Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Studieontwerp voor genavigeerde repetitieve transcraniële magnetische stimulatie voor spraakcorticale mapping

Published: March 24, 2023 doi: 10.3791/64492
Automatic Translation
1,2, 1,2, 2,3, 1,2,3, 3,5, 4, 3, 2, 1,2, 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

Genavigeerde repetitieve transcraniële magnetische stimulatie is een zeer efficiënt niet-invasief hulpmiddel voor het in kaart brengen van spraakgerelateerde corticale gebieden. Het helpt bij het ontwerpen van hersenchirurgie en versnelt de directe corticale stimulatie die tijdens de operatie wordt uitgevoerd. Dit rapport beschrijft hoe spraakcorticale mapping betrouwbaar kan worden uitgevoerd voor preoperatieve evaluatie en onderzoek.

Abstract

De corticale gebieden die betrokken zijn bij menselijke spraak moeten vóór de operatie betrouwbaar worden gekarakteriseerd voor hersentumoren of medicijnresistente epilepsie. Het functioneel in kaart brengen van taalgebieden voor chirurgische besluitvorming wordt meestal invasief gedaan door elektrische directe corticale stimulatie (DCS), die wordt gebruikt om de organisatie van de cruciale corticale en subcorticale structuren binnen elke patiënt te identificeren. Nauwkeurige preoperatieve niet-invasieve mapping helpt bij chirurgische planning, vermindert tijd, kosten en risico's in de operatiekamer en biedt een alternatief voor patiënten die niet geschikt zijn voor wakkere craniotomie. Niet-invasieve beeldvormingsmethoden zoals MRI, fMRI, MEG en PET worden momenteel toegepast in prechirurgisch ontwerp en planning. Hoewel anatomische en functionele beeldvorming de hersengebieden die betrokken zijn bij spraak kan identificeren, kunnen ze niet bepalen of deze regio's cruciaal zijn voor spraak. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) prikkelt de corticale neuronale populaties niet-invasief door middel van elektrische veldinductie in de hersenen. Wanneer het in de repetitieve modus (rTMS) wordt toegepast om een spraakgerelateerde corticale plaats te stimuleren, kan het spraakgerelateerde fouten produceren die analoog zijn aan die geïnduceerd door intraoperatieve DCS. rTMS in combinatie met neuronavigatie (nrTMS) stelt neurochirurgen in staat om preoperatief te beoordelen waar deze fouten optreden en om het DCS en de operatie te plannen om de taalfunctie te behouden. Hier wordt een gedetailleerd protocol gegeven voor niet-invasieve spraakcorticale mapping (SCM) met behulp van nrTMS. Het voorgestelde protocol kan worden aangepast om zo goed mogelijk aan te sluiten bij de patiënt- en locatiespecifieke eisen. Het kan ook worden toegepast op taalcorticale netwerkstudies bij gezonde proefpersonen of bij patiënten met ziekten die niet vatbaar zijn voor chirurgie.

Introduction

Tijdens neurochirurgie als gevolg van hersenaandoeningen (bijv. Epilepsie of een tumor) moet de mate van resectie worden geoptimaliseerd om hersengebieden te behouden die kritieke functies ondersteunen. Gebieden die van vitaal belang zijn voor de integriteit en kwaliteit van leven van de patiënt, zoals taalgerelateerde, moeten worden gekarakteriseerd voorafgaand aan de verwijdering van hersenweefsel. Meestal kunnen ze niet individueel worden geïdentificeerd op basis van anatomische oriëntatiepunten1. Het functioneel in kaart brengen van taalgebieden voor chirurgische besluitvorming wordt meestal invasief gedaan door elektrische directe corticale stimulatie (DCS), waardoor de neurochirurg de organisatie van de cruciale corticale en subcorticale structuren binnen elke patiënt kan begrijpen2. Hoewel DCS tijdens wakkere chirurgie wordt beschouwd als de gouden standaard voor corticale mapping voor spraakfuncties, wordt het beperkt door zijn invasiviteit, methodologische uitdagingen en de hoge stress die het veroorzaakt voor zowel de patiënt als het chirurgische team. Dit protocol beschrijft niet-invasieve spraakcorticale mapping (SCM) met behulp van genavigeerde transcraniële magnetische stimulatie (genavigeerd TMS of nTMS). Nauwkeurige niet-invasieve mapping helpt bij chirurgische planning en vermindert de tijd, kosten en risico's in de operatiekamer (OK). Het biedt ook een alternatief voor die patiënten die niet geschikt zijn voor wakkere craniotomie3.

Niet-invasieve beeldvormingsmethoden hebben de prechirurgische planning al enorm ten goede gekomen. Anatomische magnetische resonantie beeldvorming (MRI) is cruciaal voor het lokaliseren van tumoren en hersenletsels; in neuronavigatie4 en in de genavigeerde TMS-mapping5 leidt het de operator naar de corticale plaatsen van belang. Op diffusie gebaseerde MRI (dMRI) tractografie geeft gedetailleerde informatie over de witte-stof vezelkanalen die corticale gebieden 5,6 verbinden. In het afgelopen decennium zijn functionele beeldvormingstechnieken, met name functionele MRI (fMRI) en magneto-encefalografie (MEG), in toenemende mate gebruikt voor preoperatieve motorische en spraakcorticale mapping (SCM)2,8,9. Elke methode brengt voordelen met zich mee voor de preoperatieve karteringsprocedure en kan bijvoorbeeld informatie opleveren over de functioneel gerelateerde regio's buiten de conventionele taalgebieden (de gebieden van Broca en Wernicke). fMRI is de meest gebruikte methode1 vanwege de hoge beschikbaarheid; het is vergeleken met DCS in de lokalisatie van spraakgerelateerde gebieden met variabele resultaten 2,10. Hoewel functionele beeldvorming de betrokken hersengebieden kan identificeren, kan het niet bepalen of deze regio's van cruciaal belang zijn voor het behoud van de functie.

Navigated repetitive TMS (nrTMS) wordt tegenwoordig gebruikt als alternatief voor de bovengenoemde methoden voor preoperatieve niet-invasieve SCM11,12. nrTMS SCM is vooral efficiënt in het identificeren van spraakgerelateerde corticale gebieden binnen de inferieure frontale gyrus (IFG), superieure temporale gyrus (STG) en supramarginale gyrus (SMG)11,13. Een voordeel van de methode is dat de offline analyse van de fouten die door de stimulatie worden opgeroepen, de analysator in staat stelt zich niet bewust te zijn van de stimulatieplaats. Het is dus mogelijk om de fout te beoordelen zonder a priori informatie over de relevantie van de corticale site voor het spraaknetwerk. Dit wordt mogelijk gemaakt door een video-opname, waarmee de analysator subtiele verschillen in fouten, zoals semantische en fonologische parafasie, betrouwbaarder kan onderscheiden dan tijdens het eigenlijke onderzoek11,12. De nrTMS SCM-benadering overtreft momenteel de prestaties van MEG- of fMRI-spraakmapping alleen10,14, en aanvullende functionele of anatomische informatie kan worden gebruikt om de nrTMS-procedure te verfijnen. Van preoperatieve mapping met nrTMS is aangetoond dat het de operatietijden verkort en de vereiste grootte van craniotomie en schade aan de welbespraakte cortexvermindert 15. Het verkort de tijd van ziekenhuisopname en maakt een uitgebreidere verwijdering van tumorweefsel mogelijk, waardoor de overlevingskansen van de patiënt toenemen15. nrTMS is gevalideerd tegen intraoperatieve DCS-mapping; specifiek is de sensitiviteit van nrTMS in SCM hoog, maar de specificiteit blijft laag, met overmatige fout-positieven in vergelijking met DCS13,16.

Momenteel kan prechirurgische niet-invasieve SCM met nrTMS helpen bij de selectie van patiënten voor operatie, helpen bij het ontwerpen van de operatie en het DCS versnellen dat tijdens de operatie wordt uitgevoerd17. Hier wordt een gedetailleerde beschrijving gegeven van hoe nrTMS SCM kan worden uitgevoerd om betrouwbare spraakspecifieke resultaten te verkrijgen. Na het opdoen van praktijkervaring kan het voorgestelde protocol worden afgestemd op de patiënt- en locatiespecifieke eisen. Het protocol kan verder worden uitgebreid naar bepaalde doelen, zoals spraakproductie (spraakarrest)18,19 of visuele en cognitieve functies20.

Protocol

Deze studie werd goedgekeurd door het ziekenhuisdistrict van Helsinki en de ethische commissie van Uusimaa. Geïnformeerde toestemming om deel te nemen werd vóór de procedure van elke proefpersoon verkregen.

1. Voorbereiding van de structurele beelden

  1. Neem voor elke proefpersoon een hoge resolutie T1-gewogen structurele MRI van het hele hoofd op (bij voorkeur met een plakspleet van 0 mm en een plakdikte van 1 mm). Verkrijg de beelden zoals gespecificeerd in de instructies van het neuronavigatiesysteem.
  2. Upload de MR-afbeeldingen naar het navigatiesysteem in het gewenste formaat (meestal DICOM of NifTI).
  3. Doorloop de MR-afbeeldingen en controleer op eventuele fouten (bijvoorbeeld wazige kardinale punten, geluidsoverlast of misplaatsingen in de reconstructie van het 3D-model).
  4. Zoek de kardinale punten (d.w.z. het midden van de richel in elke oorlel en de nasion) in de axiale, sagittale en coronale MRI-vlakken, markeer ze door op de vizierfunctie in de vlakken te drukken en kies de exacte plek door op de linkerknop van de muis te klikken. Druk vervolgens met de muis op de knop "oriëntatiepunten toevoegen".
  5. Voeg verkadingen van de hersengebieden van belang in (bijvoorbeeld met andere functionele methoden [MEG, fMRI, PET] of op basis van MRI-databases of atlassen)21. Kies de functie "overlay-afbeelding".

2. Voorbereiding op neuronavigatie

  1. Controleer of het onderwerp geen metalen voorwerpen (bijv. Oorbellen) in het hoofd- en nekgebied heeft en zorg ervoor dat er geen absolute contra-indicaties zijn zoals intracraniële metalen clips.
  2. Plaats het onderwerp in de patiëntenstoel. Stel de stoel zo in dat het onderwerp comfortabel zit, met de nek, handen en benen ontspannen. Pas de stoelhoogte aan zodat de machinist comfortabel de hele halve bol kan stimuleren.
  3. Plaats de hoofdtracker zo dat deze tijdens de stimulatiesessie wordt gestabiliseerd (met een sticker of een riem) en niet blokkeert dat de TMS-spoel vrij over het hoofd kan worden bewogen, vooral niet over de tijdelijke gebieden. De tracker kan iets rechts op het voorhoofd worden geplaatst als de linkerhersenhelft wordt gestimuleerd en vice versa als de rechterhersenhelft wordt gestimuleerd om ervoor te zorgen dat de voorste frontale kwabgebieden kunnen worden gestimuleerd.
  4. Co-registreer het hoofd van de proefpersoon in het MRI-gereconstrueerde 3D-hoofdmodel. Gebruik een digitaliserende pen op het hoofd van de deelnemer om de kardinale punten (nasion, pre-auriculaire punten) te markeren die op de MRI's zijn geselecteerd. Digitaliseer extra punten over het hele schedeloppervlak om de uiteindelijke registratiefout te verminderen. Plaats de digitaliseringspen op elke gemarkeerde plek op het 3D-kopmodel en druk op het linkerpedaal wanneer de spot begint te knipperen op het navigatorscherm.
  5. Valideer de registratie, zelfs als de totale fout acceptabel is (minder dan 4 mm). Raak het hoofd van het onderwerp aan met de punt van de digitaliserende pen. Controleer visueel of de pen zich op de analoge plaats op het oppervlak van het 3D MRI-model bevindt. Als de positie niet overeenkomt met het punt in de MRI, herhaalt u stap 2.1-2.4.
  6. Zorg ervoor dat zowel de proefpersoon als de operator gehoorbescherming dragen voordat u met de stimulatie begint.

3. Het definiëren van de hotspot en motorische drempel voor M1-stimulatie

  1. Kies voor het bepalen van de rustmotorische drempel (rMT) een distale handspier (bijvoorbeeld de abductor pollicis brevis [APB]) van de rechterhand.
    NOTITIE. De motorische drempel wordt gebruikt om de initiële stimulatie-intensiteit te definiëren, die vervolgens kan worden gewijzigd zoals hieronder wordt uitgelegd. Zo kan elke distale handspier voor dit doel worden gebruikt.
  2. Plaats een gelelektrode voor eenmalig gebruik (diameter: ~ 30 mm) over de rechter APB (de buik van de spier) en een andere op het midden van de duim (pees). Plaats de grondelektrode in de buurt van de pols (of volg de richtlijnen van de fabrikant).
  3. Sluit de elektroden aan op de elektromyografie (EMG) versterker en controleer of de APB in rust is door het continue EMG-signaal te observeren. Verander de positie van de hand als de opgenomen spier niet gemakkelijk kan worden ontspannen.
  4. Zoek de corticale hotspot voor het bepalen van de APB-motordrempel. Begin met de motorhandknopgebied 22, geef een paar TMS-pulsen en ga verder met het bewegen en draaien van de spoel totdat APB-motor evoked potentials (MEPs) verschijnen.
    OPMERKING: Meestal bevinden motorische representaties van de duim zich loodrecht op de zijwand van de handknop.
    1. Kies een TMS-intensiteit die europarlementariërs van ongeveer 200-500 μV oproept. Optimaliseer de locatie en oriëntatie van de spoel door de hoek iets te veranderen om de maximale EP-leden op te roepen.
  5. Sla de optimale spoellocatie op in de neuronavigatiesoftware door met de rechtermuisknop op het pulsnummer te klikken dat overeenkomt met de hotspotlocatie en de optie te kiezen om de stimulus te herhalen. Herhaal de stimuli en pas een automatisch drempeljachtalgoritme23 toe door met de rechtermuisknop op de hotspot te klikken en de optie motorische drempel te kiezen in de neuronavigatiesoftware.
  6. Als deze opties niet beschikbaar zijn, past u de regel toe dat een TMS-puls 10 EP-leden (≥50 μV) uit 20 proevenmoet oproepen 24.

4. Basisnaamgeving van afbeeldingen

  1. Maak het onderwerp vertrouwd met de afbeeldingen vóór de basislijnobjectnaamtaak11,12. Druk de afbeeldingen af (of toon ze in digitaal formaat) en laat het onderwerp oefenen voordat de sessie begint (het onderwerp kan ook thuis oefenen).
    1. Gebruik goed gestandaardiseerde genormaliseerde kleurenafbeeldingen (bijvoorbeeld van de Bank of Standardized Stimuli25; Aanvullende figuur 1).
    2. Gebruik alleen afbeeldingen die vaak in een alledaagse omgeving worden gezien, een minimaal aantal synoniemen hebben en een hoge naamovereenkomst hebben.
  2. Bevestig, indien beschikbaar, een versnellingsmeter op de huid boven het strottenhoofd en de stembanden om het begin van de spraak op te nemen, zoals uitgelegd in Vitikainen et al.26.
  3. Toon de afbeeldingen één voor één aan het onderwerp en vraag hen om de afbeeldingen hardop te benoemen zonder stimulatie.
    1. Presenteer de afbeeldingen aan het onderwerp op een scherm op een afstand van 0,5-1 m.
    2. Gebruik een weergavetijd van 700-1.000 ms per afbeelding.
  4. Pas het inter-picture interval (IPI) aan om de taak enigszins uitdagend te maken voor elk onderwerp (begin bijvoorbeeld met 2.500 ms en varieer tussen 1.500-4.000 ms).
    1. Als er veel fouten optreden tijdens de basisnaamgevingstaak, verhoogt u de BIV in stappen van 200-300 ms. Als de taak te eenvoudig is, verlaagt u de BIV in stappen van 200-300 ms.
  5. Voor de eigenlijke spraakmappingsessie met nrTMS laat u de beelden weg die tijdens de baseline-tests niet adequaat zijn getraind, niet correct zijn benoemd, niet duidelijk zijn benoemd, niet correct zijn gearticuleerd, met vertraging of aarzeling zijn benoemd of moeilijk leken voor het onderwerp.
  6. Voer de basisnaamgevingstaak drie keer uit en herhaal stap 4.3-4.5 als de prestaties niet bevredigend zijn.

5. Spraakcorticale mapping

  1. Varieer de stimulatie-intensiteit door deze te verhogen / verlagen in stappen van 1% van de output van de stimulator, zodat elk doelgebied hetzelfde geïnduceerde elektrische veld (E-veld) ontvangt, zoals gedefinieerd voor de rMT van de handspieren op de corticale handmotorhotspot. Gewoonlijk moeten hogere intensiteiten worden toegepast voor pariëtale dan voor frontotemporale doelen om vergelijkbare corticale E-velden te bereiken als voor de rMT-hotspot.
    1. Verlaag de intensiteit bij het stimuleren van corticale structuren dichter bij het hoofdoppervlak (E-veld boven het vooraf gedefinieerde rMT E-veld).
  2. Controleer voordat u met de stimulatie begint of de geïnduceerde E-veldwaarden ongeveer vergelijkbaar zijn (met een verschil van 2-3 V/m) in de verschillende spraakgerelateerde gebieden in beide hemisferen.
    1. Pas indien nodig de corticale diepte (afbladderende diepte) aan.
    2. Zorg ervoor dat het spoelcentrum niet in de lucht zit.
  3. Begin met een standaard picture-to-TMS interval (PTI) van 300 ms, of gebruik een 0-400 ms PTI; een PTI boven 150 ms heeft de voorkeur om de overlap van stimulatie met taalverwerking te optimaliseren.
  4. Begin met vijf pulsen met een stimulatiesnelheid van 5 Hz. Begin met een corticale gebied dat niet gerelateerd is aan spraakverwerking, zodat het onderwerp went aan het gevoel dat door de stimulatie wordt geïnduceerd. Verplaats vervolgens de spoel naar de verwachte spraakgerelateerde gebieden.
  5. Houd de spoel in dezelfde positie totdat de pulstrein voorbij is en de naamgeving van het onderwerp is voltooid.
  6. Focus op de prestaties van het onderwerp zoals hieronder beschreven.
    1. Als er geen fout wordt waargenomen, gaat u verder met de volgende locus.
    2. Als er een fout, of zelfs een aarzeling, wordt waargenomen, blijf dan die site stimuleren voor nog eens twee tot drie nrTMS-treinen en ga dan verder. Houd de site in gedachten voor mogelijke latere herstimulatie.
    3. Maak kleine spoelaanpassingen wanneer zelfs een kleine fout wordt gedetecteerd (bijvoorbeeld kleine aarzeling of een luidere stem tijdens de naamgeving als gevolg van een verhoogde inspanning) om duidelijkere fouten uit te lokken.
    4. Vermijd het herhalen van stimulatie op dezelfde locatie gedurende meer dan vijf opeenvolgende treinen. Ga verder met andere corticale sites en bezoek de site later opnieuw.
    5. Als herhaalde fouten op verschillende gestimuleerde locaties verschijnen, til dan de spoel in de lucht boven de hoofdhuid en controleer of er nog steeds fouten optreden.
    6. Als er nog steeds fouten optreden, neem dan een pauze en wacht tot de naamgeving weer normaal is.
      NOTITIE. Herhaalde naamgevingsfouten die geen verband houden met de stimulatie kunnen vaak voorkomen als spraakgerelateerde gebieden worden beïnvloed door een tumor of andere laesie.
    7. Stimuleer in blokken van 7-10 min (maximaal) continu, en neem 2-5 min pauzes tussendoor.
      OPMERKING: Fouten komen vaker voor bij lange stimulaties en als het onderwerp moe is.
  7. Stimuleer alle mogelijk gerelateerde anatomische gebieden (bijv. IFG, STG, SMG, middentemporale, precentrale, postcentrale en hoekige gyri en de prefrontale cortex) om zoveel mogelijk controleresponsen te verkrijgen.
  8. Stimuleer, indien mogelijk en/of klinisch ondersteund, beide hemisferen. Stimuleer zorgvuldig in en rond het tumorgebied of de geschatte locatie van de laesie, zelfs als die regio's niet tot de klassieke spraakgerelateerde gebieden behoren (voor tumor- en epilepsiepatiënten).
    1. Onderzoek corticale gebieden die zich buiten de laesieplaats bevinden om mogelijke ruimtelijke verschuivingen in de taalgebieden te identificeren als gevolg van plastische veranderingen of het massa-effect, vooral bij patiënten met grote laesies.
  9. Verminder de TMS-intensiteit in stappen van 2% -5% van de maximale stimulatoroutput als de mapping pijn of ongemak veroorzaakt.
  10. Stop de meting als de geïnduceerde pijn of het ongemak niet wordt getolereerd door de proefpersoon.

6. Strategie wanneer er geen naamgevingsfouten optreden

  1. Beëindig de stimulatie en wijzig de stimulatieparameters.
  2. Verlaag de BIV in stappen van 200 ms van de standaardwaarde (bijvoorbeeld van 2.500 ms naar 2.300 ms).
  3. Wijzig de frequentie van pulsafgifte van 5 Hz naar 7 Hz. Wijzig het interval tussen het begin van het gepresenteerde beeld en het rTMS (momenteel is er geen consensus over het verhogen of verlagen ervan). Verhoog de stimulatie-intensiteit (zonder ongemak op te roepen).

7. Off-line analyse van de opgeroepen naamgevingsfouten

  1. Werk samen met een expert (bijvoorbeeld een neuropsycholoog), die optimaal aanwezig moet zijn in de operatiekamer.
  2. Controleer de opgeroepen naamgevingsfouten door de positie van de spoel en mogelijke pijninterferentie van de video-opnamen te observeren.
  3. Classificeer de fouten volgens Corina et al.27 (bijv. anomie, semantische en fonologische parafasie, prestatiefouten).
    1. Als een bepaald type fout zich herhaalt in de basislijnvideo, beschouw het dan niet als een fout bij het analyseren van de video's van de stimulatiesessie.
  4. Als een object is vernoemd naar de rTMS-trein, beschouw dit dan als een vertraging of een no-error; Controleer ook op mogelijk ongemak van het onderwerp tijdens de pulsafgifte.
  5. Als het onderwerp een bepaald object geen naam kan geven hoewel de tong, lippen en kaken bewegen, noteer dan een fout zonder reactie.
  6. Als een afbeelding in elke sessie een andere naam heeft, verwijdert u deze.
  7. Als u het niet zeker weet, controleert u de prestaties van de naburige stimulatieplaats of het effect van de stimulatie van het andere halfrond met hetzelfde beeld.

Representative Results

Er werd gebruik gemaakt van een transcranieel magnetisch stimulatiesysteem met geïntegreerde schermen en camera's. Figuur 1A-C toont de verschillende TMS-opgeroepen naamgevingsfouten bij één onderwerp tijdens de taak bij verschillende PTI's (180 ms, 200 ms en 215 ms). Het effect van de timing van de TMS-pulsen op het aantal opgeroepen fouten is duidelijk. Met andere woorden, TMS-gerelateerde veranderingen in prestaties werden gedetecteerd in verschillende gebieden bij verschillende PTI's. Het aantal fouten varieerde afhankelijk van de timing van de TMS-pulsen, zelfs op dezelfde corticale plaatsen, in overeenstemming met MEG-studies die de variatie in de timing van activering in verschillende spraakgerelateerde corticale gebieden aantoonden28. Een vergelijking van de resultaten tussen extraoperatieve DCS-mapping en nrTMS met een vaste PTI bij 300 ms bij een patiënt met hardnekkige epilepsie is weergegeven in figuur 2. De gegevens zijn afkomstig uit een eerdere publicatie over epilepsie29.

Figure 1
Figuur 1: Resultaten van een nrTMS SCM geïllustreerd over een 3D MRI-gebaseerd model van een gezonde vrijwilliger . (A) PTI van 180 ms. (B) PTI van 200 ms. (C) PTI van 215ms. Naast de belangrijkste spraakgerelateerde gebieden werd het pre-aanvullende motorische gebied (pre-SMA) gestimuleerd zoals beschreven in het protocol (stap 5.7). De meeste fouten werden opgeroepen in de klassieke spraakgebieden (IFG, STG, SMG), maar ook langs het pad dat het pre-SMA- en Broca-gebied verbindt (de dichte groene vlekken in A en B). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Vergelijking van de resultaten tussen extraoperatieve DCS-mapping en nrTMS met een vaste PTI bij 300 ms bij een patiënt met hardnekkige epilepsie . (A) Extraoperatieve grid mapping op de leeftijd van 13 jaar. De gele bollen vertegenwoordigen alle elektroden op de cortex. De plaatsen van elektrodestimulatie (2-5 mA) die motorische reacties van de hand en mond (groene cirkels), naamgevingsstilstand (anomia; rode cirkels) en onderbrekende zinsherhaling (roze cirkels) veroorzaakten, worden weergegeven. (B) nrTMS SCM van dezelfde patiënt op de leeftijd van 15 jaar. De plaatsen van nrTMS-geïnduceerde anomieën (rode stippen), semantische en fonologische parafasieën (gele stippen) en aarzelingen (witte stippen) worden weergegeven. De gebieden met zeer reproduceerbare en betrouwbare foutinductie zijn omcirkeld. De gegevens voor deze afbeelding zijn afkomstig uit de studie van Lehtinen et al.29. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullende figuur 1: Voorbeelden van afbeeldingen in het nrTMS SCM-experiment (tussen haakjes in het Fins). (A) Hanger (Henkari). (B) Schaar (Sakset). c) aardbei (mansikka). Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

Hier wordt een protocol gepresenteerd voor nrTMS SCM, dat vrijwel volledige corticale niet-invasieve mapping van de belangrijkste hubs van het spraak- en taalnetwerk mogelijk maakt. Het belangrijkste voordeel is dat het de DCS-mapping niet-invasief kan simuleren tijdens wakkere craniotomie30 of extraoperatief29 (zie figuur 2). Bovendien kan het worden toegepast op taalcorticale netwerkstudies bij gezonde populaties31 en bij patiënten met ziekten die niet vatbaar zijn voor chirurgie32. nrTMS voor SCM kan ook worden toegepast om neurorevalidatiestrategieën te ontwikkelen, zoals doelselectie (bijv. Na een beroerte). De inductie van plasticiteit in spraakgerelateerde corticale representaties door DCS voorafgaand aan de operatie is bestudeerd33 om de mate van resectiete vergroten 34. De mogelijkheden van nrTMS SCM in dergelijke studies moeten worden onderzocht.

In de huidige resultaten werd een relatief groot gebied, inclusief klassieke spraakgerelateerde gebieden en de pre-SMA, herhaaldelijk gestimuleerd bij drie verschillende PTI's. Elke PTI toonde een andere gevoeligheid en specificiteit voor fouten, maar toonde ook de bekende responsvariabiliteit in niet-invasieve hersenstimulaties35. De meeste fouten werden veroorzaakt door de stimulatie van de IFG, STG, pre-SMA en langs het frontale aslantkanaal36. Dit benadrukt de kracht van nrTMS SCM; specifiek, in vergelijking met DCS, kan de stimulatie vrij flexibel worden gericht op verschillende gebieden. We hebben waargenomen dat het veranderen van de PTI en het opnemen van veel sessies de reactietijden26,29 niet duidelijk versnelt, wat geassocieerd zou zijn met een leereffect.

Het protocol markeert verschillende parameters die van invloed kunnen zijn op de nauwkeurigheid van nrTMS SCM. De resultaten kunnen gevoelig zijn voor de keuzes die de TMS-operator maakt; Dit artikel beoogt een standaardrichtlijn te geven met goed geteste stimulatieparameters. Hoge specificiteit is het gevolg van een geschikte keuze uit verschillende parameters, waaronder de ISI, PTI, spoellocatie en rTMS-frequentie. Deze parameters beïnvloeden de specificiteit van de geïnduceerde fouten, die de functies in de onderliggende corticale gebieden weerspiegelen; De parameterselectie moet gebaseerd zijn op de huidige kennis over de neurobiologie van taal.

De afbeeldingen voor de naamgevingstaak moeten zo worden geselecteerd dat ze zelf geen onjuiste naamgeving veroorzaken (aanvullende figuur 1). Hier werden de beelden gekozen uit een gestandaardiseerde beeldbank en gecontroleerd op verschillende naamgevingsparameters25,37. De pool van afbeeldingen was bijvoorbeeld beperkt tot items met een vergelijkbare complexiteit en frequentie in het dagelijks gebruik, evenals een hoge naamovereenkomst. De keuze van de beelden kan variëren op basis van de behoeften van elk chirurgisch centrum38, de populatie die wordt onderzocht39, de moedertaal van de geteste proefpersoon 40,41 en de gebruikte taak42. Zoals gepresenteerd in het protocol, wordt de basislijnbeeldselectie uiteindelijk geïndividualiseerd voor elk onderwerp, omdat naamgeving ter plaatse subjectief is.

De stimulatiefrequentie moet individueel worden gedefinieerd, omdat deze de verdeling van fouten tijdens genavigeerde transcraniële magnetische hersenstimulatie kan bepalen43. De gepresenteerde keuze, 4-8 Hz, is gebaseerd op het rTMS-werk van Epstein et al.44. De initiële stimulatiefrequentie is ingesteld op 5 Hz. Als er geen fouten worden gedetecteerd, wordt de stimulatiefrequentie verhoogd tot 7 Hz. Hogere frequenties kunnen door nrTMS geïnduceerde pijn verminderen en de specificiteit van naamgevingsfouten verhogen45. Hogere frequenties hebben ook het voordeel dat de pulsen worden beperkt tot een kort en specifieker tijdsinterval. Zij kunnen echter van invloed zijn op functies die verband houden met bijvoorbeeld de uitvoering van spraakmotoren44,46, die niet het hoofddoel van dit protocol zijn.

Het wordt aanbevolen om de PTI te variëren tussen 150-400 ms. Dit is een belangrijk tijdvenster voor het ophalen van woorden tijdens de objectnaamgevingstaak28,47. Het protocol is gericht op spraakspecificiteit door de interferentie van elementaire visuele verwerking te vermijden, die optreedt tijdens de eerste 150 ms na de presentatie van het beeld en van invloed kan zijn op de naamgeving van objecten, maar geen verband houdt met spraakproductie. De aanbevolen bovengrens voor de PTI is gebaseerd op typische responslatenties in beeldnaamgeving bij dezelfde proefpersoon28,48, en individuele variatie in de optimale waarden tussen proefpersonen kan worden verwacht (zie figuur 1). De PTI-selectie zou idealiter gebaseerd moeten zijn op gepersonaliseerde maatregelen, hoewel dit logistiek veeleisend kan zijn in een klinische omgeving. Helsinki University Hospital protocollen beginnen meestal met een 300 ms PTI. Het kan ook nuttig zijn om de PTI te wijzigen op basis van het gestimuleerde gebied12,13,49, zoals aangegeven door verschillende taalstudies28,47,50. Niettemin kunnen PTI's buiten het bovengenoemde venster ook naamfouten veroorzaken die nuttig zijn voor prechirurgische evaluatie (voor een vergelijkende studie, zie Krieg et al.49 met PTI's van 0-300 ms).

Het corticale spraaknetwerk is wijdverspreid en varieert tussen individuen, met name bij patiënten met tumoren en epilepsie29,30,39. nrTMS induceert taalstoornissen met grote variabiliteit tussen individuen, analoog aan die waargenomen tijdens wakkere craniotomiestimulaties27,51. De informatie verkregen uit fMRI 50, DTI 52,53,54 en MEG 55 kan de nTMS-gebruiker sturen en resulteren in een procedure die is afgestemd op elk individu en dus specifieker en nauwkeuriger is. Het doel van nrTMS SCM is om de specificiteit te vergroten, het aantal non-responders te verminderen, het DCS betrouwbaar te begeleiden of te vervangen wanneer de middelen en omstandigheden het niet toestaan dat een team van zeer gespecialiseerde experts het uitvoert. In de toekomst zou multilocus TMS (mTMS) kunnen worden toegepast in de procedure om verschillende delen van de cortex te stimuleren zonder de stimulatiespoel fysiek te bewegen56.

Het huidige protocol kan worden uitgevoerd met verschillende soorten naamgevingstaken42,57 of andere cognitieve taken (berekeningen, besluitvorming, enz.) 58. De video-opname kan cruciale kenmerken van de taakuitvoering onthullen (bijvoorbeeld grimassen van het onderwerp die aangeven dat er geen motorische spraakstilstand wordt geïnduceerd) die tijdens de stimulatie onopgemerkt kunnen blijven. De opstelling maakt het ook mogelijk om het onderwerp te vragen naar de door nrTMS geïnduceerde ervaringen en sensaties door gezamenlijk de video-opname te bekijken. Dit kan helpen bij het onderscheiden van pijn-geïnduceerde fouten van de ware effecten van nrTMS. Ten slotte kan het protocol eenvoudig worden aangepast aan verschillende onderwerpgroepen (bijv. Tweetalige personen31) en om aan de behoeften van elk chirurgisch of onderzoeksteam te voldoen.

Disclosures

P.L. is consultant geweest bij Nexstim Ltd. voor motorische en spraakcorticale mapping.

Acknowledgments

Pantelis Lioumis is ondersteund door een HUS VTR-beurs (TYH2022224), Salla Autti door de Päivikki en Sakari Sohlberg Foundation en Hanna Renvall door de Paulo Foundation en Academy of Finland (subsidie 321460).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pouratian, N., Bookheimer, S. Y. The reliability of neuroanatomy as a predictor of eloquence: A review. Neurosurgical Focus. 28 (2), 3 (2010).
  2. Rutten, G. -J., Ramsey, N. F. The role of functional magnetic resonance imaging in brain surgery. Neurosurgical Focus. 28 (2), 4 (2010).
  3. Raffa, G., et al. Personalized surgery of brain tumors in language areas: the role of preoperative brain mapping in patients not eligible for awake surgery. Neurosurgical Focus. 53 (6), 3 (2022).
  4. Willems, P., Berkelbach vander Sprenkel, J. W., Tulleken, C. A. F., Viergever, M. A., Taphoorn, M. J. B. Neuronavigation and surgery of intracerebral tumours. Journal of Neurology. 253 (9), 1123-1136 (2006).
  5. Hannula, H., Ilmoniemi, R. J. Basic principles of navigated TMS. Navigated Transcranial Magnetic Stimulation in Neurosurgery. Krieg, S. M. , Cham, Switzerland. 3-29 (2017).
  6. Friederici, A. D. White-matter pathways for speech and language processing. Handbook of Clinical Neurology. 129, 177-186 (2015).
  7. Rosenstock, T., et al. Specific DTI seeding and diffusivity-analysis improve the quality and prognostic value of TMS-based deterministic DTI of the pyramidal tract. NeuroImage: Clinical. 16, 276-285 (2017).
  8. Mäkelä, J. P., et al. Magnetoencephalography in neurosurgery. Neurosurgery. 59 (3), 493-511 (2006).
  9. Majchrzak, K., et al. Surgical treatment of insular tumours with tractography, functional magnetic resonance imaging, transcranial electrical stimulation and direct subcortical stimulation support. Neurologia I Neurochirurgia Polska. 45 (4), 351-362 (2011).
  10. Tarapore, P. E., Nagarajan, S. S. nTMS, MEG, and fMRI: Comparing and contrasting three functional mapping techniques. Navigated Transcranial Magnetic Stimulation in Neurosurgery. Krieg, S. M. , Springer. Cham, Switzerland. 31-49 (2017).
  11. Lioumis, P., et al. A novel approach for documenting naming errors induced by navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 204 (2), 349-354 (2012).
  12. Krieg, S. M., et al. Protocol for motor and language mapping by navigated TMS in patients and healthy volunteers; Workshop report. Acta Neurochirurgica. 159 (7), 1187-1195 (2017).
  13. Mäkelä, J. P., Laakso, A. nTMS language mapping: Basic principles and clinical use. In Navigated Transcranial Magnetic Stimulation in Neurosurgery. Krieg, S. M. , 131-150 (2017).
  14. Durner, G., et al. Comparison of hemispheric dominance and correlation of evoked speech responses between functional magnetic resonance imaging and navigated transcranial magnetic stimulation in language mapping. Journal of Neurosurgical Sciences. 63 (2), 106-113 (2019).
  15. Krieg, S. M., et al. Changing the clinical course of glioma patients by preoperative motor mapping with navigated transcranial magnetic brain stimulation. BMC Cancer. 15 (1), 231 (2015).
  16. Jeltema, H. -R., et al. Comparing navigated transcranial magnetic stimulation mapping and "gold standard" direct cortical stimulation mapping in neurosurgery: A systematic review. Neurosurgical Review. 44 (4), 1903-1920 (2021).
  17. Picht, T. Current and potential utility of transcranial magnetic stimulation in the diagnostics before brain tumor surgery. CNS Oncology. 3 (4), 299-310 (2014).
  18. Terao, Y., et al. Primary face motor area as the motor representation of articulation. Journal of Neurology. 254 (4), 442-447 (2007).
  19. Lu, J., et al. Functional maps of direct electrical stimulation-induced speech arrest and anomia: A multicentre retrospective study. Brain: A Journal of Neurology. 144 (8), 2541-2553 (2021).
  20. Hartwigsen, G., Silvanto, J. Noninvasive brain stimulation: Multiple effects on cognition. The Neuroscientist. , (2022).
  21. Reijonen, J., Könönen, M., Tuunanen, P., Määttä, S., Julkunen, P. Atlas-informed computational processing pipeline for individual targeting of brain areas for therapeutic navigated transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 132 (7), 1612-1621 (2021).
  22. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain: A Journal of Neurology. 120, 141-157 (1997).
  23. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  24. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  25. Brodeur, M. B., Dionne-Dostie, E., Montreuil, T., Lepage, M. The Bank of Standardized Stimuli (BOSS), a new set of 480 normative photos of objects to be used as visual stimuli in cognitive research. PLoS One. 5 (5), e10773 (2010).
  26. Vitikainen, A. -M., Mäkelä, E., Lioumis, P., Jousmäki, V., Mäkelä, J. P. Accelerometer-based automatic voice onset detection in speech mapping with navigated repetitive transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 253, 70-77 (2015).
  27. Corina, D. P., et al. Analysis of naming errors during cortical stimulation mapping: Implications for models of language representation. Brain and Language. 115 (2), 101-112 (2010).
  28. Liljeström, M., Kujala, J., Stevenson, C., Salmelin, R. Dynamic reconfiguration of the language network preceding onset of speech in picture naming. Human Brain Mapping. 36 (3), 1202-1216 (2014).
  29. Lehtinen, H., et al. Language mapping with navigated transcranial magnetic stimulation in pediatric and adult patients undergoing epilepsy surgery: Comparison with extraoperative direct cortical stimulation. Epilepsia Open. 3 (2), 224-235 (2018).
  30. Picht, T., et al. A comparison of language mapping by preoperative navigated transcranial magnetic stimulation and direct cortical stimulation during awake surgery. Neurosurgery. 72 (5), 808-819 (2013).
  31. Hämäläinen, S., et al. TMS uncovers details about sub-regional language-specific processing networks in early bilinguals. NeuroImage. 171, 209-221 (2018).
  32. Weiss Lucas, C., et al. Cortical inhibition of face and jaw muscle activity and discomfort induced by repetitive and paired-pulse TMS during an overt object naming task. Brain Topography. 32 (3), 418-434 (2019).
  33. Kato, R., Solt, K. Prehabilitation with brain stimulation. Anesthesia and Analgesia. 132 (5), 1344-1346 (2021).
  34. Rivera-Rivera, P. A., et al. Cortical plasticity catalyzed by prehabilitation enables extensive resection of brain tumors in eloquent areas. Journal of Neurosurgery. 126 (4), 1323-1333 (2017).
  35. Antal, A., et al. Non-invasive brain stimulation and neuroenhancement. Clinical Neurophysiology Practice. 7, 146-165 (2022).
  36. Dick, A. S., Garic, D., Graziano, P., Tremblay, P. The frontal aslant tract (FAT) and its role in speech, language and executive function. Cortex. 111, 148-163 (2019).
  37. Brodeur, M. B., Guérard, K., Bouras, M. Bank of Standardized Stimuli (BOSS) Phase II: 930 new normative photos. PLoS One. 9 (9), e106953 (2014).
  38. Weiss Lucas, C., et al. The Cologne Picture Naming Test for language mapping and monitoring (CoNaT): An open set of 100 black and white object drawings. Frontiers in Neurology. 12, 633068 (2021).
  39. Narayana, S., et al. Clinical utility of transcranial magnetic stimulation (TMS) in the presurgical evaluation of motor, speech, and language functions in young children with refractory epilepsy or brain tumor: Preliminary evidence. Frontiers in Neurology. 12, 650830 (2021).
  40. Brodeur, M. B., et al. The bank of standardized stimuli (BOSS): Comparison between French and English norms. Behavior Research Methods. 44 (4), 961-970 (2012).
  41. Decuyper, C., Brysbaert, M., Brodeur, M. B., Meyer, A. S. Bank of Standardized Stimuli (BOSS): Dutch names for 1400 photographs. Journal of Cognition. 4 (1), 33 (2021).
  42. Hernandez-Pavon, J. C., Mäkelä, N., Lehtinen, H., Lioumis, P., Mäkelä, J. P. Effects of navigated TMS on object and action naming. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 660 (2014).
  43. Hauck, T., et al. Task type affects location of language-positive cortical regions by repetitive navigated transcranial magnetic stimulation mapping. PLoS One. 10 (4), e0125298 (2015).
  44. Epstein, C. M., et al. Optimum stimulus parameters for lateralized suppression of speech with magnetic brain stimulation. Neurology. 47 (6), 1590-1593 (1996).
  45. Nettekoven, C., et al. Improving the efficacy and reliability of rTMS language mapping by increasing the stimulation frequency. Human Brain Mapping. 42 (16), 5309-5321 (2021).
  46. Sollmann, N., Fuss-Ruppenthal, S., Zimmer, C., Meyer, B., Krieg, S. M. Investigating stimulation protocols for language mapping by repetitive navigated transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 12, 197 (2018).
  47. Liljeström, M., Hultén, A., Parkkonen, L., Salmelin, R. Comparing MEG and fMRI views to naming actions and objects. Human Brain Mapping. 30 (6), 1845-1856 (2009).
  48. Salmelin, R., Hari, R., Lounasmaa, O. V., Sams, M. Dynamics of brain activation during picture naming. Nature. 368 (6470), 463-465 (1994).
  49. Krieg, S. M., et al. Optimal timing of pulse onset for language mapping with navigated repetitive transcranial magnetic stimulation. NeuroImage. 100, 219-236 (2014).
  50. Wheat, K. L., et al. Charting the functional relevance of Broca's area for visual word recognition and picture naming in Dutch using fMRI-guided TMS. Brain and Language. 125 (2), 223-230 (2013).
  51. Sanai, N., Mirzadeh, Z., Berger, M. S. Functional outcome after language mapping for glioma resection. The New England Journal of Medicine. 358 (1), 18-27 (2008).
  52. De Geeter, N., Lioumis, P., Laakso, A., Crevecoeur, G., Dupré, L. How to include the variability of TMS responses in simulations: A speech mapping case study. Physics in Medicine and Biology. 61 (21), 7571-7585 (2016).
  53. Hazem, S. R., et al. Middle frontal gyrus and area 55b: Perioperative mapping and language outcomes. Frontiers in Neurology. 12, 646075 (2021).
  54. Zhang, H., et al. Elucidating the structural-functional connectome of language in glioma-induced aphasia using nTMS and DTI. Human Brain Mapping. 43 (6), 1836-1849 (2021).
  55. Islam, M., et al. MEG and navigated TMS jointly enable spatially accurate application of TMS therapy at the epileptic focus in pharmacoresistant epilepsy. Brain Stimulation. 12 (5), 1312-1314 (2019).
  56. Koponen, L. M., Nieminen, J. O., Ilmoniemi, R. J. Multi-locus transcranial magnetic stimulation-theory and implementation. Brain Stimulation. 11 (4), 849-855 (2018).
  57. Ntemou, E., et al. Mapping verb retrieval with nTMS: The role of transitivity. Frontiers in Human Neuroscience. 15, 719461 (2021).
  58. Haddad, A. F., Young, J. S., Berger, M. S., Tarapore, P. E. Preoperative applications of navigated transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neurology. 11, 628903 (2020).

Tags

Deze maand in JoVE nummer 193
Studieontwerp voor genavigeerde repetitieve transcraniële magnetische stimulatie voor spraakcorticale mapping
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lioumis, P., Autti, S., Wilenius,… More

Lioumis, P., Autti, S., Wilenius, J., Vaalto, S., Lehtinen, H., Laakso, A., Kirveskari, E., Mäkelä, J. P., Liljeström, M., Renvall, H. Study Design for Navigated Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation for Speech Cortical Mapping. J. Vis. Exp. (193), e64492, doi:10.3791/64492 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter