高周波ガンマ振動と皮質電図による人間の脳のマッピング

深さおよび/または硬膜電極を備えた侵襲的なEEG記録は、薬物耐性のてんかんの患者の外科的管理には時々必要です。重要な臨床的有用性に加えて、電気皮質造影（ECOG）記録は、非侵襲的記録よりも詳細に機能的脳活性化の電気生理学的相関を研究する前例のない機会を提供します。EEG活性の皮質源にECOG電極が近接しているため、特に高周波EEG活性のための感度とシグナルと雑音の比率が向上します。したがって、ECOGの記録は、さまざまな周波数範囲、および体性感覚および体性運動系、視覚および聴覚知覚システム、皮質ネットワークを含むさまざまな機能的神経解剖学システムにおける脳振動のイベント関連のダイナミクスを研究するために使用されてきました。言語を担当します。これらのECOG研究は、より低い頻度でERD/ERS現象の元の非侵襲的観測を確認および拡張し、非侵襲的記録で以前に観察されたものよりも高いガンマ頻度での新しいイベント関連の応答を発見しました。特に、60 Hzを超える広帯域イベント関連のガンマ応答は、約200 Hzまで延びており、さまざまな機能的脳系で観察されています。これらの「ハイガンマ」応答の観察には、適切なサンプリングレートとダイナミックレンジ（16ビットA/D解像度で1000 Hzを使用）を備えたレコーディングシステムが必要であり、記録されたシグナルのイベント関連の時間周波数分析によって促進されます。。高ガンマ活性の機能的応答特性は、より低い周波数のERD/ERS現象の特性とは異なります。特に、高ガンマERのタイミングと空間の局在は、アルファまたはベータERD/ersよりも、機能的脳の活性化の推定タイミングと局在により、より具体的であるように見えることがよくあります。これらの発見は、神経計算のモデルにおける同期ガンマ振動の提案された役割と一致しています。これは、やや低い周波数ではあるものの、動物製剤におけるガンマ活動の観察に触発されました。ECOGの記録は、ニューロンのアセンブリ間の活動電位の同期を直接測定することはできませんが、同じ機能タスクによって存在するさまざまな大規模集団によって生成される巨視的な局所電界電位（LFP）のガンマ振動間のイベント関連の相互作用を示すことができます。実際、予備的な研究は、このような相互作用が、タスクのパフォーマンスのタイミングと一致するレイテンシーで、高ガンマ周波数を含むガンマ頻度で発生することを示唆しています。高ガンマ活動の根底にあるニューロンのメカニズムと人間におけるそのユニークな応答特性はまだほとんど不明ですが、侵襲的な方法による調査は、機能的な脳マッピング、脳コンピューターのインターフェイス、および潜在的な臨床および研究アプリケーションを促進し、拡大することが期待されています。人間の認知の神経生理学的研究。

Invasive EEG recordings with depth and/or subdural electrodes are occasionally necessary for the surgical management of patients with epilepsy refractory to medications. In addition to their vital clinical utility, electrocorticographic (ECoG) recordings provide an unprecedented opportunity to study the electrophysiological correlates of functional brain activation in greater detail than non-invasive recordings. The proximity of ECoG electrodes to the cortical sources of EEG activity enhances their spatial resolution, as well as their sensitivity and signal-to-noise ratio, particularly for high-frequency EEG activity. ECoG recordings have, therefore, been used to study the event-related dynamics of brain oscillations in a variety of frequency ranges, and in a variety of functional-neuroanatomic systems, including somatosensory and somatomotor systems, visual and auditory perceptual systems, and cortical networks responsible for language. These ECoG studies have confirmed and extended the original non-invasive observations of ERD/ERS phenomena in lower frequencies, and have discovered novel event-related responses in gamma frequencies higher than those previously observed in non-invasive recordings. In particular, broadband event-related gamma responses greater than 60 Hz, extending up to approximately 200 Hz, have been observed in a variety of functional brain systems. The observation of these "high gamma" responses requires a recording system with an adequate sampling rate and dynamic range (we use 1000 Hz at 16-bit A/D resolution) and is facilitated by event-related time-frequency analyses of the recorded signals. The functional response properties of high-gamma activity are distinct from those of ERD/ERS phenomena in lower frequencies. In particular, the timing and spatial localization of high-gamma ERS often appear to be more specific to the putative timing and localization of functional brain activation than alpha or beta ERD/ERS. These findings are consistent with the proposed role of synchronized gamma oscillations in models of neural computation, which have in turn been inspired by observations of gamma activity in animal preparations, albeit at somewhat lower frequencies. Although ECoG recordings cannot directly measure the synchronization of action potentials among assemblies of neurons, they may demonstrate event-related interactions between gamma oscillations in macroscopic local field potentials (LFP) generated by different large-scale populations of neurons engaged by the same functional task. Indeed, preliminary studies suggest that such interactions do occur in gamma frequencies, including high-gamma frequencies, at latencies consistent with the timing of task performance. The neuronal mechanisms underlying high-gamma activity and its unique response properties in humans are still largely unknown, but their investigation through invasive methods is expected to facilitate and expand their potential clinical and research applications, including functional brain mapping, brain-computer interfaces, and neurophysiological studies of human cognition.