Medicine

用于语音皮质映射的导航重复经颅磁刺激的研究设计

Published: March 24, 2023 doi: 10.3791/64492

Pantelis Lioumis^1,2, Salla Autti^1,2, Juha Wilenius^2,3, Selja Vaalto^1,2,3, Henri Lehtinen^3,5, Aki Laakso⁴, Erika Kirveskari³, Jyrki P. Mäkelä², Mia Liljeström^1,2, Hanna Renvall^1,2

¹Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Aalto University School of Science, ²BioMag Laboratory, HUS Diagnostic Center, University of Helsinki, Aalto University, and Helsinki University Hospital, ³Department of Clinical Neurophysiology, HUS Diagnostic Center, University of Helsinki and Helsinki University Hospital, ⁴Department of Neurosurgery, University of Helsinki and Helsinki University Hospital, ⁵Department of Child Neurology, University of Helsinki and Helsinki University Hospital

Summary

导航重复经颅磁刺激是一种高效的非侵入性工具，用于绘制与言语相关的皮质区域。它有助于设计脑部手术，并加快手术过程中进行的直接皮质刺激。本报告描述了如何可靠地进行语音皮质映射以进行术前评估和研究。

Abstract

在脑肿瘤或耐药性癫痫手术之前，应可靠地表征人类言语中涉及的皮质区域。用于手术决策的语言区域的功能映射通常通过电直接皮质刺激（DCS）侵入性地完成，DCS用于识别每个患者内关键皮质和皮质下结构的组织。准确的术前无创映射有助于手术计划，减少手术室的时间、成本和风险，并为不适合清醒开颅术的患者提供替代方案。MRI、fMRI、MEG 和 PET 等非侵入性成像方法目前已应用于术前设计和规划。虽然解剖学和功能成像可以识别涉及语音的大脑区域，但它们无法确定这些区域是否对语音至关重要。经颅磁刺激（TMS）通过大脑中的电场感应非侵入性地激发皮质神经元群。当以重复模式（rTMS）应用以刺激言语相关皮质部位时，它可以产生类似于术中DCS诱导的言语相关错误。rTMS与神经导航（nrTMS）相结合，使神经外科医生能够在术前评估这些错误发生的位置，并计划DCS和手术以保留语言功能。这里提供了使用nrTMS的非侵入性语音皮质映射（SCM）的详细协议。可以修改拟议的方案，以最好地满足患者和特定部位的需求。它也可以应用于健康受试者或不适合手术的疾病的患者的语言皮质网络研究。

Introduction

在脑部疾病（例如癫痫或肿瘤）引起的神经外科手术期间，必须优化切除范围，以保留支持关键功能的大脑区域。在切除脑组织之前，应表征对患者完整性和生活质量至关重要的区域，例如与语言相关的区域。通常，不能仅根据解剖标志单独识别它们¹。用于手术决策的语言区域的功能映射通常通过电直接皮质刺激（DCS）侵入性地完成，这使神经外科医生能够了解每个患者体内关键皮质和皮质下结构的组织²。尽管清醒手术期间的DCS被认为是言语功能皮质映射的黄金标准，但它受到其侵入性，方法学挑战以及它对患者和手术团队引起的高压力的限制。该协议描述了使用导航经颅磁刺激（导航TMS或nTMS）的非侵入性语音皮质映射（SCM）。准确的非侵入性映射有助于手术计划，并减少手术室（OR）的时间、成本和风险。它还为那些不适合进行清醒开颅^术的患者提供了一种替代方案 3.

非侵入性成像方法已经极大地有益于术前计划。解剖磁共振成像（MRI）对于定位肿瘤和脑部病变至关重要;在神经导航⁴和导航TMS映射⁵中，它引导操作员到感兴趣的皮质部位。基于弥散的MRI（dMRI）束描图提供有关连接皮^{质区域的白}质纤维束的详细信息5^，⁶。在过去十年中，功能成像技术，尤其是功能性MRI（fMRI）和脑磁图（MEG），越来越多地用于术前运动和语音皮质映射（SCM）²，⁸^，⁹。每种方法都为术前绘图程序带来好处，例如，可以提供传统语言区域（布罗卡和韦尼克区域）之外的功能相关区域的信息。fMRI因其高可用性而成为最常用的方法¹;它已被与DCS在语音相关区域的定位中进行比较^{，结果各不相同}2^，¹⁰。然而，尽管功能成像可以识别受累的大脑区域，但它无法确定这些区域是否对保留功能至关重要。

导航重复TMS（nrTMS）现在被用作术前无创SCM的上述方法的替代方法¹¹^，¹²。nrTMS SCM在识别额下回（IFG）、颞上回（STG）和边缘上回（SMG）内与言语相关的皮质区域特别有效¹¹^，¹³。该方法的一个优点是，对刺激引起的误差进行离线分析，使分析仪不知道刺激部位。因此，可以在没有皮质位点与语音网络的相关性的先验信息的情况下判断错误。这是通过视频记录实现的，它允许分析仪比实际检查期间更可靠地区分错误的细微差异，例如语义和语音副读^物11^，¹²。nrTMS SCM方法目前的性能超过了单独的MEG或fMRI语音映射¹⁰，¹⁴^，并且可以使用额外的功能或解剖学信息来微调nrTMS程序。使用nrTMS进行术前映射已被证明可以缩短手术时间并减少开颅手术所需的尺寸和对雄辩皮层的损害¹⁵。它缩短了住院时间，能够更广泛地切除肿瘤组织，从而提高患者生存率¹⁵。nrTMS已通过术中DCS映射验证;具体而言，nrTMS在SCM中的敏感性很高，但其特异性仍然很低，与DCS¹³^，¹⁶相比，假阳性过多。

目前，术前无创SCM联合nrTMS可以帮助患者选择手术，帮助设计手术，并加快手术期间进行的^DCS17。本文详细介绍了如何执行nrTMS SCM以获得可靠的语音特异性结果。在获得实践经验后，可以定制建议的方案，以最好地满足患者和特定部位的需求。该协议可以进一步扩展到某些目标，例如言语产生（speech arrest）¹⁸^，¹⁹ 或视觉和认知功能²⁰。

Protocol

这项研究得到了赫尔辛基医院区和Uusimaa伦理委员会的批准。在程序之前获得每个受试者的知情同意。

1. 结构图像的准备

记录每个受试者整个头部的高分辨率T1加权结构MRI（最好具有0 mm切片间隙和1 mm切片厚度）。按照神经导航系统指令中指定的图像获取图像。
将 MR 图像以首选格式（通常为 DICOM 或 NifTI）上传到导航系统。
浏览MR图像，并检查是否有任何错误（例如，模糊的基点，噪声干扰或3D模型重建中的错位）。
在轴向、矢状面和冠状面 MRI 平面中找到基点（即每个耳垂和鼻腔的脊中部），通过按平面中的十字准线功能标记它们，然后单击鼠标左键选择确切的位置。然后，用鼠标按“添加地标”按钮。
插入感兴趣的大脑区域的包裹（例如，通过其他功能方法[MEG，fMRI，PET]或基于MRI数据库或图谱精确定位）²¹。选择“叠加图像”功能。

2. 神经导航的准备

检查受试者的头部和颈部区域是否没有任何金属物品（例如耳环），并确保没有绝对禁忌症，例如颅内金属夹。
将受试者放在患者椅上。调整椅子，使受试者舒适地坐着，颈部、手和腿部放松。调整椅子高度，以便操作员可以舒适地刺激被调查的整个半球。
放置头部追踪器，使其在刺激过程中保持稳定（用贴纸或带子），并且不会阻止TMS线圈在头部自由移动，尤其是在颞部区域。如果左半球受到刺激，追踪器可能位于额头的右侧，反之亦然，如果右半球受到刺激，以确保可以刺激额叶前叶区域。
将受试者的头部与MRI重建的3D头部模型共同配准。使用参与者头部的数字化笔标记在MRI上选择的基点（鼻点，耳前点）。数字化整个颅骨表面的其他点，以减少最终配准误差。将数字化笔放在 3D 头部模型上的每个高亮点上，当该点在导航器屏幕上开始闪烁时，踩下左踏板。
验证套准，即使总体误差可以接受（低于 4 毫米）。用数字化笔的笔尖触摸拍摄对象的头部。仔细检查笔是否位于基于 3D MRI 的模型表面上的类似位置。如果其位置与MRI中的点不对应，请重复步骤2.1-2.4。
在开始刺激之前，确保受试者和操作员都佩戴耳罩。

3. 定义M1刺激的热点和运动阈值

为了确定静息运动阈值（rMT），从右手选择远端手肌（例如，拇短外展肌 [APB]）。
注意。运动阈值用于定义初始刺激强度，随后可以如下所述进行更改。因此，任何远端手肌都可用于此目的。
将一次性凝胶电极（直径：~30 mm）放在右侧APB（肌肉腹部）上，另一个放在拇指中间（肌腱）。将接地电极放在手腕附近（或遵循制造商的指南）。
将电极连接到肌电图（EMG）放大器，并通过观察连续的EMG信号来验证APB是否处于静止状态。如果记录的肌肉不容易放松，请改变手的位置。
找到用于确定 APB 运动阈值的皮质热点。从电机手旋钮^区域22开始，传递几个TMS脉冲，并继续移动和旋转线圈，直到APB电机诱发电位（MEP）出现。
注意：通常，拇指的运动表示垂直于手旋钮的侧壁。
1. 选择唤起约200-500 μV的MEP的TMS强度。通过稍微改变线圈的角度来优化线圈的位置和方向，以唤起最大的MEP。
通过右键单击与热点位点对应的脉冲数并选择重复刺激的选项，在神经导航软件中保存最佳线圈位置。重复刺激，并通过右键单击热点并从神经导航软件中选择运动阈值选项来应用自动阈值搜索算法²³ 。
如果这些选项不可用，请应用TMS脉冲需要唤起20项试验中的10个MEP（≥50μV）的规则²⁴。

4. 图像的基线命名

在基线对象命名任务¹¹^、¹² 之前，使主体熟悉图像。打印图像（或以数字格式显示），并在课程开始前让受试者练习（受试者也可以在家练习）。
1. 使用正确标准化的标准化彩色图像（例如，来自标准化刺激库²⁵; 补充图1）。
2. 仅使用在日常环境中经常看到的图像，具有最少的同义词数量，并且具有较高的名称一致性。
如果可用，在喉部和声带上方的皮肤上安装加速度计以记录言语开始，如Vitikainen等人²⁶中所述。
将图像一一展示给受试者，并要求他们在没有刺激的情况下大声命名图像。
1. 在放置在0.5-1 m距离的屏幕上向拍摄对象呈现图像。
2. 每张图像的显示时间为 700-1，000 毫秒。
调整图像间隔（IPI），使每个主题的任务略有挑战性（例如，从 2，500 毫秒开始，在 1，500-4，000 毫秒之间变化）。
1. 如果在基线命名任务期间发生许多错误，请以 200-300 毫秒的步长增加 IPI。如果任务太简单，请以 200-300 毫秒的步长降低 IPI。
对于使用nrTMS进行的实际语音映射会话，请省略在基线测试期间未充分训练，未正确命名，未清晰命名，未正确表达，延迟或犹豫命名或对受试者来说似乎难以命名的图像。
基线命名任务运行三次，如果性能不理想，则重复步骤4.3-4.5。

5. 语音皮质映射

通过以刺激器输出的 1% 步长增加/减少刺激强度来改变刺激强度，以便每个目标区域接收相同的感应电场（E-field），定义为皮质手部运动热点处手部肌肉的 rMT。通常，顶叶目标需要比额颞叶目标应用更高的强度，以达到与rMT热点相似的皮质电场。
1. 当刺激靠近头部表面的皮质结构（E场高于预定义的rMT电场）时降低强度。
在开始刺激之前，请检查两个半球不同语音相关区域的诱导电场值是否大致相似（有2-3 V / m的差异）。
1. 如果需要，调整皮质深度（剥离深度）。
2. 确保线圈中心不在空中。
从 300 毫秒的默认图片到 TMS 间隔（PTI）开始，或使用 0-400 毫秒 PTI;PTI 优于 150 ms 以优化刺激与语言处理的重叠。
以 5 Hz 的刺激速率从五个脉冲开始。从与语音处理无关的皮质区域开始，以便受试者习惯于刺激引起的感觉。然后，将线圈移动到预期的语音相关区域。
将线圈保持在相同位置，直到脉冲序列结束并且受试者的命名完成。
专注于受试者的表现，如下所述。
1. 如果未观察到错误，请转到下一个轨迹。
2. 如果观察到错误，甚至犹豫，继续刺激该站点，再增加两到三个nrTMS列车，然后继续前进。请记住该部位，以便以后可能再次刺激。
3. 当检测到轻微错误时（例如，由于增加努力而在命名过程中轻微犹豫或声音更大），请进行小的线圈调整，以引发更清晰的错误。
4. 避免在同一部位重复刺激超过连续五列。继续其他皮质部位，稍后再访问该部位。
5. 如果在几个刺激位置出现重复错误，请将线圈抬起头皮上方的空气，并检查是否仍然发生错误。
6. 如果错误仍然出现，请休息一下，然后等待命名恢复正常。
  注意。如果与言语相关的区域受到肿瘤或其他病变的影响，则与刺激无关的重复命名错误可能很常见。
7. 连续刺激7-10分钟（最多），中间有2-5分钟的休息时间。
  注意：错误在长时间刺激和受试者疲倦时变得更加常见。
刺激所有可能相关的解剖区域（例如，IFG、STG、SMG、中颞回、中央前回、中央后回和角回，以及前额叶皮层），以获得尽可能多的控制反应。
如果可行和/或临床支持，刺激两个半球。仔细刺激肿瘤区域内部和周围或病变的估计位置，即使这些区域不属于经典的言语相关区域（对于肿瘤和癫痫患者）。
1. 检查远离病变部位的皮质区域，以确定由于可塑性变化或占位效应而导致的语言区域可能的空间变化，尤其是在病变较大的患者中。
如果映射引起疼痛或不适，则以最大刺激器输出的 2%-5% 的步长降低 TMS 强度。
如果受试者不能忍受引起的疼痛或不适，请停止测量。

6. 不发生命名错误的策略

终止刺激，并更改刺激参数。
将 IPI 从默认值降低 200 毫秒（例如，从 2，500 毫秒降低到 2，300 毫秒）。
将脉冲传递频率从 5 Hz 更改为 7 Hz。更改所呈现图像的开始与 rTMS 之间的间隔（目前，对于是增加还是减少它还没有达成共识）。增加刺激强度（不会引起不适）。

7. 诱发命名错误的离线分析

与专家（例如神经心理学家）合作，他们最好出现在手术室。
通过观察线圈定位和视频记录中可能的疼痛干扰来仔细检查诱发的命名错误。
根据Corina等人²⁷ 对错误进行分类（例如，异常，语义和语音副读，性能错误）。
1. 如果特定类型的错误在基线视频中重复出现，则在分析刺激会话视频时不要将其视为错误。
如果一个对象是以rTMS序列命名的，则将其视为延迟或无错误;还要检查受试者在脉冲输送过程中可能出现的不适。
如果受试者无法命名给定的物体，尽管舌头、嘴唇和下巴在移动，请记录无反应错误。
如果图像在每个会话中的命名不同，请丢弃它。
如果不确定，请用相同的图像控制相邻刺激部位的性能或另一个半球的刺激效果。

Representative Results

使用了带有集成屏幕和摄像头的导航经颅磁刺激系统。图1A-C突出显示了在不同PTI（180 ms，200 ms和215 ms）下的任务期间一个主题中不同的TMS诱发命名错误。TMS脉冲时序对诱发错误数量的影响是显而易见的。换句话说，在不同PTI的不同区域检测到与TMS相关的性能变化。根据MEG研究，即使在相同的皮质部位，错误的数量也根据TMS脉冲的时间而变化，这些研究表明不同语言相关皮质区域的激活时间变化²⁸。图2显示了顽固性癫痫患者术外DCS映射和nrTMS与固定PTI为300 ms的结果比较。这些数据是从先前关注癫痫²⁹的出版物中获得的。

图 1：来自健康志愿者的基于 3D MRI 的模型上的 nrTMS SCM 结果 。（A） PTI 为 180 毫秒。（B） PTI 为 200 毫秒。（C） PTI 为 215 毫秒。除了主要的言语相关区域外，还按照协议（步骤5.7）中的描述刺激了预补充运动区域（pre-SMA）。大多数错误是在经典语音区域（IFG，STG，SMG）中引起的，但也沿着连接pre-SMA和Broca区域的路径（ A 和 B中接近中线的绿色斑点）引起。请点击此处查看此图的大图。

图 2：顽固性癫痫患者术外 DCS 映射和固定 PTI 为 300 ms 的 nrTMS 结果比较 。（A）13岁时进行术外网格映射。黄色球体代表皮层上的所有电极。显示了诱导手和嘴的运动反应（绿色圆圈）、命名停止（异常;红色圆圈）和中断句子重复（粉红色圆圈）的电极刺激部位（2-5 mA）。（二）同一患者在15岁时的nrTMS SCM。图中显示了nrTMS诱导的异常（红点），语义和语音失语（黄点）和犹豫（白点）的位点。具有高度可重现性和可靠误差感应的区域被圈出。该图像的数据取自Lehtinen等人的研究²⁹。请点击此处查看此图的大图。

补充图1：nrTMS SCM实验中呈现的图像示例（括号内为芬兰语）。 （A）衣架（亨卡里）。（B）剪刀（萨克塞特）。（C）草莓（曼西卡）。请点击此处下载此文件。

Discussion

在这里，提出了一个用于nrTMS SCM的协议，该协议能够对语音和语言网络最重要的枢纽进行几乎完整的皮质无创映射。它的主要优点是它可以在清醒开颅术^30或术外²⁹ 期间无创地模拟DCS映射（见图2）。此外，它可以应用于健康人群³¹ 和不适合手术的患者的语言皮质网络研究³²。用于SCM的nrTMS也可用于开发神经康复策略，例如靶点选择（例如，中风后）。已经研究了DCS在手术前诱导与言语相关的皮质表征中的可塑性³³ 以增加切除的程度³⁴。应研究nrTMS SCM在此类研究中的可能性。

在目前的结果中，一个相对较大的区域，包括经典语音相关区域和前SMA，在三个不同的PTI上反复受到刺激。每种PTI对错误表现出不同的敏感性和特异性，但也证明了非侵入性脑刺激中众所周知的反应变异性³⁵。大多数误差是由IFG，STG，前SMA和沿额斜道³⁶的刺激引起的。这凸显了nrTMS SCM的强大功能;具体来说，与DCS相比，刺激可以非常灵活地针对几个区域。我们观察到，更改 PTI 并记录许多会话并不能明显加快反应时间²⁶，²⁹^，这与学习效果有关。

该协议突出显示了可能影响nrTMS SCM准确性的不同参数。结果可能对TMS操作员所做的选择很敏感;本文旨在提供具有经过充分测试的刺激参数的标准指南。高特异性源于对几个不同参数的适当选择，包括ISI、PTI、线圈位置和rTMS频率。这些参数影响诱导误差的特异性，从而反映底层皮质区域的功能;参数选择需要基于当前对语言神经生物学的了解。

应选择命名任务的图像，以便它们本身不会引起错误的命名（补充图1）。在这里，图像是从标准化图像库中选择的，并针对各种命名参数²⁵^，³⁷进行控制。例如，图像池仅限于日常使用中具有相似复杂性和频率的项目，以及高名称一致性。图像的选择可以根据每个手术中心³⁸、被调查人群³⁹、被测试对象的母语⁴⁰^、⁴¹ 和使用的任务⁴²的需求而变化。如协议中所述，基线图像选择最终针对每个受试者进行个性化，因为现场命名是主观的。

刺激频率需要单独定义，因为它可以确定导航经颅磁脑刺激期间误差的分布⁴³。提出的选择，4-8 Hz，基于Epstein等人的rTMS工作⁴⁴。初始刺激频率设置为 5 Hz。如果没有检测到错误，则刺激频率增加到7 Hz.更高的频率可以减少nrTMS引起的疼痛并增加命名错误的特异性⁴⁵。较高的频率还具有将脉冲限制在较短且更具体的时间间隔的优点。然而，它们可能会影响与例如语音运动执行相关的功能⁴⁴，⁴⁶^，这不是本协议的主要目标。

建议在 150-400 毫秒之间改变 PTI。这是在对象命名任务²⁸^，⁴⁷期间检索单词的重要时间窗口。该协议旨在通过避免基本视觉处理的干扰来实现语音特异性，该干扰发生在图像呈现后的前 150 毫秒内，可能会影响对象命名，但与语音生成无关。PTI的推荐上限基于同一受试者²⁸，⁴⁸中图片命名的典型响应延迟^，并且可以预期受试者之间最佳值的个体差异（见图1）。理想情况下，PTI的选择应基于个性化措施，尽管这在临床环境中可能要求后勤。赫尔辛基大学医院的实验方案通常以 300 毫秒的 PTI 开头。根据受刺激区域¹²，¹³，⁴⁹更改PTI也可能是有用的，如几项语言研究²⁸，⁴⁷^，⁵⁰所示。然而，上述窗口之外的PTI也可能引起命名错误，这对于术前评估很有用（对于比较研究，请参阅Krieg等人使用0-300毫秒的PTIs的⁴⁹）。

皮质言语网络广泛存在，并且因人而异，特别是在肿瘤和癫痫患者中²⁹，³⁰^，³⁹。nrTMS诱导的语言障碍在个体之间差异很大，类似于在清醒开颅术刺激中观察到的障碍²⁷^，⁵¹。从fMRI⁵⁰，DTI 52，⁵³^，⁵⁴和MEG⁵⁵获得的信息可以指导nTMS用户并产生针对每个人量身定制的程序^，因此更加具体和准确。nrTMS SCM的目标是提高特异性，减少无应答者的数量，可靠地指导DCS，或者在资源和条件不允许高度专业化的专家团队执行DCS时更换DCS。将来，多位点TMS（mTMS）可以应用于刺激皮层不同部分的程序中，而无需物理移动刺激线圈⁵⁶。

本协议可以执行几种类型的命名任务⁴²、⁵⁷或其它认知任务（计算^、决策等）。⁵⁸. 录像可以揭示任务表现的关键特征（例如，受试者的鬼脸表明没有诱发运动言语停止），这些特征在刺激期间可能没有被观察到。该设置还允许通过共同观看视频记录向受试者询问nrTMS诱导的体验和感觉。这有助于区分疼痛引起的错误和nrTMS的真实影响。最后，该方案可以很容易地修改为不同的受试者组（例如，双语个体³¹），并满足每个外科或研究团队的需求。

Disclosures

P.L.一直是Nexstim Ltd.的运动和语音皮层映射顾问。

Acknowledgments

Pantelis Lioumis得到了HUS VTR资助（TYH2022224），Päivikki和Sakari Sohlberg基金会的Salla Autti以及保罗基金会和芬兰学院的Hanna Renvall（资助321460）的支持。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Neurology surface electrodes	Ambu A/S	Ambu Neuroline Ground
Neurology surface electrodes	Ambu A/S	Ambu Neuroline 720
Off-line speech error analyzer	Nexstim Ltd	NexSpeech 2.1.0
Single patient surface electrode	Ambu A/S	Ambu Neuroline 700
Stimulator	Nexstim Ltd	NBS 4.3