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Medicine

Studiendesign für navigierte repetitive transkranielle Magnetstimulation zur sprachkortikalen Kartierung

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

Die navigierte repetitive transkranielle Magnetstimulation ist ein hocheffizientes, nicht-invasives Werkzeug zur Kartierung sprachbezogener kortikaler Areale. Es hilft bei der Planung von Gehirnoperationen und beschleunigt die direkte kortikale Stimulation, die während der Operation durchgeführt wird. Dieser Bericht beschreibt, wie man ein sprachkortikales Mapping für die präoperative Evaluation und Forschung zuverlässig durchführt.

Abstract

Die kortikalen Areale, die an der menschlichen Sprache beteiligt sind, sollten vor einer Operation bei Hirntumoren oder medikamentenresistenter Epilepsie zuverlässig charakterisiert werden. Die funktionelle Kartierung von Spracharealen für die chirurgische Entscheidungsfindung erfolgt in der Regel invasiv durch elektrische direkte kortikale Stimulation (DCS), die verwendet wird, um die Organisation der entscheidenden kortikalen und subkortikalen Strukturen innerhalb jedes Patienten zu identifizieren. Eine genaue präoperative nicht-invasive Kartierung unterstützt die chirurgische Planung, reduziert Zeit, Kosten und Risiken im Operationssaal und bietet eine Alternative für Patienten, die nicht für eine Wachkraniotomie geeignet sind. Nicht-invasive bildgebende Verfahren wie MRT, fMRT, MEG und PET werden derzeit in der präoperativen Planung und Planung eingesetzt. Die anatomische und funktionelle Bildgebung kann zwar die an der Sprache beteiligten Hirnregionen identifizieren, aber sie können nicht feststellen, ob diese Regionen für die Sprache entscheidend sind. Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) erregt nicht-invasiv die kortikalen neuronalen Populationen mittels elektrischer Feldinduktion im Gehirn. Wenn es im repetitiven Modus (rTMS) zur Stimulation einer sprachbezogenen kortikalen Stelle eingesetzt wird, kann es sprachbezogene Fehler erzeugen, die denen entsprechen, die durch intraoperatives DCS induziert werden. Die rTMS in Kombination mit der Neuronavigation (nrTMS) ermöglicht es Neurochirurgen, präoperativ zu beurteilen, wo diese Fehler auftreten, und das DCS und die Operation so zu planen, dass die Sprachfunktion erhalten bleibt. Ein detailliertes Protokoll für das nicht-invasive sprachkortikale Mapping (SCM) unter Verwendung von nrTMS wird hier bereitgestellt. Das vorgeschlagene Protokoll kann so modifiziert werden, dass es den patienten- und standortspezifischen Anforderungen am besten entspricht. Es kann auch auf sprachkortikale Netzwerkstudien bei gesunden Probanden oder bei Patienten mit Krankheiten, die nicht operativ sind, angewendet werden.

Introduction

Bei neurochirurgischen Eingriffen aufgrund einer zerebralen Erkrankung (z. B. Epilepsie oder Tumor) muss das Ausmaß der Resektion optimiert werden, um Hirnregionen zu erhalten, die kritische Funktionen unterstützen. Bereiche, die für die Integrität und Lebensqualität des Patienten von entscheidender Bedeutung sind, wie z. B. sprachbezogene Bereiche, sollten vor der Entnahme von Hirngewebe charakterisiert werden. In der Regel können sie nicht allein anhand anatomischer Orientierungspunkte individuell identifiziert werden1. Die funktionelle Kartierung von Spracharealen für die chirurgische Entscheidungsfindung erfolgt in der Regel invasiv durch elektrische direkte kortikale Stimulation (DCS), die es dem Neurochirurgen ermöglicht, die Organisation der entscheidenden kortikalen und subkortikalen Strukturen innerhalb jedes Patienten zu verstehen2. Obwohl die DCS während der Wachchirurgie als Goldstandard der kortikalen Kartierung von Sprachfunktionen gilt, ist sie durch ihre Invasivität, methodischen Herausforderungen und den hohen Stress, den sie sowohl für den Patienten als auch für das Operationsteam darstellt, begrenzt. Dieses Protokoll beschreibt das nicht-invasive sprachkortikale Mapping (SCM) mittels navigierter transkranieller Magnetstimulation (navigierte TMS oder nTMS). Eine genaue, nicht-invasive Kartierung hilft bei der Operationsplanung und reduziert den Zeitaufwand, die Kosten und die Risiken im OP. Es bietet auch eine Alternative für Patienten, die nicht für die Wachkraniotomie3 geeignet sind.

Nicht-invasive bildgebende Verfahren haben der präoperativen Planung bereits große Vorteile gebracht. Die anatomische Magnetresonanztomographie (MRT) ist entscheidend für die Lokalisierung von Tumoren und Hirnläsionen. In der Neuronavigation4 und im navigierten TMS-Mapping5 führt es den Bediener zu den interessierenden kortikalen Stellen. Die diffusionsbasierte MRT-Traktographie (dMRT) liefert detaillierte Informationen über die Faserbahnen der weißen Substanz, die kortikale Regionen verbinden 5,6. In den letzten zehn Jahren wurden funktionelle Bildgebungsverfahren, insbesondere funktionelle MRT (fMRT) und Magnetenzephalographie (MEG), zunehmend für die präoperative motorische und sprachkortikale Kartierung (SCM) eingesetzt2,8,9. Jede Methode bringt Vorteile für das präoperative Kartierungsverfahren mit sich und kann z.B. Informationen über die funktionell verwandten Regionen außerhalb der konventionellen Sprachareale (Broca- und Wernicke-Areale) liefern. Die fMRT ist aufgrund ihrer hohen Verfügbarkeit die am häufigsten verwendete Methode1; Es wurde mit DCS bei der Lokalisierung sprachbezogener Bereiche mit variablen Ergebnissen verglichen 2,10. Die funktionelle Bildgebung kann zwar die betroffenen Hirnregionen identifizieren, aber nicht feststellen, ob diese Regionen für den Erhalt der Funktion entscheidend sind.

Die navigierte repetitive TMS (nrTMS) wird heute als Alternative zu den oben genannten Methoden für die präoperative nicht-invasive SCM eingesetzt11,12. nrTMS SCM ist besonders effizient bei der Identifizierung sprachbezogener kortikaler Bereiche innerhalb des Gyrus frontalis inferior (IFG), des Gyrus temporalis superior (STG) und des Gyrus supramarginalis (SMG)11,13. Ein Vorteil der Methode besteht darin, dass die Offline-Analyse der durch die Stimulation hervorgerufenen Fehler es dem Analysator ermöglicht, die Stimulationsstelle nicht zu kennen. Es ist somit möglich, den Fehler zu beurteilen, ohne a priori Informationen über die Relevanz der kortikalen Stelle für das Sprachnetzwerk zu erhalten. Ermöglicht wird dies durch eine Videoaufzeichnung, die es dem Analysator ermöglicht, feine Unterschiede in Fehlern, wie z.B. semantische und phonologische Paraphasien, zuverlässiger zu unterscheiden als bei der eigentlichen Untersuchung11,12. Der nrTMS-SCM-Ansatz übertrifft derzeit die Leistung der MEG- oder fMRT-Sprachkartierung allein10,14, und zusätzliche funktionelle oder anatomische Informationen können zur Feinabstimmung des nrTMS-Verfahrens verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass die präoperative Kartierung mit nrTMS die Operationszeiten verkürzt und die erforderliche Größe der Kraniotomie sowie die Schädigung des eloquenten Kortex reduziert15. Es verkürzt die Zeit des Krankenhausaufenthalts und ermöglicht eine umfangreichere Entfernung von Tumorgewebe, wodurch die Überlebensrate der Patienten erhöhtwird 15. nrTMS wurde anhand des intraoperativen DCS-Mappings validiert; Insbesondere ist die Sensitivität der nrTMS bei SCM hoch, aber ihre Spezifität bleibt gering, mit übermäßigen Fehlalarmen im Vergleich zur DCS13,16.

Derzeit kann die prächirurgische nicht-invasive SCM mit nrTMS bei der Auswahl des Patienten für die Operation helfen, bei der Planung der Operation helfen und die während der Operation durchgeführte DCS beschleunigen17. Hier wird detailliert beschrieben, wie nrTMS SCM durchgeführt werden kann, um zuverlässige sprachspezifische Ergebnisse zu erhalten. Nach dem Sammeln praktischer Erfahrungen kann das vorgeschlagene Protokoll auf die patienten- und ortsspezifischen Anforderungen zugeschnitten werden. Das Protokoll kann auf bestimmte Ziele, wie z. B. die Sprachproduktion (Spracharrest)18,19 oder visuelle und kognitive Funktionen20, erweitert werden.

Protocol

Diese Studie wurde vom Krankenhausbezirk Helsinki und der Ethikkommission von Uusimaa genehmigt. Vor dem Eingriff wurde von jedem Probanden eine Einverständniserklärung zur Teilnahme eingeholt.

1. Erstellung der Strukturbilder

  1. Zeichnen Sie für jeden Probanden ein hochauflösendes T1-gewichtetes strukturelles MRT des gesamten Kopfes auf (vorzugsweise mit einem Schichtabstand von 0 mm und einer Schichtdicke von 1 mm). Nehmen Sie die Bilder gemäß den Anweisungen des Neuronavigationssystems auf.
  2. Laden Sie die MR-Bilder in seinem bevorzugten Format (typischerweise DICOM oder NifTI) auf das Navigationssystem hoch.
  3. Gehen Sie die MR-Bilder durch und prüfen Sie sie auf Fehler (z. B. verschwommene Himmelsrichtungen, Rauschstörungen oder Fehlplatzierungen in der Rekonstruktion des 3D-Modells).
  4. Finden Sie die Himmelsrichtungen (d. h. die Mitte des Kamms in jedem Ohrläppchen und der Nase) in der axialen, sagittalen und koronalen MRT-Ebene, markieren Sie sie, indem Sie die Fadenkreuzfunktion in den Ebenen drücken, und wählen Sie die genaue Stelle aus, indem Sie auf die linke Maustaste klicken. Drücken Sie dann mit der Maus auf die Schaltfläche "Orientierungspunkte hinzufügen".
  5. Einfügen von Parzellierungen der interessierenden Hirnareale (z. B. lokalisiert durch andere funktionelle Methoden [MEG, fMRT, PET] oder basierend auf MRT-Datenbanken oder Atlanten)21. Wählen Sie die Funktion "Bild überlagern".

2. Vorbereitung auf die Neuronavigation

  1. Vergewissern Sie sich, dass das Subjekt keine Metallgegenstände (z. B. Ohrringe) im Kopf- und Halsbereich aufweist, und stellen Sie sicher, dass keine absoluten Kontraindikationen wie intrakranielle Metallklammern vorliegen.
  2. Legen Sie das Subjekt in den Patientenstuhl. Stellen Sie den Stuhl so ein, dass das Subjekt bequem sitzt und Nacken, Hände und Beine entspannt sind. Stellen Sie die Stuhlhöhe so ein, dass der Bediener die gesamte zu untersuchende Hemisphäre bequem stimulieren kann.
  3. Platzieren Sie den Headtracker so, dass er während der Stimulationssitzung stabilisiert ist (mit einem Aufkleber oder einem Gurt) und die TMS-Spule nicht daran hindert, sich frei über den Kopf zu bewegen, insbesondere über die Schläfenbereiche. Der Tracker kann leicht rechts auf der Stirn liegen, wenn die linke Hemisphäre stimuliert wird, und umgekehrt, wenn die rechte Hemisphäre stimuliert wird, um sicherzustellen, dass die vorderen Frontallappenbereiche stimuliert werden können.
  4. Registrieren Sie den Kopf des Probanden im MRT-rekonstruierten 3D-Kopfmodell. Markieren Sie mit einem Digitalisierstift auf dem Kopf des Teilnehmers die Himmelsrichtungen (Nasiion, präaurikuläre Punkte), die auf den MRTs ausgewählt wurden. Digitalisieren Sie zusätzliche Punkte über die gesamte Schädeloberfläche, um den endgültigen Registrierungsfehler zu reduzieren. Platzieren Sie den Digitalisierstift über jedem markierten Punkt auf dem 3D-Kopfmodell und drücken Sie das linke Pedal, wenn der Punkt auf dem Navigationsbildschirm zu blinken beginnt.
  5. Validieren Sie die Registrierung, auch wenn der Gesamtfehler akzeptabel ist (unter 4 mm). Berühren Sie den Kopf des Motivs mit der Spitze des Digitalisierungsstifts. Überprüfen Sie visuell, ob sich der Stift an der entsprechenden Stelle auf der Oberfläche des 3D-MRT-basierten Modells befindet. Wenn seine Position nicht mit dem Punkt im MRT übereinstimmt, wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.4.
  6. Stellen Sie sicher, dass sowohl das Subjekt als auch der Bediener einen Gehörschutz tragen, bevor Sie mit der Stimulation beginnen.

3. Definition des Hot Spots und der motorischen Schwelle für die M1-Stimulation

  1. Zur Bestimmung der ruhenden motorischen Schwelle (rMT) wählt man einen distalen Handmuskel (z.B. den Abductor pollicis brevis [APB]) aus der rechten Hand.
    ANMERKUNG. Der motorische Schwellenwert wird verwendet, um die anfängliche Stimulationsintensität zu definieren, die später wie unten erläutert geändert werden kann. Somit kann jeder distale Handmuskel für diesen Zweck verwendet werden.
  2. Platzieren Sie eine Einweg-Gelelektrode (Durchmesser: ~30 mm) über dem rechten APB (dem Bauch des Muskels) und eine weitere in der Mitte des Daumens (Sehne). Platzieren Sie die Masseelektrode in der Nähe des Handgelenks (oder befolgen Sie die Richtlinien des Herstellers).
  3. Schließen Sie die Elektroden an den Elektromyographie-Verstärker (EMG) an und überprüfen Sie, ob sich der APB in Ruhe befindet, indem Sie das kontinuierliche EMG-Signal beobachten. Ändern Sie die Position der Hand, wenn sich der aufgezeichnete Muskel nicht leicht entspannen lässt.
  4. Finden Sie den kortikalen Hot-Spot zur Bestimmung des APB-Motorschwellenwerts. Ausgehend vom Bereich22 des Motorhandknopfes geben Sie einige TMS-Impulse ab und fahren Sie fort, indem Sie die Spule bewegen und drehen, bis die vom APB-Motor evozierten Potentiale (MEPs) erscheinen.
    Anmerkungen: Normalerweise befinden sich die motorischen Darstellungen des Daumens senkrecht zur Seitenwand des Handknopfes.
    1. Wählen Sie eine TMS-Intensität, die MEPs von etwa 200-500 μV hervorruft. Optimieren Sie die Position und Ausrichtung der Spule, indem Sie den Winkel leicht ändern, um die maximalen MEPs zu evozieren.
  5. Speichern Sie die optimale Position der Spule in der Neuronavigationssoftware, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Pulszahl klicken, die der Hot-Spot-Stelle entspricht, und die Option zur Wiederholung des Stimulus auswählen. Wiederholen Sie die Stimuli und wenden Sie einen automatischen Schwellenjagdalgorithmus23 an, indem Sie mit der rechten Maustaste auf den Hotspot klicken und die Option der motorischen Schwelle aus der Neuronavigationssoftware auswählen.
  6. Wenn diese Optionen nicht verfügbar sind, wenden Sie die Regel an, dass ein TMS-Impuls 10 MEPs (≥50 μV) aus 20 Versuchen hervorrufen muss24.

4. Grundlegende Benennung von Bildern

  1. Machen Sie das Subjekt mit den Bildern vertraut, bevor Sie die Baseline-Objektbenennungsaufgabe11,12 ausführen. Drucken Sie die Bilder aus (oder zeigen Sie sie in digitalem Format) und lassen Sie den Probanden üben, bevor die Sitzung beginnt (der Proband kann auch zu Hause üben).
    1. Verwenden Sie korrekt standardisierte normalisierte Farbbilder (z. B. aus der Bank of Standardized Stimuli25; Ergänzende Abbildung 1).
    2. Verwenden Sie nur Bilder, die häufig in einer alltäglichen Umgebung zu sehen sind, eine minimale Anzahl von Synonymen aufweisen und eine hohe Namensübereinstimmung aufweisen.
  2. Falls vorhanden, befestigen Sie einen Beschleunigungsmesser auf der Haut über dem Kehlkopf und den Stimmbändern, um den Sprachbeginn aufzuzeichnen, wie in Vitikainen et al.26 erläutert.
  3. Zeigen Sie dem Probanden die Bilder nacheinander und bitten Sie sie, die Bilder ohne Stimulation laut zu benennen.
    1. Präsentieren Sie die Bilder dem Motiv auf einem Bildschirm, der in einem Abstand von 0,5 bis 1 m platziert ist.
    2. Verwenden Sie eine Anzeigezeit von 700-1.000 ms pro Bild.
  4. Passen Sie das Zwischenbildintervall (IPI) an, um die Aufgabe für jedes Motiv etwas anspruchsvoller zu gestalten (z. B. beginnen Sie mit 2.500 ms und variieren Sie zwischen 1.500 und 4.000 ms).
    1. Wenn während der Baseline-Benennungsaufgabe viele Fehler auftreten, erhöhen Sie den LBI in Schritten von 200-300 ms. Wenn die Aufgabe zu einfach ist, verringern Sie den LBI in Schritten von 200-300 ms.
  5. Lassen Sie für die eigentliche Sprachzuordnungssitzung mit nrTMS die Bilder weg, die während des Baseline-Tests nicht angemessen trainiert wurden, nicht korrekt benannt wurden, nicht klar benannt wurden, nicht korrekt artikuliert wurden, mit Verzögerung oder Zögern benannt wurden oder für das Subjekt schwierig schienen.
  6. Führen Sie die Baselinebenennungsaufgabe dreimal aus, und wiederholen Sie die Schritte 4.3 bis 4.5, wenn die Leistung nicht zufriedenstellend ist.

5. Kortikale Sprachkartierung

  1. Variieren Sie die Stimulationsintensität, indem Sie sie in Schritten von 1 % der Leistung des Stimulators erhöhen/verringern, so dass jeder Zielbereich das gleiche induzierte elektrische Feld (E-Feld) erhält, das für die rMT der Handmuskeln am kortikalen handmotorischen Hotspot definiert ist. In der Regel müssen für parietale Ziele höhere Intensitäten angewendet werden als für frontotemporale Ziele, um ähnliche kortikale E-Felder wie für den rMT-Hotspot zu erreichen.
    1. Verringern Sie die Intensität bei der Stimulation kortikaler Strukturen, die sich näher an der Kopfoberfläche befinden (E-Feld über dem vordefinierten rMT-E-Feld).
  2. Prüfen Sie vor Beginn der Stimulation, ob die induzierten E-Feld-Werte in den verschiedenen sprachbezogenen Bereichen in beiden Hemisphären annähernd gleich sind (mit einem Unterschied von 2-3 V/m).
    1. Passen Sie bei Bedarf die kortikale Tiefe (Schältiefe) an.
    2. Stellen Sie sicher, dass sich die Spulenmitte nicht in der Luft befindet.
  3. Beginnen Sie mit einem standardmäßigen Bild-zu-TMS-Intervall (PTI) von 300 ms, oder verwenden Sie ein PTI von 0 bis 400 ms. Ein PTI über 150 ms wird bevorzugt, um die Überlappung der Stimulation mit der Sprachverarbeitung zu optimieren.
  4. Beginnen Sie mit fünf Impulsen bei einer Stimulationsrate von 5 Hz. Beginnen Sie mit einem kortikalen Bereich, der nicht mit der Sprachverarbeitung zusammenhängt, damit sich das Subjekt an die durch die Stimulation hervorgerufene Empfindung gewöhnt. Bewegen Sie dann die Spule in die erwarteten sprachbezogenen Bereiche.
  5. Halten Sie die Spule in der gleichen Position, bis die Impulsfolge beendet ist und die Benennung des Motivs abgeschlossen ist.
  6. Konzentriere dich auf die Leistung des Subjekts, wie unten beschrieben.
    1. Wenn kein Fehler beobachtet wird, fahren Sie mit dem nächsten Ort fort.
    2. Wenn ein Fehler oder sogar ein Zögern beobachtet wird, stimulieren Sie diese Stelle für weitere zwei bis drei nrTMS-Züge und fahren Sie dann fort. Denken Sie an die Stelle für eine mögliche spätere Restimulation.
    3. Nehmen Sie kleine Spulenanpassungen vor, wenn auch nur ein kleiner Fehler erkannt wird (z. B. geringfügiges Zögern oder eine lautere Stimme bei der Benennung aufgrund eines erhöhten Aufwands), um klarere Fehler zu provozieren.
    4. Vermeiden Sie es, die Stimulation an derselben Stelle für mehr als fünf aufeinanderfolgende Züge zu wiederholen. Fahren Sie mit anderen kortikalen Stellen fort und besuchen Sie die Stelle später erneut.
    5. Wenn wiederholte Fehler an mehreren stimulierten Stellen auftreten, heben Sie die Spule in der Luft über der Kopfhaut an und prüfen Sie, ob weiterhin Fehler auftreten.
    6. Wenn weiterhin Fehler auftreten, machen Sie eine Pause, und warten Sie, bis sich die Benennung wieder normalisiert hat.
      ANMERKUNG. Wiederholte Benennungsfehler, die nichts mit der Stimulation zu tun haben, können häufig auftreten, wenn sprachbezogene Bereiche von einem Tumor oder einer anderen Läsion betroffen sind.
    7. Stimulieren Sie in Blöcken von maximal 7-10 Minuten kontinuierlich und machen Sie dazwischen 2-5 Minuten Pausen.
      HINWEIS: Fehler treten häufiger bei langen Stimulationen auf und wenn das Subjekt müde ist.
  7. Stimulieren Sie alle möglicherweise verwandten anatomischen Bereiche (z. B. IFG, STG, SMG, mittlerer temporaler, präzentraler, postzentraler und angularer Gyri sowie den präfrontalen Kortex), um so viele Kontrollreaktionen wie möglich zu erhalten.
  8. Wenn möglich und/oder klinisch unterstützt, stimulieren Sie beide Hemisphären. Stimulieren Sie vorsichtig innerhalb und um die Tumorregion oder die geschätzte Lage der Läsion, auch wenn diese Regionen nicht zu den klassischen sprachbezogenen Bereichen gehören (für Tumor- und Epilepsiepatienten).
    1. Untersuchen Sie kortikale Bereiche, die von der Läsionsstelle entfernt liegen, um mögliche räumliche Verschiebungen in den Spracharealen aufgrund von plastischen Veränderungen oder dem Masseneffekt zu identifizieren, insbesondere bei Patienten mit großen Läsionen.
  9. Reduzieren Sie die TMS-Intensität in Schritten von 2 % bis 5 % der maximalen Stimulatorleistung, wenn das Mapping Schmerzen oder Beschwerden hervorruft.
  10. Brechen Sie die Messung ab, wenn die induzierten Schmerzen oder Beschwerden vom Probanden nicht toleriert werden.

6. Strategie, wenn keine Benennungsfehler auftreten

  1. Beenden Sie die Stimulation und ändern Sie die Stimulationsparameter.
  2. Verringern Sie den LBI in Schritten von 200 ms gegenüber dem Standardwert (z. B. von 2.500 ms auf 2.300 ms).
  3. Ändern Sie die Frequenz der Impulsabgabe von 5 Hz auf 7 Hz. Ändern Sie das Intervall zwischen dem Einsetzen des dargestellten Bildes und der rTMS (derzeit gibt es keinen Konsens darüber, ob es erhöht oder verringert werden soll). Erhöhen Sie die Stimulationsintensität (ohne Unbehagen hervorzurufen).

7. Offline-Analyse der evozierten Benennungsfehler

  1. Arbeiten Sie mit einem Experten (z.B. einem Neuropsychologen) zusammen, der optimalerweise im Operationssaal anwesend sein sollte.
  2. Überprüfen Sie die evozierten Benennungsfehler, indem Sie die Positionierung der Spule und mögliche Schmerzstörungen aus den Videoaufzeichnungen beobachten.
  3. Klassifizieren Sie die Fehler nach Corina et al.27 (z.B. Anomie, semantische und phonologische Paraphasie, Leistungsfehler).
    1. Wenn sich eine bestimmte Art von Fehler im Basisvideo wiederholt, betrachten Sie dies bei der Analyse der Videos der Stimulationssitzung nicht als Fehler.
  4. Wenn ein Objekt nach dem rTMS-Zug benannt ist, betrachten Sie dies als Verspätung oder als Fehlerfreiheit. Prüfen Sie auch auf mögliche Beschwerden des Probanden während der Impulsabgabe.
  5. Wenn das Subjekt ein bestimmtes Objekt nicht benennen kann, obwohl sich die Zunge, die Lippen und der Kiefer bewegen, notieren Sie einen Fehler, bei dem keine Antwort erfolgt.
  6. Wenn ein Bild in jeder Sitzung einen anderen Namen hat, verwerfen Sie es.
  7. Wenn Sie sich nicht sicher sind, kontrollieren Sie die Leistung der benachbarten Stimulationsstelle oder die Wirkung der Stimulation der anderen Hemisphäre mit demselben Bild.

Representative Results

Zum Einsatz kam ein navigiertes transkranielles Magnetstimulationssystem mit integrierten Bildschirmen und Kameras. Abbildung 1A-C zeigt die verschiedenen TMS-evozierten Benennungsfehler in einem Subjekt während der Aufgabe bei verschiedenen PTIs (180 ms, 200 ms und 215 ms). Der Einfluss des Timings der TMS-Impulse auf die Anzahl der hervorgerufenen Fehler ist offensichtlich. Mit anderen Worten, TMS-bedingte Leistungsänderungen wurden in verschiedenen Bereichen bei verschiedenen PTIs festgestellt. Die Anzahl der Fehler variierte in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der TMS-Impulse sogar an denselben kortikalen Stellen, in Übereinstimmung mit MEG-Studien, die die Variation des Zeitpunkts der Aktivierung in verschiedenen sprachbezogenen kortikalen Bereichen zeigten28. Ein Vergleich der Ergebnisse zwischen extraoperativem DCS-Mapping und nrTMS mit fixiertem PTI bei 300 ms bei einem Patienten mit hartnäckiger Epilepsie ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Daten stammen aus einer früheren Publikation, die sich mit Epilepsie29 befasste.

Figure 1
Abbildung 1: Ergebnisse eines nrTMS-SCM, dargestellt anhand eines 3D-MRT-basierten Modells eines gesunden Probanden . (A) PTI von 180 ms. (B) PTI von 200 ms. (C) PTI von 215ms. Zusätzlich zu den großen sprachbezogenen Bereichen wurde der prä-supplementäre motorische Bereich (prä-SMA) stimuliert, wie im Protokoll beschrieben (Schritt 5.7). Die meisten Fehler wurden in den klassischen Sprachbereichen (IFG, STG, SMG) hervorgerufen, aber auch entlang des Pfades, der das Prä-SMA- und Broca-Areal verbindet (die grünen Flecken in A und B). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 2
Abbildung 2: Vergleich der Ergebnisse zwischen extraoperativem DCS-Mapping und nrTMS mit fixiertem PTI bei 300 ms bei einem Patienten mit hartnäckiger Epilepsie. (A) Extraoperatives Grid-Mapping im Alter von 13 Jahren. Die gelben Kugeln repräsentieren alle Elektroden auf der Hirnrinde. Dargestellt sind die Stellen der Elektrodenstimulation (2-5 mA), die motorische Reaktionen der Hand und des Mundes (grüne Kreise), den Namensstillstand (Anomie; rote Kreise) und die unterbrechende Satzwiederholung (rosa Kreise) induzierten. (B) nrTMS SCM desselben Patienten im Alter von 15 Jahren. Die Lokalisationen von nrTMS-induzierten Anomien (rote Punkte), semantischen und phonologischen Paraphasien (gelbe Punkte) und Zögern (weiße Punkte) werden gezeigt. Die Bereiche mit hochreproduzierbarer und zuverlässiger Fehlerinduktion werden eingekreist. Die Daten für dieses Bild stammen aus der Studie von Lehtinen et al.29. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Ergänzende Abbildung 1: Beispiele für Bilder, die im nrTMS-SCM-Experiment präsentiert wurden (in finnischer Sprache in Klammern). (A) Kleiderbügel (Henkari). (b) Schere (Sakset). (C) Erdbeere (Mansikka). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

In dieser Arbeit wird ein Protokoll für nrTMS SCM vorgestellt, das eine praktisch vollständige kortikale nicht-invasive Kartierung der wichtigsten Knotenpunkte des Sprachnetzwerks ermöglicht. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass es das DCS-Mapping während der Wachkraniotomie30 oder extraoperativ29 nicht-invasiv simulieren kann (siehe Abbildung 2). Darüber hinaus kann es auf Studien zu sprachkortikalen Netzwerken in gesunden Populationen31 und bei Patienten mit Krankheiten, die nicht operativ behandelt werden können32, angewendet werden. Die nrTMS für SCM kann auch zur Entwicklung von Neurorehabilitationsstrategien wie der Zielauswahl (z. B. nach einem Schlaganfall) eingesetzt werden. Die Induktion von Plastizität in sprachbezogenen kortikalen Repräsentationen durch DCS vor der Operation wurde untersucht33 , um das Ausmaß der Resektion34 zu erhöhen. Die Möglichkeiten von nrTMS SCM in solchen Studien sollten untersucht werden.

In den vorliegenden Ergebnissen wurde ein relativ großer Bereich, einschließlich klassischer sprachbezogener Areale und der prä-SMA, wiederholt an drei verschiedenen PTIs stimuliert. Jeder PTI zeigte eine unterschiedliche Sensitivität und Spezifität gegenüber Fehlern, zeigte aber auch die bekannte Variabilität des Ansprechens bei nicht-invasiven Hirnstimulationen35. Die meisten Fehler wurden durch die Stimulation des IFG, STG, prä-SMA und entlang des frontalen Schrägtrakts36 induziert. Dies unterstreicht die Leistungsfähigkeit von nrTMS SCM; Konkret kann die Stimulation im Vergleich zur DCS recht flexibel auf mehrere Bereiche ausgerichtet werden. Wir haben beobachtet, dass das Ändern des PTI und das Aufzeichnen vieler Sitzungen die Reaktionszeiten26,29 nicht eindeutig beschleunigt, was mit einem Lerneffekt verbunden wäre.

Das Protokoll hebt verschiedene Parameter hervor, die die Genauigkeit von nrTMS SCM beeinflussen können. Die Ergebnisse können empfindlich von den Entscheidungen des TMS-Bedieners abhängen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Standardleitlinie mit gut getesteten Stimulationsparametern bereitzustellen. Die hohe Spezifität ergibt sich aus einer geeigneten Auswahl verschiedener Parameter, einschließlich ISI, PTI, Spulenstandort und rTMS-Frequenz. Diese Parameter beeinflussen die Spezifität der induzierten Fehler, die die Funktionen in den zugrunde liegenden kortikalen Bereichen widerspiegeln; Die Parameterauswahl muss auf dem aktuellen Wissensstand zur Neurobiologie der Sprache basieren.

Die Bilder für die Benennungsaufgabe sollten so ausgewählt werden, dass sie nicht selbst zu einer fehlerhaften Benennung führen (ergänzende Abbildung 1). Dabei wurden die Bilder aus einer standardisierten Bilddatenbank ausgewählt und auf verschiedene Benennungsparameter25,37 kontrolliert. So beschränkte sich der Bildpool auf Objekte mit ähnlicher Komplexität und Häufigkeit im alltäglichen Gebrauch sowie einer hohen Namensübereinstimmung. Die Auswahl der Bilder kann je nach den Bedürfnissen jedes chirurgischen Zentrums38, der untersuchten Population39, der Muttersprache des getesteten Subjekts40, 41 und der verwendeten Aufgabe42 variieren. Wie im Protokoll dargestellt, wird die grundlegende Bildauswahl schließlich für jedes Motiv individualisiert, da die Benennung vor Ort subjektiv ist.

Die Stimulationsfrequenz muss individuell definiert werden, da sie die Fehlerverteilung während der navigierten transkraniellen magnetischen Hirnstimulationbestimmen kann 43. Die vorgestellte Wahl, 4-8 Hz, basiert auf der rTMS-Arbeit von Epstein et al.44. Die anfängliche Stimulationsfrequenz ist auf 5 Hz eingestellt. Wenn keine Fehler festgestellt werden, wird die Stimulationsfrequenz auf 7 Hz erhöht. Höhere Frequenzen können die nrTMS-induzierten Schmerzen verringern und die Spezifität von Benennungsfehlern erhöhen45. Höhere Frequenzen haben auch den Vorteil, dass die Impulse auf ein kurzes und spezifischeres Zeitintervall begrenzt werden. Sie können jedoch Funktionen beeinflussen, die sich beispielsweise auf die sprachmotorische Ausführung44,46 beziehen, die nicht das Hauptziel des vorliegenden Protokolls sind.

Es wird empfohlen, die PTI zwischen 150-400 ms zu variieren. Dies ist ein wichtiges Zeitfenster für den Wortabruf während der Objektbenennungsaufgabe28,47. Das Protokoll zielt auf Sprachspezifität ab, indem es die Interferenz der grundlegenden visuellen Verarbeitung vermeidet, die während der ersten 150 ms nach der Bildpräsentation auftritt und die Objektbenennung beeinflussen kann, aber nichts mit der Sprachproduktion zu tun hat. Die empfohlene Obergrenze für den PTI basiert auf typischen Antwortlatenzen bei der Bildbenennung im selben Probanden28,48, und es ist mit individuellen Abweichungen der optimalen Werte zwischen den Probanden zu rechnen (siehe Abbildung 1). Die PTI-Auswahl sollte idealerweise auf personalisierten Maßnahmen basieren, obwohl dies im klinischen Umfeld logistisch anspruchsvoll sein kann. Die Protokolle des Universitätskrankenhauses Helsinki beginnen in der Regel mit einem PTI von 300 ms. Es kann auch sinnvoll sein, den PTI basierend auf dem stimulierten Bereich12,13,49 zu ändern, wie aus mehreren Sprachstudien hervorgeht28,47,50. Nichtsdestotrotz können PTIs außerhalb des oben genannten Fensters auch Benennungsfehler induzieren, die für die präoperative Beurteilung nützlich sind (für eine vergleichende Studie siehe Krieg et al.49 unter Verwendung von PTIs von 0-300 ms).

Das kortikale Sprachnetzwerk ist weit verbreitet und variiert von Person zu Person, insbesondere bei Patienten mit Tumoren und Epilepsie29,30,39. nrTMS induziert Sprachstörungen mit großer Variabilität zwischen den Individuen, analog zu denen, die bei Stimulationen der wachen Kraniotomie beobachtet werden27,51. Die aus fMRT 50, DTI 52, 53, 54 und MEG55 gewonnenen Informationen können den nTMS-Anwender leiten und zu einem Verfahren führen, das auf jeden Einzelnen zugeschnitten und damit spezifischer und genauer ist. Das Ziel von nrTMS SCM ist es, die Spezifität zu erhöhen, die Anzahl der Non-Responder zu reduzieren, das DCS zuverlässig zu führen oder es zu ersetzen, wenn die Ressourcen und Bedingungen es einem Team von hochspezialisierten Experten nicht erlauben, es durchzuführen. In Zukunft könnte Multilocus TMS (mTMS) in dem Verfahren angewendet werden, um verschiedene Teile des Kortex zu stimulieren, ohne die Stimulationsspule56 physisch zu bewegen.

Das vorliegende Protokoll kann mit verschiedenen Arten von Benennungsaufgaben42,57 oder anderen kognitiven Aufgaben (Berechnungen, Entscheidungsfindung usw.) durchgeführt werden. 58. Die Videoaufzeichnung kann entscheidende Merkmale der Aufgabenausführung offenbaren (z. B. Grimassen des Subjekts, die darauf hinweisen, dass kein motorischer Sprachstillstand induziert wird), die während der Stimulation unbeobachtet bleiben können. Das Setup ermöglicht es auch, das Subjekt nach den nrTMS-induzierten Erfahrungen und Empfindungen zu fragen, indem es die Videoaufzeichnung gemeinsam betrachtet. Dies kann helfen, schmerzinduzierte Fehler von den tatsächlichen Auswirkungen der nrTMS zu unterscheiden. Schließlich kann das Protokoll leicht an verschiedene Probandengruppen (z. B. zweisprachige Personen31) angepasst werden und um den Bedürfnissen jedes Operations- oder Forschungsteams gerecht zu werden.

Disclosures

P.L. war Berater von Nexstim Ltd. für motorisches und sprachkortikales Mapping.

Acknowledgments

Pantelis Lioumis wurde durch ein HUS VTR-Stipendium (TYH2022224), Salla Autti von der Päivikki and Sakari Sohlberg Foundation und Hanna Renvall von der Paulo Foundation and Academy of Finland (Grant 321460) unterstützt.

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

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References

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Studiendesign für navigierte repetitive transkranielle Magnetstimulation zur sprachkortikalen Kartierung
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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).

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