Visualizzazione dell’anatomia e dei segnali EEG

Brainstorm richiede tre categorie di input per procedere all’analisi delle sorgenti EEG: l’anatomia del soggetto, le posizioni in 3D dei sensori e le acquisizioni EEG.

L’informazione anatomica di solito deriva dall’immagine di risonanza magnetica (MR) T1-pesata dell’intera testa e, in aggiunta, almeno due superfici tassellate, che rappresentano la corteccia cerebrale e lo scalpo. Le analisi possono essere eseguite sull’anatomia del singolo soggetto (richiede l’importazione delle immagini MR e delle superfici) oppure sfruttando l’anatomia di default di Brainstorm (inclusa nel pacchetto), che deriva dal modello cosiddetto ICBM152. Questo significa che è possibile utilizzare questo modello come sostituito per i soggetti di cui non si ha la relativa MRI, o come modello di cervello comune tra i soggetti nelle analisi di gruppo. Oltre al template ICBM152, imposto di default, sono disponibili altri pacchetti MRI+superfici, derivanti da software esterni (FreeSurfer, BrainSuite, BrainVISA) specializzati nell’elaborazione di immagini MRI del cervello umano. Una breve descrizione dei vari modelli disponibili sul software è fornita in

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 Colin27_2016 : ottenuto dalla media di 27 scansioni della stessa testa.

 ICBM152_2016 : ottenuto dalla media non lineare di 152 soggetti.

 ICBM152 : ottenuto nello stesso modo di ICBM152_2016, ma senza l’involucro di sostanza bianca.

 FSAverage_2016 : ottenuto dalla media di 40 soggetti usando la media sferica.

Tutti i pacchetti includono una T1 MRI del volume, immagini ad alta (~300.000 vertici) e bassa (~15.000 vertici) risoluzione della superficie corticale, immagini degli strati della testa (scalpo, cranio esterno, cranio interno), la FreeSurfer spherical registration di ogni emisfero, FreeSurfer atlas delle superfici (Desikan-Killiany,

Destrieux, Brodmann, Mindboggle), atlas sottocorticale ASEG.

BrainSuite templates

 Colin27_BrainSuite_2016 : ottenuto dalla media di 27 scansioni.

 ICBM152_BrainSuite_2016 : ottenuto dalla media non lineare di 152 soggetti.

 BCI-DNI_BrainSuite_2016 : ottenuto dall’atlas di un singolo soggetto, acquisito all’University of Southern California (USC).

 USCBrain : ottenuto da un’atlas ibrido, anatomico e funzionale, all’USC.

Tutti i pacchetti includono una T1 MRI del volume, immagini ad alta (~300.000 vertici) e bassa (~15.000 vertici) risoluzione della superficie corticale, immagini degli strati della testa (scalpo, cranio esterno, cranio interno), BrainSuite square registration di ogni emisfero, BrainSuite atlas della superficie (SVReg).

BrainVISA templates

 Colin27_2012 : versione precedente dell’anatomia di default distribuita da Brainstorm.

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 Infant7w_2015b : ottenuto dal cervello di un neonato di 7 settimane con atlas anatomico ottenuto da Kabdebon et al. 2014.

 Oreilly_1y : ottenuto dal cervello di un neonato di 1 anno con atlas superficiale Tzourio-Mazoyer.

I template BrainVISA non consentono alcuna procedura di registrazione accurata.

Tabella 1: Schematizzazione dei modelli anatomici forniti dal software Brainstorm.

I modelli possono essere anche deformati, direttamente attraverso il software, per adeguarsi a un insieme di punti, acquisiti dalla testa del soggetto, e digitalizzati da un 3D digitizer device, per creare un’approssimazione dell’anatomia del singolo soggetto, basata sulla morfologia dello scalpo. Sono disponibili, inoltre, una serie di opzioni per la visualizzazione delle superfici, che includono la trasparenza, lo smoothing e il sottocampionamento della superficie tassellata (Figura 12).

Figura 12: Alcune delle possibili opzioni per visualizzare i volumi e le superfici MRI [13].

Le posizioni dei sensori, nel caso di segnali MEG, sono sempre incluse nei file; per la maggior parte dei file EEG, invece, è necessario importare separatamente le

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posizioni degli elettrodi. Brainstorm offre, inoltre, uno strumento che permette all’utente di definire e modificare le posizioni degli elettrodi sulla superficie della testa (Figura 13). Questa funzionalità può essere usata anche per aggiustare manualmente uno dei montaggi EEG standard disponibili nel software, tra cui quelli già definiti per il modello di anatomia ICBM152.

Per visualizzare e interagire con le registrazioni EEG, Brainstorm offre una serie di opzioni, tra cui modi alternativi per rappresentare le serie temporali e le mappe topografiche 2D e 3D, permette di creare animazioni o istantanee in diversi istanti di tempo, selezionare canali o intervalli temporali, e manipolare cluster di sensori (Figura 14). Vi è, inoltre, un vasta pipeline per la pre-elaborazione dei dati: rilevamento visivo o automatico di bad trials e bad channels, marcatura e caratterizzazione degli eventi, correzione della baseline, filtraggio di frequenza, ricampionamento dei dati, media, stima del rumore statistico, tecniche per la riduzione del rumore e rilevazione automatica degli artefatti. Altre operazioni di pre- elaborazione possono essere eseguite anche con altri programmi (es. EEGLab, FiledTrip o MNE) per, poi, importare i risultati su Brainstorm.

Le analisi in Brainstorm comportano l’integrazione di dati di provenienza diversa: le registrazioni EEG, le scansioni anatomiche MRI e le tassellazioni della superficie corticale e dello scalpo (nel caso in cui siano disponobili a livello di singolo soggetto). La loro registrazione geometrica nello stesso sistema di coordinate è essenziale per garantire l’accuratezza nell’imaging delle sorgenti. Brainstorm allinea tutti i dati nel sistema di coordinate del soggetto (Subject Coordinate System, SCS), che è definito dai tre fiducial markers: nasion, punto preauricolare sinistro e punto preauricolare destro. L’allineamento tra i dati volumetrici MRI e le superfici dei tessuti della testa tassellate è automatico, poiché il più delle volte provengono dallo stesso volume di dati; tuttavia, vi è comunque la possibilità di allinearli manualmente così da ottenere un controllo più accurato. Invece, per associare i dati MRI alle acquisizioni EEG, i tre fiducial points di riferimento sono necessari: prima bisogna

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definirli nelle immagini volumetriche MR, e poi associarli alle coordinate dei corrispondenti fiducial points, che sono stati individuati nel sistema di coordinate dell’EEG durante l’acquisizione. L’allineamento basato solamente su questi tre punti non è del tutto accurato, pertanto si possono acquisire dei punti addizionali sullo scalpo, digitalizzarli, e sfruttarli in un procedimento di rifinitura automatico.

Figura 13: Brainstorm tool per modificare la posizione degli elettrodi [13].

Figura 14: Soluzioni per visualizzare le registrazioni MEG/EEG [13].