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Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), ...

The complexity and inter-individual variation of brain signals impedes real-time detection of events in raw signals. To convert these complex signals into results that can be readily understood, current approaches usually apply statistical methods to data from known conditions after all data have been collected. The capability to provide meaningful visualization of complex brain signals without the requirement to initially collect data from all conditions would provide a new tool, essentially a new imaging technique, that would open up new avenues for the study of brain function. Here we show that a new analysis approach, called SIGFRIED, can overcome this serious limitation of current methods. SIGFRIED can visualize brain signal changes without requiring prior data collection from all conditions. This capacity is particularly well suited to applications in which comprehensive prior data collection is impossible or impractical, such as intraoperative localization of cortical function or detection of epileptic seizures.

Real-time detection of event-related brain activity.

Die Komplexit&auml;t und die interindividuelle Variation der Signale des Gehirns behindert die Entdeckung von Veranstaltungen in Roh-Signale in Echtzeit. Um diese komplexe Signale zu konvertieren, zu Ergebnissen, die leicht verstanden werden k&ouml;nnen aktuelle Ans&auml;tze in der Regel statistische Methoden f&uuml;r Daten aus bekannten Bedingungen schlie&szlig;lich gelten, wurden Daten erhoben. Die M&ouml;glichkeit, aussagekr&auml;ftige Visualisierung von komplexen Gehirn bieten Signale ohne die Anforderung urspr&uuml;nglich sammeln Daten aus allen Bedingungen ein neues Tool, im Wesentlichen ein neues bildgebendes Verfahren, bieten w&uuml;rde, die neue Wege f&uuml;r die Studie der Funktion des Gehirns &ouml;ffnen w&uuml;rde. Hier zeigen wir, dass einen neue Analyse-Ansatz, SIGFRIED aufgerufen, diese schwere Einschr&auml;nkung der aktuellen Methoden &uuml;berwinden. SIGFRIED kann Gehirn Signal &Auml;nderungen ohne vorherige Datensammlung aus allen Bedingungen darstellen. Diese F&auml;higkeit ist besonders gut geeignet f&uuml;r Anwendungen, in denen umfassende vorherige Datensammlung unm&ouml;glich oder unpraktisch, wie intraoperative Lokalisierung der kortikalen Funktion oder Erkennung von epileptischen Anf&auml;llen.

Echtzeit&uuml;berwachung der ereignisbezogene Gehirnt&auml;tigkeit.

Functional mapping of eloquent cortex is often necessary prior to invasive brain surgery, but current techniques that derive this mapping have important limitations. In this article, we demonstrate the first comprehensive evaluation of a rapid, robust, and practical mapping system that uses passive recordings of electrocorticographic signals. This mapping procedure is based on the BCI2000 and SIGFRIED technologies that we have been developing over the past several years. In our study, we evaluated 10 patients with epilepsy from four different institutions and compared the results of our procedure with the results derived using electrical cortical stimulation (ECS) mapping. The results show that our procedure derives a functional motor cortical map in only a few minutes. They also show a substantial concurrence with the results derived using ECS mapping. Specifically, compared with ECS maps, a next-neighbor evaluation showed no false negatives, and only 0.46 and 1.10% false positives for hand and tongue maps, respectively. In summary, we demonstrate the first comprehensive evaluation of a practical and robust mapping procedure that could become a new tool for planning of invasive brain surgeries.

A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans.

Funktionale Zuordnung der eloquenten Kortex ist h&auml;ufig vor invasiven Gehirnchirurgie erforderlich, doch aktuelle Techniken, die diese Zuordnung abgeleitet werden wichtige Einschr&auml;nkungen. In diesem Artikel zeigen wir die erste umfassende Evaluierung der eine schnelle, robuste und praktische Zuordnung-System, das passive Aufnahmen von Electrocorticographic Signalen verwendet. Diese Zuordnung-Verfahren basiert auf BCI2000 und SIGFRIED Technologien, die wir in den letzten Jahren entwickelt haben. In unserer Studie haben wir 10 Patienten mit Epilepsie aus vier verschiedenen Institutionen ausgewertet und verglichen die Ergebnisse unseres Verfahrens mit den Ergebnissen abgeleitet, kortikale Elektrostimulation (ECS) Zuordnung. Die Ergebnisse zeigen, dass unser Verfahren die funktionelle motor-kortikale Karte in nur wenigen Minuten abgeleitet wird. Sie zeigen auch eine wesentliche &Uuml;bereinstimmung mit den Ergebnissen abgeleitet mit ECS-Zuordnung. Insbesondere zeigte verglichen mit ECS-Karten, eine n&auml;chste-Nachbarn-Bewertung keine falsche negative und nur 0,46 und 1,10 % Fehlalarme f&uuml;r Hand und Zunge Maps, beziehungsweise. Zusammenfassend l&auml;sst sich sagen zeigen wir die erste umfassende Evaluierung einer praktischen und robusten Mapping-Prozedur, die ein neues Tool f&uuml;r die Planung von invasive Gehirn-Operationen werden k&ouml;nnte.

Ein praktisches Verfahren zur Echtzeit funktionelle Zuordnung von eloquenten Kortex, die Verwendung von Electrocorticographic Signalen beim Menschen.

Precise localization of eloquent cortex is a clinical necessity prior to surgical resections adjacent to speech or motor cortex. In the intraoperative setting, this traditionally requires inducing temporary lesions by direct electrocortical stimulation (DECS). In an attempt to increase efficiency and potentially reduce the amount of necessary stimulation, we used a passive mapping procedure in the setting of an awake craniotomy for tumor in two patients resection. We recorded electrocorticographic (ECoG) signals from exposed cortex while patients performed simple cue-directed motor and speech tasks. SIGFRIED, a procedure for real-time event detection, was used to identify areas of cortical activation by detecting task-related modulations in the ECoG high gamma band. SIGFRIED's real-time output quickly localized motor and speech areas of cortex similar to those identified by DECS. In conclusion, real-time passive identification of cortical function using SIGFRIED may serve as a useful adjunct to cortical stimulation mapping in the intraoperative setting.

Passive real-time identification of speech and motor cortex during an awake craniotomy.

Pr&auml;zise Lokalisierung von eloquenten Kortex ist eine klinische Notwendigkeit vor chirurgischen Resektionen neben Rede oder motorischen Kortex. In der Einstellung der intraoperativen erfordert dies traditionell induzierende tempor&auml;re L&auml;sionen durch direkte Electrocortical Stimulation (DECS). In einem Versuch zur Effizienzsteigerung und m&ouml;glicherweise verringert die Menge der erforderlichen Stimulation haben wir eine passive Zuordnung-Prozedur in der Umgebung von einer wach Kraniotomie f&uuml;r Tumor in zwei Patienten Resektion. Verzeichneten wir Electrocorticographic (ECoG) Signale von exponierten Kortex, w&auml;hrend Patienten einfachen Cue-gesteuerter Motor und Rede ausgef&uuml;hrt. SIGFRIED, ein Verfahren zur Erkennung in Echtzeit, wurde verwendet, um Bereiche der kortikale Aktivierung zu identifizieren, durch aufgabenbezogene Modulationen in der ECoG-hohe Gamma-Band zu erkennen. SIGFRIED die Echtzeit Ausgabe lokalisiert schnell Motor und Rede Bereiche der Hirnrinde &auml;hnlich denen von DECS identifiziert. Abschlie&szlig;end kann Echtzeit-passive Identifizierung der kortikalen Funktion mit SIGFRIED als eine n&uuml;tzliche Erg&auml;nzung zum kortikale Stimulation Zuordnung in die intraoperative Einstellung dienen.

Passive Echtzeit-Identifizierung von Rede und motorischen Kortex w&auml;hrend einer wach Kraniotomie.

In October 2009, a group of neurologists, neurosurgeons, computational neuroscientists, and engineers congregated to present novel developments transforming human electrocorticography (ECoG) beyond its established relevance in clinical epileptology. The contents of the proceedings advanced the role of ECoG in seizure detection and prediction, neurobehavioral research, functional mapping, and brain-computer interface technology. The meeting established the foundation for future work on the methodology and application of surface brain recordings.

Proceedings of the first international workshop on advances in electrocorticography.

Im Oktober 2009 eine Gruppe von Neurologen, Neurochirurgen, computational Neurowissenschaftler und Ingenieure versammelten, zu gegenw&auml;rtigen neuartige Entwicklungen, die Umwandlung von menschlichen Electrocorticography (ECoG) jenseits etablierter Relevanz in klinischen Epileptologie. Der Inhalt des Verfahrens erweitert die Rolle der ECoG in Beschlagnahme-Erkennung und Vorhersage, Neuropsychologische Forschung, funktionelle Zuordnung und Gehirn-Computer-Interface-Technologie. Das Treffen gr&uuml;ndete die Foundation f&uuml;r die k&uuml;nftige Arbeit zur Methodik und Anwendung der Oberfl&auml;che Gehirn Aufnahmen.

Proceedings of the first international Workshop on Advances in Electrocorticography.

Language is one of the defining abilities of humans. Many studies have characterized the neural correlates of different aspects of language processing. However, the imaging techniques typically used in these studies were limited in either their temporal or spatial resolution. Electrocorticographic (ECoG) recordings from the surface of the brain combine high spatial with high temporal resolution and thus could be a valuable tool for the study of neural correlates of language function. In this study, we defined the spatiotemporal dynamics of ECoG activity during a word repetition task in nine human subjects. ECoG was recorded while each subject overtly or covertly repeated words that were presented either visually or auditorily. ECoG amplitudes in the high gamma (HG) band confidently tracked neural changes associated with stimulus presentation and with the subject's verbal response. Overt word production was primarily associated with HG changes in the superior and middle parts of temporal lobe, Wernicke's area, the supramarginal gyrus, Broca's area, premotor cortex (PMC), primary motor cortex. Covert word production was primarily associated with HG changes in superior temporal lobe and the supramarginal gyrus. Acoustic processing from both auditory stimuli as well as the subject's own voice resulted in HG power changes in superior temporal lobe and Wernicke's area. In summary, this study represents a comprehensive characterization of overt and covert speech using electrophysiological imaging with high spatial and temporal resolution. It thereby complements the findings of previous neuroimaging studies of language and thus further adds to current understanding of word processing in humans.

Spatiotemporal dynamics of electrocorticographic high gamma activity during overt and covert word repetition.

Sprache ist eine der definierenden F&auml;higkeiten des Menschen. Viele Studien haben die neuronale korreliert der verschiedenen Aspekte der Sprachverarbeitung gekennzeichnet. Die bildgebenden Verfahren in der Regel in diesen Studien verwendet wurden jedoch begrenzt, in deren zeitliche oder r&auml;umliche Aufl&ouml;sung. Electrocorticographic (ECoG) Aufnahmen von der Oberfl&auml;che des Gehirns kombinieren hohe r&auml;umliche mit hoher zeitlicher Aufl&ouml;sung und somit k&ouml;nnte ein wertvolles Instrument f&uuml;r die Erforschung der neuronalen korreliert der Sprache-Funktion. In dieser Studie haben wir die raumzeitliche Dynamik der ECoG Aktivit&auml;t definiert, w&auml;hrend ein Wort Wiederholung Aufgabe in neun Versuchspersonen. ECoG aufgenommen wurde, w&auml;hrend jedes Thema offen oder verdeckt Worte wiederholt, die entweder visuell oder akustisch dargestellt wurden. ECoG Amplituden in der hohen Gamma (HG)-Band &Uuml;berarbeitungen getrost neural Impulse Pr&auml;sentation und verbale Reaktion des Subjekts. Offene Wort Produktion war haupts&auml;chlich von HG-&Auml;nderungen im Superior- und mittleren Teil des Schl&auml;fenlappens, Wernicke Bereich, der Gyrus Supramarginal, Broca Areal, pr&auml;motorischen Kortex (PMC), prim&auml;ren motorischen Kortex zugeordnet. Verdeckte Wort Produktion war in &uuml;berlegener Temporallappen und der Gyrus Supramarginal HG &Auml;nderungen haupts&auml;chlich zugeordnet. Akustische Verarbeitung von auditive Reize sowie des Subjekts f&uuml;hrte eigene Stimme HG macht &Auml;nderungen in &uuml;berlegener Temporallappen und Wernicke&#39;s Orten. Zusammenfassend l&auml;sst sich sagen stellt die Studie eine umfassende Charakterisierung von offenen und verdeckten Rede mit elektrophysiologischen Bildgebung mit hoher r&auml;umlicher und zeitlicher Aufl&ouml;sung. Er erg&auml;nzt damit die Ergebnisse der vorherigen Neuroimaging Studien der Sprache und somit weiter an gegenw&auml;rtiges Verst&auml;ndnis der Textverarbeitung beim Menschen.

Raumzeitliche Dynamik der Electrocorticographic hohe Gamma-Aktivit&auml;t w&auml;hrend des offenen und verdeckten Wort Wiederholung.

Toward a gaze-independent matrix speller brain-computer interface.

Auf einen Blick-unabh&auml;ngigen Matrix Rechtschreibpr&uuml;fung Brain-Computer Interface.

A brain-computer interface (BCI) can provide a non-muscular communication channel to severely disabled people. One particular realization of a BCI is the P300 matrix speller that was originally described by Farwell and Donchin (1988). This speller uses event-related potentials (ERPs) that include the P300 ERP. All previous online studies of the P300 matrix speller used scalp-recorded electroencephalography (EEG) and were limited in their communication performance to only a few characters per minute. In our study, we investigated the feasibility of using electrocorticographic (ECoG) signals for online operation of the matrix speller, and determined associated spelling rates. We used the matrix speller that is implemented in the BCI2000 system. This speller used ECoG signals that were recorded from frontal, parietal, and occipital areas in one subject. This subject spelled a total of 444 characters in online experiments. The results showed that the subject sustained a rate of 17â€‰characters/min (i.e., 69â€‰bits/min), and achieved a peak rate of 22â€‰characters/min (i.e., 113â€‰bits/min). Detailed analysis of the results suggests that ERPs over visual areas (i.e., visual evoked potentials) contribute significantly to the performance of the matrix speller BCI system. Our results also point to potential reasons for the apparent advantages in spelling performance of ECoG compared to EEG. Thus, with additional verification in more subjects, these results may further extend the communication options for people with serious neuromuscular disabilities.

Rapid Communication with a "P300" Matrix Speller Using Electrocorticographic Signals (ECoG).

Ein Brain-Computer Interface (BCI) bieten einen nicht-muscular Kommunikationskanal f&uuml;r Schwerbehinderten Menschen. Eine bestimmte Realisierung einem BCI ist die P300-Matrix-Rechtschreibpr&uuml;fung, die urspr&uuml;nglich von Farwell und Donchin (1988) beschrieben wurde. Diese Rechtschreibpr&uuml;fung verwendet ereignisbezogene Potenziale (ERPs), die die P300-ERP enthalten. Alle fr&uuml;here online-Studien mit der P300-Matrix-Rechtschreibpr&uuml;fung verwendet Kopfhaut aufgenommene Elektroenzephalographie (EEG) und wurden in ihre Kommunikations-Performance auf nur wenige Zeichen pro Minute begrenzt. In unserer Studie wir untersucht die Machbarkeit der Verwendung von Electrocorticographic (ECoG) Signale f&uuml;r online-Betrieb von der Matrix-Rechtschreibpr&uuml;fung und zugeh&ouml;rigen Rechtschreibung Preise bestimmt. Wir verwendeten die Matrix-Rechtschreibpr&uuml;fung, die in das BCI2000-System implementiert ist. Diese Rechtschreibpr&uuml;fung verwendet ECoG-Signale, die aufgezeichnet wurden von frontal, parietal und occipital Bereiche in einem Fach. Dieses Thema geschrieben insgesamt 444 Zeichen in online-Experimente. Die Ergebnisse zeigten, dass das Thema eine Rate von 17 Zeichen (d. h. 69 Bit/min. nachhaltig), und eine Peakrate von 22 Zeichen (d. h. 113 Bit/min. erreicht). Ausf&uuml;hrliche Analyse der Ergebnisse zeigt, dass ERPs &uuml;ber visuelle Bereiche (d. h. visuelle evozierte Potentiale) wesentlich zur Leistungsf&auml;higkeit der Matrix-Rechtschreibpr&uuml;fung BCI System beitragen. Unsere Ergebnisse zeigen auch auf m&ouml;gliche Gr&uuml;nde f&uuml;r die offensichtlichen Vorteile bei Rechtschreibung Wahrnehmung ECoG im Vergleich zum EEG. So k&ouml;nnen diese Ergebnisse mit zus&auml;tzliche &Uuml;berpr&uuml;fung in weitere Themen, die Kommunikationsoptionen f&uuml;r schwere neuromuskul&auml;re behinderte Menschen weiter ausbauen.

Schnelle Kommunikation mit einer &quot;P300&quot; Matrix Speller Electrocorticographic Signale (ECoG) verwenden.

The Second International Workshop on Advances in Electrocorticography (ECoG) was convened in San Diego, CA, USA, on November 11-12, 2010. Between this meeting and the inaugural 2009 event, a much clearer picture has been emerging of cortical ECoG physiology and its relationship to local field potentials and single-cell recordings. Innovations in material engineering are advancing the goal of a stable long-term recording interface. Continued evolution of ECoG-driven brain-computer interface technology is determining innovation in neuroprosthetics. Improvements in instrumentation and statistical methodologies continue to elucidate ECoG correlates of normal human function as well as the ictal state. This proceedings document summarizes the current status of this rapidly evolving field.

Proceedings of the Second International Workshop on Advances in Electrocorticography.

Der zweite International Workshop on Advances in Electrocorticography (ECoG) wurde in San Diego, CA, USA, November 11-12, 2010 einberufen. Zwischen diesem Treffen und der Er&ouml;ffnungsveranstaltung 2009 hat ein wesentlich klareres Bild der kortikalen ECoG-Physiologie und ihre Beziehung zur lokalen Bereich Potentiale und einzellige Aufnahmen entstehen gewesen. Innovationen in der Werkstofftechnik sind das Ziel, eine stabile, langfristige Aufnahme-Schnittstelle auf dem Vormarsch. Kontinuierliche Weiterentwicklung der ECoG-gesteuerte Gehirn-Computer-Interface-Technologie ist die Innovation in der Neuroprothetik Bestimmung. Verbesserungen bei der Instrumentierung und statistische Methoden weiterhin ECoG korreliert der normale menschliche Funktion sowie die iktale Zustand zu erhellen. Dieses Verfahren-Dokument fasst den aktuellen Status dieser sich schnell entwickelnden Feld.

Verfahren des zweiten internationalen Workshops on Advances in Electrocorticography.

Attention is a cognitive selection mechanism that allocates the limited processing resources of the brain to the sensory streams most relevant to our immediate goals, thereby enhancing responsiveness and behavioral performance. The underlying neural mechanisms of orienting attention are distributed across a widespread cortical network. While aspects of this network have been extensively studied, details about the electrophysiological dynamics of this network are scarce. In this study, we investigated attentional networks using electrocorticographic (ECoG) recordings from the surface of the brain, which combine broad spatial coverage with high temporal resolution, in five human subjects. ECoG was recorded when subjects covertly attended to a spatial location and responded to contrast changes in the presence of distractors in a modified Posner cueing task. ECoG amplitudes in the alpha, beta, and gamma bands identified neural changes associated with covert attention and motor preparation/execution in the different stages of the task. The results show that attentional engagement was primarily associated with ECoG activity in the visual, prefrontal, premotor, and parietal cortices. Motor preparation/execution was associated with ECoG activity in premotor/sensorimotor cortices. In summary, our results illustrate rich and distributed cortical dynamics that are associated with orienting attention and the subsequent motor preparation and execution. These findings are largely consistent with and expand on primate studies using intracortical recordings and human functional neuroimaging studies.

Neural correlates of visual-spatial attention in electrocorticographic signals in humans.

Aufmerksamkeit ist eine kognitive Auswahlmechanismus, der die begrenzten Verarbeitungsressourcen des Gehirns in der sensorischen Streams f&uuml;r unsere unmittelbaren Ziele, relevantesten und damit Verbesserung der Reaktionsf&auml;higkeit und verhaltensbasierte Leistung reserviert. Die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen der Orientierung Aufmerksamkeit sind in einem weit verbreiteten kortikale Netzwerk verteilt. W&auml;hrend Aspekte dieses Netzes ausgiebig studiert haben, sind Informationen &uuml;ber die elektrophysiologische Dynamik dieses Netzes knapp. In dieser Studie untersuchten wir syn&auml;sthetischen Netzwerke mit Electrocorticographic (ECoG) Aufnahmen von der Oberfl&auml;che des Gehirns, die gro&szlig;e r&auml;umliche Abdeckung mit hoher zeitlicher Aufl&ouml;sung zu kombinieren, in f&uuml;nf Testpersonen. ECoG wurde aufgenommen, als Subjekte heimlich bis eine r&auml;umliche Lage besuchte und auf Kontrast &Auml;nderungen in Anwesenheit von Ablenkungen in einer ver&auml;nderten Posner-Cueing-Aufgabe reagierte. ECoG Amplituden in den Alpha-, Beta- und Gamma-Bands identifiziert neuronale Ver&auml;nderungen verdeckte Aufmerksamkeit und Vorbereitung/Motorausf&uuml;hrung in den verschiedenen Phasen der Aufgabe zugeordnet. Die Ergebnisse zeigen, dass die syn&auml;sthetischen Engagement in erster Linie von ECoG-Aktivit&auml;t in der visuellen, pr&auml;frontalen pr&auml;motorischen und parietalen Cortices zugeordnet wurde. Vorbereitung/Motorausf&uuml;hrung war ECoG Aktivit&auml;t in Premotor/sensomotorischen Cortices zugeordnet. Zusammenfassend l&auml;sst sich sagen zeigen unsere Ergebnisse reichen und verteilte kortikale Dynamik, die Orientierung, Aufmerksamkeit und die nachfolgenden motor Vorbereitung und Durchf&uuml;hrung zugeordnet sind. Diese Erkenntnisse sind weitgehend mit und Primas Studien mit intrakortikale Aufnahmen und menschlichen funktionelle Neuroimaging Studien erweitern.

Article	Year
Journal of hepatology\| PubMed ID: 16083989	2005
European journal of immunology\| PubMed ID: 18581323	2008
Real-time detection of event-related brain activity. NeuroImage\| PubMed ID: 18718544	2008
Biological psychology\| PubMed ID: 18786603	2009
A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans. Epilepsy & behavior : E&B\| PubMed ID: 19366638	2009
Passive real-time identification of speech and motor cortex during an awake craniotomy. Epilepsy & behavior : E&B\| PubMed ID: 20478745	2010
Proceedings of the first international workshop on advances in electrocorticography. Epilepsy & behavior : E&B\| PubMed ID: 20889384	2010
Spatiotemporal dynamics of electrocorticographic high gamma activity during overt and covert word repetition. NeuroImage\| PubMed ID: 21029784	2011
Toward a gaze-independent matrix speller brain-computer interface. Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology\| PubMed ID: 21183404	2011
Rapid Communication with a "P300" Matrix Speller Using Electrocorticographic Signals (ECoG). Frontiers in neuroscience\| PubMed ID: 21369351	2011
Proceedings of the Second International Workshop on Advances in Electrocorticography. Epilepsy & behavior : E&B\| PubMed ID: 22036287	2011
Neural correlates of visual-spatial attention in electrocorticographic signals in humans. Frontiers in human neuroscience\| PubMed ID: 22046153	2011
NeuroImage\| PubMed ID: 22366333	2012
NeuroImage\| PubMed ID: 22537600	2012

Peter Brunner

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