La electrocorticografía ( ECoG ), un tipo de electroencefalografía intracraneal ( iEEG ), es un tipo de monitorización electrofisiológica que utiliza electrodos colocados directamente en la superficie expuesta del cerebro para registrar la actividad eléctrica de la corteza cerebral . Por el contrario, los electrodos de electroencefalografía (EEG) convencionales monitorean esta actividad desde fuera del cráneo. La ECoG se puede realizar en el quirófano durante la cirugía (ECoG intraoperatoria) o fuera de la cirugía (ECoG extraoperatoria). Debido a que se requiere una craneotomía (una incisión quirúrgica en el cráneo) para implantar la rejilla de electrodos, la ECoG es un procedimiento invasivo.
La ECoG fue iniciada a principios de la década de 1950 por Wilder Penfield y Herbert Jasper , neurocirujanos del Instituto Neurológico de Montreal . [1] Los dos desarrollaron ECoG como parte de su innovador procedimiento de Montreal, un protocolo quirúrgico utilizado para tratar a pacientes con epilepsia grave . Los potenciales corticales registrados por ECoG se utilizaron para identificar zonas epileptogénicas (regiones de la corteza que generan ataques epilépticos ). Luego, estas zonas se extirparían quirúrgicamente de la corteza durante la resección, destruyendo así el tejido cerebral donde se habían originado los ataques epilépticos. Penfield y Jasper también utilizaron estimulación eléctrica durante los registros ECoG en pacientes sometidos a cirugía de epilepsia bajo anestesia local . [2] Este procedimiento se utilizó para explorar la anatomía funcional del cerebro, mapear áreas del habla e identificar las áreas de la corteza somatosensorial y somatomotora que se excluirán de la extirpación quirúrgica. Un médico llamado Robert Galbraith Heath también fue uno de los primeros investigadores del cerebro en la Facultad de Medicina de la Universidad de Tulane . [3] [4]
Las señales de ECoG están compuestas de potenciales postsinápticos sincronizados ( potenciales de campo locales ), registrados directamente desde la superficie expuesta de la corteza. Los potenciales ocurren principalmente en las células piramidales corticales y, por lo tanto, deben conducirse a través de varias capas de la corteza cerebral, el líquido cefalorraquídeo (LCR), la piamadre y la aracnoides antes de llegar a los electrodos de registro subdurales colocados justo debajo de la duramadre (membrana craneal externa). . Sin embargo, para llegar a los electrodos del cuero cabelludo de un electroencefalograma (EEG) convencional, las señales eléctricas también deben conducirse a través del cráneo , donde los potenciales se atenúan rápidamente debido a la baja conductividad del hueso . Por esta razón, la resolución espacial del ECoG es mucho mayor que la del EEG, una ventaja de imagen crítica para la planificación prequirúrgica. [5] ECoG ofrece una resolución temporal de aproximadamente 5 ms y una resolución espacial tan baja como 1-100 μm. [6]
Utilizando electrodos de profundidad, el potencial de campo local proporciona una medida de la población neuronal en una esfera con un radio de 0,5 a 3 mm alrededor de la punta del electrodo. [7] Con una frecuencia de muestreo suficientemente alta (más de aproximadamente 10 kHz), los electrodos de profundidad también pueden medir potenciales de acción . [8] En cuyo caso, la resolución espacial depende de las neuronas individuales y el campo de visión de un electrodo individual es de aproximadamente 0,05 a 0,35 mm. [7]
El registro ECoG se realiza a partir de electrodos colocados en la corteza expuesta. Para acceder a la corteza, el cirujano primero debe realizar una craneotomía, extirpando una parte del cráneo para exponer la superficie del cerebro. Este procedimiento se puede realizar bajo anestesia general o bajo anestesia local si se requiere la interacción del paciente para el mapeo cortical funcional. Luego se implantan quirúrgicamente electrodos en la superficie de la corteza, y la colocación se guía por los resultados del EEG preoperatorio y la resonancia magnética (MRI). Los electrodos se pueden colocar fuera de la duramadre (epidural) o debajo de la duramadre (subdural). Los conjuntos de electrodos ECoG normalmente constan de dieciséis electrodos estériles desechables de acero inoxidable, punta de carbono, platino, aleación de platino-iridio o bolas de oro, cada uno montado en una articulación esférica para facilitar su posicionamiento. Estos electrodos están unidos a un marco superpuesto en una configuración de "corona" o "halo". [9] Los electrodos de rejilla y de tira subdural también se utilizan ampliamente en varias dimensiones y tienen entre 4 y 256 [10] contactos de electrodo. Las rejillas son transparentes, flexibles y están numeradas en cada contacto de los electrodos. El espacio estándar entre electrodos de rejilla es de 1 cm; Los electrodos individuales suelen tener 5 mm de diámetro. Los electrodos se asientan ligeramente sobre la superficie cortical y están diseñados con suficiente flexibilidad para garantizar que los movimientos normales del cerebro no causen lesiones. Una ventaja clave de los conjuntos de electrodos en tiras y rejillas es que pueden deslizarse debajo de la duramadre en regiones corticales no expuestas por la craneotomía. Se pueden usar electrodos en tira y conjuntos de coronas en cualquier combinación deseada. También se pueden utilizar electrodos de profundidad para registrar la actividad de estructuras más profundas, como el hipocampo .
La estimulación eléctrica cortical directa (DCES), también conocida como mapeo de estimulación cortical , se realiza con frecuencia junto con el registro ECoG para el mapeo funcional de la corteza y la identificación de estructuras corticales críticas. [9] Cuando se utiliza una configuración de corona, se puede utilizar un estimulador bipolar de varilla portátil en cualquier ubicación a lo largo del conjunto de electrodos. Sin embargo, cuando se utiliza una tira subdural, la estimulación debe aplicarse entre pares de electrodos adyacentes debido al material no conductor que conecta los electrodos en la rejilla. Las corrientes de estimulación eléctrica aplicadas a la corteza son relativamente bajas, entre 2 y 4 mA para estimulación somatosensorial y cerca de 15 mA para estimulación cognitiva. [9] La frecuencia de estimulación suele ser de 60 Hz en América del Norte y 50 Hz en Europa, y cualquier densidad de carga superior a 150 μC/cm2 provoca daño tisular. [11] [12]
Las funciones más comúnmente mapeadas a través de DCES son motoras primarias, sensoriales primarias y lenguaje. El paciente debe estar alerta e interactivo para los procedimientos de mapeo, aunque la participación del paciente varía con cada procedimiento de mapeo. El mapeo del lenguaje puede implicar nombrar, leer en voz alta, repetición y comprensión oral; El mapeo somatosensorial requiere que el paciente describa las sensaciones que experimenta en la cara y las extremidades mientras el cirujano estimula diferentes regiones corticales. [9]
Desde su desarrollo en la década de 1950, la ECoG se ha utilizado para localizar zonas epileptogénicas durante la planificación prequirúrgica, mapear funciones corticales y predecir el éxito de la resección quirúrgica epiléptica. ECoG ofrece varias ventajas sobre modalidades de diagnóstico alternativas:
Las limitaciones de ECoG incluyen:
La epilepsia está actualmente clasificada como el tercer trastorno neurológico más comúnmente diagnosticado y afecta aproximadamente a 2,5 millones de personas sólo en los Estados Unidos. [13] Las convulsiones epilépticas son crónicas y no están relacionadas con causas tratables inmediatamente, como toxinas o enfermedades infecciosas, y pueden variar ampliamente según la etiología, los síntomas clínicos y el sitio de origen dentro del cerebro. Para los pacientes con epilepsia intratable (epilepsia que no responde a los anticonvulsivos ), el tratamiento quirúrgico puede ser una opción de tratamiento viable. La epilepsia parcial [14] es la epilepsia intratable común y la crisis parcial es difícil de localizar. El tratamiento para dicha epilepsia se limita a la colocación de un estimulador del nervio vago. La cirugía de la epilepsia es la cura para la epilepsia parcial, siempre que la región del cerebro que genera las convulsiones se extirpe con cuidado y precisión.
Antes de que un paciente pueda ser identificado como candidato para la cirugía de resección, se debe realizar una resonancia magnética para demostrar la presencia de una lesión estructural dentro de la corteza, respaldada por evidencia EEG de tejido epileptógeno. [2] Una vez que se ha identificado una lesión, se puede realizar una ECoG para determinar la ubicación y extensión de la lesión y la región irritativa circundante. El EEG del cuero cabelludo, si bien es una valiosa herramienta de diagnóstico, carece de la precisión necesaria para localizar la región epileptogénica. La ECoG se considera el estándar de oro para evaluar la actividad neuronal en pacientes con epilepsia y se usa ampliamente en la planificación prequirúrgica para guiar la resección quirúrgica de la lesión y la zona epileptogénica. [15] [16] El éxito de la cirugía depende de la localización y eliminación precisas de la zona epileptogénica. Los datos del ECoG se evalúan con respecto a la actividad de pico ictal ("actividad de onda rápida difusa" registrada durante una convulsión) y la actividad epileptiforme interictal (AIE), breves estallidos de actividad neuronal registrados entre eventos epilépticos. La ECoG también se realiza después de la cirugía de resección para detectar cualquier actividad epileptiforme restante y determinar el éxito de la cirugía. Los picos residuales en el ECoG, no alterados por la resección, indican un control deficiente de las convulsiones y una neutralización incompleta de la zona cortical epileptogénica. Puede ser necesaria una cirugía adicional para erradicar por completo la actividad convulsiva. La ECoG extraoperatoria también se utiliza para localizar áreas funcionalmente importantes (también conocidas como corteza elocuente) que se conservarán durante la cirugía de epilepsia. [17] Se informa que las tareas motoras, sensoriales y cognitivas durante el ECoG extraoperatorio aumentan la amplitud de la actividad de alta frecuencia a 70-110 Hz en áreas involucradas en la ejecución de tareas determinadas. [17] [18] [19] La actividad de alta frecuencia relacionada con tareas puede animar "cuándo" y "dónde" la corteza cerebral se activa e inhibe de forma 4D con una resolución temporal de 10 milisegundos o menos y una resolución espacial de 10 mm o menos. [18] [19]
El objetivo de la cirugía resectiva es eliminar el tejido epileptógeno sin provocar consecuencias neurológicas inaceptables. Además de identificar y localizar la extensión de las zonas epileptogénicas, el ECoG utilizado junto con DCES también es una herramienta valiosa para el mapeo cortical funcional . Es vital localizar con precisión las estructuras cerebrales críticas, identificando qué regiones el cirujano debe respetar durante la resección (la " corteza elocuente ") para preservar el procesamiento sensorial, la coordinación motora y el habla. El mapeo funcional requiere que el paciente pueda interactuar con el cirujano y, por lo tanto, se realiza bajo anestesia local en lugar de general. La estimulación eléctrica mediante electrodos corticales y de profundidad aguda se utiliza para sondear distintas regiones de la corteza con el fin de identificar centros del habla, la integración somatosensorial y el procesamiento somatomotor. Durante la cirugía de resección, también se puede realizar una ECoG intraoperatoria para controlar la actividad epiléptica del tejido y garantizar que se reseca toda la zona epileptogénica.
Aunque el uso de ECoG extraoperatorio e intraoperatorio en la cirugía de resección ha sido una práctica clínica aceptada durante varias décadas, estudios recientes han demostrado que la utilidad de esta técnica puede variar según el tipo de epilepsia que presente un paciente. Kuruvilla y Flink informaron que, si bien la ECoG intraoperatoria desempeña un papel fundamental en las lobectomías temporales adaptadas, en múltiples transecciones subpiales (MST) y en la eliminación de malformaciones del desarrollo cortical (MCD), se ha descubierto que no es práctico en la resección estándar del lóbulo temporal medial. epilepsia (TLE) con evidencia de resonancia magnética de esclerosis temporal mesial (MTS). [2] Un estudio realizado por Wennberg, Quesney y Rasmussen demostró la importancia prequirúrgica de la ECoG en casos de epilepsia del lóbulo frontal (FLE). [20]
ECoG ha surgido recientemente como una técnica de registro prometedora para su uso en interfaces cerebro-computadora (BCI). [21] Las BCI son interfaces neuronales directas que proporcionan control de dispositivos protésicos, electrónicos o de comunicación mediante el uso directo de las señales cerebrales del individuo. Las señales cerebrales se pueden registrar de forma invasiva, con dispositivos de registro implantados directamente en la corteza, o de forma no invasiva, utilizando electrodos EEG en el cuero cabelludo. El ECoG sirve para proporcionar un compromiso parcialmente invasivo entre las dos modalidades: si bien el ECoG no atraviesa la barrera hematoencefálica como los dispositivos de registro invasivos, presenta una resolución espacial más alta y una relación señal-ruido más alta que el EEG. [21] ECoG ha llamado la atención recientemente por decodificar discursos o música imaginados, lo que podría conducir a BCI "literales" [22] en los que los usuarios simplemente imaginan palabras, oraciones o música que el BCI puede interpretar directamente. [23] [24]
Además de las aplicaciones clínicas para localizar regiones funcionales para respaldar la neurocirugía, el mapeo cerebral funcional en tiempo real con ECoG ha llamado la atención para respaldar la investigación sobre cuestiones fundamentales en neurociencia. Por ejemplo, un estudio de 2017 exploró regiones dentro de las áreas de procesamiento del rostro y del color y descubrió que estas subregiones hacían contribuciones muy específicas a diferentes aspectos de la visión. [25] Otro estudio encontró que la actividad de alta frecuencia de 70 a 200 Hz reflejaba procesos asociados con la toma de decisiones tanto transitoria como sostenida. [26] Otro trabajo basado en ECoG presentó un nuevo enfoque para interpretar la actividad cerebral, sugiriendo que tanto la potencia como la fase influyen conjuntamente en el potencial de voltaje instantáneo, que regula directamente la excitabilidad cortical. [27] Al igual que el trabajo para decodificar el habla y la música imaginadas, estas direcciones de investigación que involucran el mapeo cerebral funcional en tiempo real también tienen implicaciones para la práctica clínica, incluyendo tanto la neurocirugía como los sistemas BCI. El sistema que se utilizó en la mayoría de estas publicaciones de mapeo funcional en tiempo real, "CortiQ".Se ha utilizado tanto para investigación como para aplicaciones clínicas.
El electrocorticograma todavía se considera el " estándar de oro " para definir las zonas epileptogénicas; sin embargo, este procedimiento es riesgoso y altamente invasivo. Estudios recientes han explorado el desarrollo de una técnica de imágenes corticales no invasiva para la planificación prequirúrgica que puede proporcionar información y resolución similares del ECoG invasivo.
En un enfoque novedoso, Lei Ding et al. [28] buscan integrar la información proporcionada por una resonancia magnética estructural y un EEG del cuero cabelludo para proporcionar una alternativa no invasiva al ECoG. Este estudio investigó un enfoque de localización de fuentes subespaciales de alta resolución, FINE (vectores de primer principio) para obtener imágenes de las ubicaciones y estimar la extensión de las fuentes de corriente a partir del EEG del cuero cabelludo. Se aplicó una técnica de umbral a la tomografía resultante de los valores de correlación subespacial para identificar fuentes epileptogénicas. Este método fue probado en tres pacientes pediátricos con epilepsia intratable, con resultados clínicos alentadores. Cada paciente fue evaluado mediante resonancia magnética estructural, monitorización por video EEG a largo plazo con electrodos en el cuero cabelludo y, posteriormente, con electrodos subdurales. Luego, los datos de ECoG se registraron a partir de rejillas de electrodos subdurales implantadas colocadas directamente en la superficie de la corteza. También se obtuvieron imágenes de resonancia magnética y tomografía computarizada para cada sujeto.
Las zonas epileptogénicas identificadas a partir de datos de EEG preoperatorios fueron validadas mediante observaciones de datos de ECoG posoperatorios en los tres pacientes. Estos resultados preliminares sugieren que es posible dirigir la planificación quirúrgica y localizar zonas epileptogénicas de forma no invasiva utilizando los métodos de imagen e integración descritos. Los resultados del EEG fueron validados aún más por los resultados quirúrgicos de los tres pacientes. Después de la resección quirúrgica, dos pacientes están libres de convulsiones y el tercero experimentó una reducción significativa de las convulsiones. Debido a su éxito clínico, FINE ofrece una alternativa prometedora al ECoG preoperatorio, proporcionando información sobre la ubicación y el alcance de las fuentes epileptogénicas a través de un procedimiento de imágenes no invasivo.