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

近年來，術中被動高伽馬（70–170Hz）映射（HGM）作為一種無需電刺激的技術，越來越受到關注。這種方法通過硬腦膜下條帶或網(wǎng)格的皮層電圖（ECoG）來捕捉大腦活動。HGM在識別與功能皮質區(qū)域相關的神經(jīng)活動方面表現(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)格難以完美適應復雜的皮層表面形狀，可能導致數(shù)據(jù)采集不完整，影響手術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大學、加州大學圣地亞哥分校、馬薩諸塞總醫(yī)院和布里格姆婦女醫(yī)院的研究團隊合作，開發(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，能夠更好地適應皮層表面的復雜形狀，從而提供更精確的功能區(qū)域定位。

本研究的目標是評估這些新型高分辨率電極網(wǎng)格在術中的應用效果，并通過對比分析，驗證其在術中診斷和定位功能皮質區(qū)域方面的可靠性和有效性。研究主要通過觀察性數(shù)據(jù)收集和臨床應用實例來實現(xiàn)這一目標。

研究方法

本研究設計為一項觀察性研究，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、手術指征、術前功能缺陷、麻醉類型和臨床映射方式等變量。術中使用的電極網(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。注意電極觸點是肉眼看不見的。右邊是網(wǎng)格相對于手指的照片，來表示微電極接觸的緊湊程度

具體來說，研究對象為在俄勒岡健康與科學大學、加州大學圣地亞哥分校、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的成年患者。數(shù)據(jù)收集涵蓋了多項變量，包括患者的基本人口統(tǒng)計信息（如年齡、性別）、手術指征（如癲癇、腫瘤切除等）、術前功能狀態(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、語言測試等）。

電極網(wǎng)格的具體參數(shù)也被詳細記錄，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，研究還記錄了術中網(wǎng)格使用的成功率、術中并發(fā)癥（如出血、感染等）以及電極故障情況。

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

圖2放置在滅菌托盤中的DuraHolder袋中微電極網(wǎng)格(a)。擴展板穿過情境?無菌膜，并由Tegaderm固定以形成無菌屏障(B)。然后將綠色擴展板連接到放大板(C)，然后從內部拉出膜。由一名團隊成員制作的非無菌表面，覆蓋放大器板和相關的出線電纜(D)。然后用無菌鹽水(E)進行阻抗和通道產(chǎn)量測試。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?shù)奈恢?F)。記錄設置如圖(G)所示。Intan放大器A通過8根SPI電纜連接到放大器板b，放大器板C分別連接到擴展板和柵格D和E。右面板展示了資深作者在術中使用微電極網(wǎng)格。

研究結果分析

在2019年1月1日至2022年4月1日期間，89名患者在開顱手術中接受了94個網(wǎng)格的植入，以切除病理組織。這些手術分別在Oregon Health&Science University(OHSU)和Massachusetts General Hospital(MGH)進行，比例分別為63.0%和24.7%。研究重點是患者的人口統(tǒng)計、網(wǎng)格類型及其植入位置、數(shù)據(jù)收集成功率及測試結果、安全性評估和具體臨床應用?；颊叩钠骄挲g為45.9±1.7歲，顱內腫瘤切除術是最常見的手術指征，占65.2%。大多數(shù)患者在術前沒有功能缺陷，并在麻醉監(jiān)護下進行清醒開顱手術，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PtNRGrids和58個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，占51.1%）、128通道網(wǎng)格（44個，占46.8%）以及2個2048通道網(wǎng)格。網(wǎng)格的放置位置主要基于解剖標志和評估中的假設，顳葉區(qū)域是最常見的植入部位。

在94個原始網(wǎng)格中，86個用于成功收集皮質記錄。數(shù)據(jù)收集涵蓋82名患者，其中4名患者使用了2個網(wǎng)格進行記錄。網(wǎng)格主要用于記錄實驗研究任務（58.4%）或被動靜息狀態(tài)。接受功能測試的患者中，36.0%進行了接受性語言測試，27.0%進行了肢體體感和運動測試。參與研究任務的患者中，33.7%參與音素任務，23.6%參與肢體運動和感覺任務，19.1%進行被動體感誘發(fā)電位記錄。

圖3:滅菌方式對PtNR網(wǎng)格阻抗和通道屈服的影響左圖給出了內部MATLAB腳本的示例輸出，該腳本用于在PtNR網(wǎng)格上進行阻抗和通道屈服測試。請注意，與V-PRO相比，蒸汽高壓滅菌后阻抗中值增加更大(見內嵌阻抗大小直方圖)。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[650.8-935.5]比356個[18.0-597.8]，p=0.0031)。

在研究過程中，共有8例PtNRGrid失敗，主要原因是消毒過程中網(wǎng)格損壞。最初使用蒸汽滅菌和自來水進行消毒，但觀察到通道產(chǎn)量和阻抗的差異，導致改用V-PRO循環(huán)（包括霧化過氧化氫）。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使用相關的術中不良事件或可見組織損傷。術后影像學檢查也未發(fā)現(xiàn)由網(wǎng)格覆蓋的皮質區(qū)域內或附近有任何局灶性異常。此外，術后90天內未出現(xiàn)術后顱內感染病例，這表明網(wǎng)格材料在手術應用中的安全性。

研究通過多種測試和監(jiān)測方法驗證了網(wǎng)格的功能和應用價值。例如，在接受清醒腫瘤切除術的患者中，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邊界。對于因難治性癲癇接受左側顳葉切除術的患者，PtNRGrid幫助識別癲癇發(fā)作區(qū)，通過捕獲癲癇發(fā)作活動的傳播模式，提供了自發(fā)和雙極刺激誘發(fā)的癲癇發(fā)作活動的時空動態(tài)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過向量場和流線圖呈現(xiàn)，顯示了發(fā)作活動的起源和傳播路徑，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識別的M1-S1功能邊界的差異顯示(A)。右上、左、右面板分別顯示網(wǎng)格放置和識別的功能邊界(FB)相對于中央溝(CS)的位置。底部面板顯示了FB與CS的關系，這是通過基于潛力的圖(左)和相關系數(shù)圖(右)確定的。感覺和運動實驗范式示意圖及相關結果(B)。左下角的五組圖顯示了每個指尖在振動觸覺刺激下HGA的定位和強度。右側垂直的三個窗格顯示了手握開始后85ms,205ms和300ms時HGA在初級運動和感覺皮質區(qū)域的進展情況。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)。左側圖顯示刺激和自發(fā)誘發(fā)的腦電波振幅的時間變化，右側圖顯示流線圖，箭頭表示腦電波傳播方向。經(jīng)Tchoe et al.2022.7許可改編

在聽覺語言處理的研究中，PtNRGrid被用于記錄清醒顳頂骨開顱術患者的皮層活動。通過聽覺語言測試范式，研究人員能夠捕獲皮層對英語單詞刺激的反應。在刺激傳遞后500-600ms，大腦皮層對聽覺單詞刺激有強烈反應。通過分析PtNRGrid通道在單詞刺激期間捕獲的皮層反應，研究人員能夠識別出在STG中對聽覺語言刺激表現(xiàn)出優(yōu)先參與反應的區(qū)域。

圖6:術中照片顯示PtNR微電極網(wǎng)格相對于顳頂開顱術的位置(A)。插圖描繪了ptnr網(wǎng)格相對于顳上回(STG)的位置(淺紫色)(B)。熱圖顯示了聽覺語言刺激通過PtNRGrid通道傳遞后500-600ms的平均皮層反應程度(C)。注意深紅色顯示的水平長方形區(qū)域反應特別強烈。

結論與展望

本研究通過對高分辨率電極網(wǎng)格在人類微皮層電圖中的術中應用進行評估，驗證了這些新型電極網(wǎng)格在臨床中的可行性和有效性。結果表明，由PEDOT:PSS和PtNR組成的高分辨率電極網(wǎng)格能夠顯著提高術中功能皮質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顱手術中。

高分辨率電極網(wǎng)格的應用前景廣闊，不僅在臨床手術中具有重要意義，還為未來的神經(jīng)科學研究提供了新的工具。未來的研究應繼續(xù)優(yōu)化電極網(wǎng)格的預處理和滅菌方法，以進一步降低故障率和提高操作簡便性。此外，需開展更大規(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果方面的差異，從而進一步驗證其臨床應用價值。

本研究為術中功能皮質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)格的應用不僅有助于提高手術的成功率和患者的術后康復質量，還能為神經(jīng)科學研究提供高質量的數(shù)據(jù)支持。未來的研究和應用將繼續(xù)探索這些電極網(wǎng)格在更廣泛的臨床場景中的潛力，并不斷完善其技術和操作規(guī)范，以實現(xiàn)更高效、更安全的臨床應用。