)中網(wǎng)格使用的成功率、術(shù)中并發(fā)癥（如出血、感染等）以及電極故障情況。

研究的主要結(jié)局指標(biāo)包括網(wǎng)格使用成功率（即成功放置并正常記錄腦電活動(dòng)的網(wǎng)格數(shù)量）、術(shù)中并發(fā)癥的發(fā)生率以及電極故障率。次要結(jié)局指標(biāo)包括術(shù)后患者的功能恢復(fù)情況以及手術(shù)的總體效果。

圖2放置在滅菌托盤中的DuraHolder袋中微電極網(wǎng)格(a)。擴(kuò)展板穿過(guò)情境?無(wú)菌膜，并由Tegaderm固定以形成無(wú)菌屏障(B)。然后將綠色擴(kuò)展板連接到放大板(C)，然后從內(nèi)部拉出膜。由一名團(tuán)隊(duì)成員制作的非無(wú)菌表面，覆蓋放大器板和相關(guān)的出線電纜(D)。然后用無(wú)菌鹽水(E)進(jìn)行阻抗和通道產(chǎn)量測(cè)試。一旦定位正確，使用格林伯格或C夾用于將放大器板固定在適當(dāng)?shù)奈恢?F)。記錄設(shè)置如圖(G)所示。Intan放大器A通過(guò)8根SPI電纜連接到放大器板b，放大器板C分別連接到擴(kuò)展板和柵格D和E。右面板展示了資深作者在術(shù)中使用微電極網(wǎng)格。

研究結(jié)果分析

在2019年1月1日至2022年4月1日期間，89名患者在開(kāi)顱手術(shù)中接受了94個(gè)網(wǎng)格的植入，以切除病理組織。這些手術(shù)分別在Oregon Health&Science University(OHSU)和Massachusetts General Hospital(MGH)進(jìn)行，比例分別為63.0%和24.7%。研究重點(diǎn)是患者的人口統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)格類型及其植入位置、數(shù)據(jù)收集成功率及測(cè)試結(jié)果、安全性評(píng)估和具體臨床應(yīng)用。患者的平均年齡為45.9±1.7歲，顱內(nèi)腫瘤切除術(shù)是最常見(jiàn)的手術(shù)指征，占65.2%。大多數(shù)患者在術(shù)前沒(méi)有功能缺陷，并在麻醉監(jiān)護(hù)下進(jìn)行清醒開(kāi)顱手術(shù)，占68.5%。

微電極網(wǎng)格類型和植入位置

在研究期間，共放置了36個(gè)PtNRGrids和58個(gè)PEDOT網(wǎng)格。網(wǎng)格大小和通道數(shù)量各異，包括32mm×32mm的1024通道網(wǎng)格（48個(gè)，占51.1%）、128通道網(wǎng)格（44個(gè)，占46.8%）以及2個(gè)2048通道網(wǎng)格。網(wǎng)格的放置位置主要基于解剖標(biāo)志和評(píng)估中的假設(shè)，顳葉區(qū)域是最常見(jiàn)的植入部位。

在94個(gè)原始網(wǎng)格中，86個(gè)用于成功收集皮質(zhì)記錄。數(shù)據(jù)收集涵蓋82名患者，其中4名患者使用了2個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行記錄。網(wǎng)格主要用于記錄實(shí)驗(yàn)研究任務(wù)（58.4%）或被動(dòng)靜息狀態(tài)。接受功能測(cè)試的患者中，36.0%進(jìn)行了接受性語(yǔ)言測(cè)試，27.0%進(jìn)行了肢體體感和運(yùn)動(dòng)測(cè)試。參與研究任務(wù)的患者中，33.7%參與音素任務(wù)，23.6%參與肢體運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)任務(wù)，19.1%進(jìn)行被動(dòng)體感誘發(fā)電位記錄。

圖3:滅菌方式對(duì)PtNR網(wǎng)格阻抗和通道屈服的影響左圖給出了內(nèi)部MATLAB腳本的示例輸出，該腳本用于在PtNR網(wǎng)格上進(jìn)行阻抗和通道屈服測(cè)試。請(qǐng)注意，與V-PRO相比，蒸汽高壓滅菌后阻抗中值增加更大(見(jiàn)內(nèi)嵌阻抗大小直方圖)。右圖顯示了V-PRO和蒸汽滅菌方法后可用通道的差異。非參數(shù)Mann-Whitney u檢驗(yàn)比較蒸汽滅菌的PtNR柵格(n=7)和V-PRO(n=20)的通道產(chǎn)量表明，V-PRO保存的通道數(shù)量明顯更多(905個(gè)[650.8-935.5]比356個(gè)[18.0-597.8]，p=0.0031)。

在研究過(guò)程中，共有8例PtNRGrid失敗，主要原因是消毒過(guò)程中網(wǎng)格損壞。最初使用蒸汽滅菌和自來(lái)水進(jìn)行消毒，但觀察到通道產(chǎn)量和阻抗的差異，導(dǎo)致改用V-PRO循環(huán)（包括霧化過(guò)氧化氫）。V-PRO滅菌顯著提高了通道產(chǎn)率，與蒸汽滅菌相比，V-PRO滅菌的通道產(chǎn)率更高（905[650.8-935.5]vs.356[18.0-597.8]，p=0.0031）。

研究未發(fā)現(xiàn)與PEDOT網(wǎng)格或PtNRGrid使用相關(guān)的術(shù)中不良事件或可見(jiàn)組織損傷。術(shù)后影像學(xué)檢查也未發(fā)現(xiàn)由網(wǎng)格覆蓋的皮質(zhì)區(qū)域內(nèi)或附近有任何局灶性異常。此外，術(shù)后90天內(nèi)未出現(xiàn)術(shù)后顱內(nèi)感染病例，這表明網(wǎng)格材料在手術(shù)應(yīng)用中的安全性。

研究通過(guò)多種測(cè)試和監(jiān)測(cè)方法驗(yàn)證了網(wǎng)格的功能和應(yīng)用價(jià)值。例如，在接受清醒腫瘤切除術(shù)的患者中，1024通道PtNRGrid用于記錄體感誘發(fā)電位（SSEP），捕獲相位反轉(zhuǎn)波形，顯示M1-S1功能邊界。PtNRGrid的記錄精度高于傳統(tǒng)的臨床ECoG網(wǎng)格，體現(xiàn)在SSEP的最大峰間振幅比傳統(tǒng)網(wǎng)格大20倍以上，并清晰顯示相位反轉(zhuǎn)邊界。對(duì)于因難治性癲癇接受左側(cè)顳葉切除術(shù)的患者，PtNRGrid幫助識(shí)別癲癇發(fā)作區(qū)，通過(guò)捕獲癲癇發(fā)作活動(dòng)的傳播模式，提供了自發(fā)和雙極刺激誘發(fā)的癲癇發(fā)作活動(dòng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)向量場(chǎng)和流線圖呈現(xiàn)，顯示了發(fā)作活動(dòng)的起源和傳播路徑，有助于確定癲癇發(fā)作區(qū)的位置，并指導(dǎo)致癲癇組織的切除。

圖4:PtNR微電極網(wǎng)格放置與中央溝與相位反轉(zhuǎn)識(shí)別的M1-S1功能邊界的差異顯示(A)。右上、左、右面板分別顯示網(wǎng)格放置和識(shí)別的功能邊界(FB)相對(duì)于中央溝(CS)的位置。底部面板顯示了FB與CS的關(guān)系，這是通過(guò)基于潛力的圖(左)和相關(guān)系數(shù)圖(右)確定的。感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)范式示意圖及相關(guān)結(jié)果(B)。左下角的五組圖顯示了每個(gè)指尖在振動(dòng)觸覺(jué)刺激下HGA的定位和強(qiáng)度。右側(cè)垂直的三個(gè)窗格顯示了手握開(kāi)始后85ms,205ms和300ms時(shí)HGA在初級(jí)運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)皮質(zhì)區(qū)域的進(jìn)展情況。經(jīng)Tchoe et al.2022.7許可改編。

圖5:PtNR微電極網(wǎng)格相對(duì)于潛在癲癇發(fā)作病灶、顳上回(STG)和顳中回(MTG)的位置(A)。微電極網(wǎng)格捕捉到刺激誘發(fā)的和自發(fā)的皮層放電(B)。左側(cè)圖顯示刺激和自發(fā)誘發(fā)的腦電波振幅的時(shí)間變化，右側(cè)圖顯示流線圖，箭頭表示腦電波傳播方向。經(jīng)Tchoe et al.2022.7許可改編

在聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言處理的研究中，PtNRGrid被用于記錄清醒顳頂骨開(kāi)顱術(shù)患者的皮層活動(dòng)。通過(guò)聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言測(cè)試范式，研究人員能夠捕獲皮層對(duì)英語(yǔ)單詞刺激的反應(yīng)。在刺激傳遞后500-600ms，大腦皮層對(duì)聽(tīng)覺(jué)單詞刺激有強(qiáng)烈反應(yīng)。通過(guò)分析PtNRGrid通道在單詞刺激期間捕獲的皮層反應(yīng)，研究人員能夠識(shí)別出在STG中對(duì)聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言刺激表現(xiàn)出優(yōu)先參與反應(yīng)的區(qū)域。

圖6:術(shù)中照片顯示PtNR微電極網(wǎng)格相對(duì)于顳頂開(kāi)顱術(shù)的位置(A)。插圖描繪了ptnr網(wǎng)格相對(duì)于顳上回(STG)的位置(淺紫色)(B)。熱圖顯示了聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言刺激通過(guò)PtNRGrid通道傳遞后500-600ms的平均皮層反應(yīng)程度(C)。注意深紅色顯示的水平長(zhǎng)方形區(qū)域反應(yīng)特別強(qiáng)烈。

結(jié)論與展望

本研究通過(guò)對(duì)高分辨率電極網(wǎng)格在人類微皮層電圖中的術(shù)中應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證了這些新型電極網(wǎng)格在臨床中的可行性和有效性。結(jié)果表明，由PEDOT:PSS和PtNR組成的高分辨率電極網(wǎng)格能夠顯著提高術(shù)中功能皮質(zhì)定位的精確性和可靠性，尤其是在需要高空間分辨率和精確功能定位的開(kāi)顱手術(shù)中。

高分辨率電極網(wǎng)格的應(yīng)用前景廣闊，不僅在臨床手術(shù)中具有重要意義，還為未來(lái)的神經(jīng)科學(xué)研究提供了新的工具。未來(lái)的研究應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化電極網(wǎng)格的預(yù)處理和滅菌方法，以進(jìn)一步降低故障率和提高操作簡(jiǎn)便性。此外，需開(kāi)展更大規(guī)模的臨床研究，比較這些高分辨率網(wǎng)格與市售網(wǎng)格在診斷效用和臨床結(jié)果方面的差異，從而進(jìn)一步驗(yàn)證其臨床應(yīng)用價(jià)值。

本研究為術(shù)中功能皮質(zhì)定位提供了一種新方法，具有重要的臨床和研究意義。這些高分辨率電極網(wǎng)格的應(yīng)用不僅有助于提高手術(shù)的成功率和患者的術(shù)后康復(fù)質(zhì)量，還能為神經(jīng)科學(xué)研究提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。未來(lái)的研究和應(yīng)用將繼續(xù)探索這些電極網(wǎng)格在更廣泛的臨床場(chǎng)景中的潛力，并不斷完善其技術(shù)和操作規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)更高效、更安全的臨床應(yīng)用。