Waiting
Login processing...

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

Medicine

音声皮質マッピングのためのナビゲート反復経頭蓋磁気刺激の研究デザイン

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

ナビゲートされた反復経頭蓋磁気刺激は、音声関連の皮質領域をマッピングするための非常に効率的な非侵襲的ツールです。脳外科手術の設計に役立ち、手術中に行われる直接皮質刺激をスピードアップします。本報告では,術前の評価・研究のために音声皮質マッピングを確実に行う方法について述べる.

Abstract

人間の発話に関与する皮質領域は、脳腫瘍または薬剤耐性てんかんの手術前に確実に特徴付けられるべきである。外科的意思決定のための言語領域の機能マッピングは、通常、各患者内の重要な皮質および皮質下構造の組織を特定するために使用される電気直接皮質刺激(DCS)によって侵襲的に行われます。正確な術前の非侵襲的マッピングは、手術計画を支援し、手術室での時間、コスト、リスクを削減し、覚醒開頭術に適さない患者に代替手段を提供します。MRI、fMRI、MEG、PETなどの非侵襲的イメージング法は、現在、手術前の設計と計画に適用されています。解剖学的および機能的イメージングは、発話に関与する脳領域を特定することができますが、これらの領域が発話に重要であるかどうかを判断することはできません。経頭蓋磁気刺激(TMS)は、脳内の電界誘導によって皮質ニューロン集団を非侵襲的に興奮させる。反復モード(rTMS)で発話関連皮質部位を刺激すると、術中DCSによって誘発されるものと類似した発話関連エラーを引き起こす可能性があります。rTMSとニューロナビゲーション(nrTMS)を組み合わせることで、脳神経外科医は術前にこれらのエラーが発生する場所を評価し、言語機能を維持するためのDCSと手術を計画することができます。nrTMSを使用した非侵襲的音声皮質マッピング(SCM)の詳細なプロトコルがここに提供されています。提案されたプロトコルは、患者および部位固有の要求に最も合うように変更することができます。また、健康な被験者や手術に適さない疾患の患者における言語皮質ネットワーク研究にも適用できます。

Introduction

脳疾患(てんかんや腫瘍など)による脳神経外科手術では、重要な機能を支える脳領域を保存するために切除範囲を最適化する必要があります。言語関連の領域など、患者の完全性と生活の質に不可欠な領域は、脳組織を切除する前に特徴付ける必要があります。通常、解剖学的ランドマーク1だけでは個別に識別できません。外科的意思決定のための言語領域の機能マッピングは、通常、電気直接皮質刺激(DCS)によって侵襲的に行われ、これにより脳神経外科医は各患者内の重要な皮質および皮質下構造の組織を理解することができます2。覚醒手術中のDCSは、音声機能の皮質マッピングのゴールドスタンダードと見なされていますが、その侵襲性、方法論的課題、および患者と手術チームの両方に誘発する高いストレスによって制限されています。このプロトコルは、ナビゲートされた経頭蓋磁気刺激(ナビゲートされたTMSまたはnTMS)を使用した非侵襲的な音声皮質マッピング(SCM)について説明します。正確な非侵襲的マッピングは、手術計画を支援し、手術室(OR)の時間、コスト、リスクを軽減します。また、覚醒開頭術3に適していない患者にも代替手段を提供します。

非侵襲的イメージング法は、すでに術前計画に大きな利益をもたらしています。解剖学的磁気共鳴画像法(MRI)は、腫瘍や脳病変の位置を特定するために重要です。ニューロナビゲーション4およびナビゲートされたTMSマッピング5において、操作者を関心のある皮質部位に導く。拡散ベースのMRI(dMRI)トラクトグラフィは、皮質領域を接続する白質線維路に関する詳細情報を提供します5,6。過去10年間で、機能的イメージング技術、特に機能的MRI(fMRI)と脳磁図(MEG)が、術前の運動および音声皮質マッピング(SCM)にますます使用されるようになりました2,8,9。それぞれの方法は、術前のマッピング手順に利点をもたらし、例えば、従来の言語領域(ブローカおよびウェルニッケの領域)以外の機能的に関連する領域に関する情報を提供することができます。fMRIは、その高可用性のために最も一般的に使用されている方法1です。音声関連領域の局在化においてDCSと比較されており、結果はさまざまです2,10。しかし、機能イメージングは関与する脳領域を特定することはできますが、これらの領域が機能を維持するために重要であるかどうかを判断することはできません。

ナビゲート反復TMS(nrTMS)は、現在、術前の非侵襲的SCM11,12の前述の方法の代替として使用されています。nrTMS SCMは、下前頭回(IFG)、上側頭回(STG)、および上辺縁回(SMG)内の音声関連皮質領域を特定するのに特に効率的です11,13。この方法の利点は、刺激によって誘発されるエラーのオフライン分析により、分析者が刺激部位を認識しないようにすることができることである。したがって、皮質部位と音声ネットワークとの関連性の演繹的情報なしにエラーを判断することが可能である。これは、分析者が実際の検査中よりも確実に、意味的および音韻的パラファシアなどのエラーの微妙な違いを区別することを可能にするビデオ録画によって可能になります11,12。nrTMS SCMアプローチは現在、MEGまたはfMRI音声マッピング単独の性能を上回っており10、14、nrTMS手順を微調整するために追加の機能的または解剖学的情報が使用され得る。nrTMSによる術前マッピングは、手術時間を短縮し、開頭術の必要なサイズと雄弁皮質15の損傷を減らすことが実証されています。入院時間を短縮し、腫瘍組織のより広範な除去を可能にし、それによって患者の生存率を高めます15。nrTMSは術中のDCSマッピングに対して検証されています。具体的には、SCMにおけるnrTMSの感度は高いが、その特異性は低いままであり、DCSと比較して過度の偽陽性がある13,16。

現在、nrTMSを用いた術前非侵襲的SCMは、手術のための患者の選択を支援し、手術の設計を支援し、手術中に実施されるDCSをスピードアップすることができる17。ここでは、信頼性の高い音声固有の結果を得るためにnrTMS SCMを実行する方法について詳しく説明します。実践的な経験を積んだ後、提案されたプロトコルは、患者および部位固有の要求に最も合うように調整することができます。プロトコルは、音声生成(音声停止)18,19または視覚および認知機能20などの特定のターゲットにさらに拡張することができる。

Protocol

この研究は、ヘルシンキ病院地区とウーシマー倫理委員会によって承認されました。参加するためのインフォームドコンセントは、各被験者から手順の前に得られた。

1. 構造イメージの作成

  1. 各被験者の頭部全体の高解像度T1強調構造MRIを記録します(できれば0mmのスライスギャップと1mmのスライス厚さ)。ニューロナビゲーションシステムの指示で指定された画像を取得します。
  2. MR 画像を適切な形式 (通常は DICOM または NifTI) でナビゲーション システムにアップロードします。
  3. MR画像を調べて、エラー(たとえば、ぼやけた基点、ノイズの乱れ、3Dモデルの再構築の配置ミス)を確認します。
  4. 軸方向、矢状状、および冠状MRI平面で基点(つまり、各耳たぶと鼻の尾根の中央)を見つけ、平面の十字線関数を押してマークし、マウスの左ボタンをクリックして正確な場所を選択します。次に、「ランドマークの追加」ボタンをマウスで押します。
  5. 関心のある脳領域の区画を挿入します(たとえば、他の機能的方法[MEG、fMRI、PET]によって特定されるか、MRIデータベースまたはアトラスに基づいて特定されます)21。「オーバーレイ画像」機能を選択します。

2.ニューロナビゲーションの準備

  1. 被験者の頭頸部に金属製品(イヤリングなど)がないことを確認し、頭蓋内の金属クリップなどの絶対的な禁忌がないことを確認します。
  2. 被験者を患者の椅子に置きます。被験者が首、手、脚をリラックスさせて快適に座るように椅子を調整します。オペレーターが調査中の半球全体を快適に刺激できるように、椅子の高さを調整します。
  3. ヘッドトラッカーは、刺激セッション中に安定し(ステッカーまたはストラップを使用)、TMSコイルが頭の上、特に側頭領域で自由に動くのを妨げないように配置します。トラッカーは、前頭葉領域を確実に刺激できるように右半球が刺激される場合は額のわずかに右に位置し、右半球が刺激される場合はその逆であり得る。
  4. MRIで再構築された3D頭部モデルに被験者の頭部を共同登録します。参加者の頭にデジタル化ペンを使用して、MRIで選択された基点(鼻腔、耳介前点)をマークします。頭蓋骨表面全体にわたって追加のポイントをデジタイズして、最終的な登録エラーを減らします。3Dヘッドモデルでハイライトされた各スポットにデジタイズペンを置き、ナビゲーター画面でスポットが点滅し始めたら左ペダルを押します。
  5. 全体的な誤差が許容できる(4 mm未満)場合でも、登録を検証します。デジタイズペンの先で被写体の頭に触れます。ペンが3D MRIベースのモデルの表面の類似の場所にあることを視覚的に再確認します。その位置がMRIのポイントに対応していない場合は、手順2.1〜2.4を繰り返します。
  6. 刺激を開始する前に、被験者とオペレーターの両方が耳の保護具を着用していることを確認してください。

3. M1刺激のホットスポットと運動閾値の定義

  1. 安静時運動閾値(rMT)を決定するには、右手から遠位手筋(例:外転筋ブレビス[APB])を選択します。
    手記。運動閾値は、初期刺激強度を定義するために使用され、これは後で説明するように変更され得る。したがって、任意の遠位手の筋肉をこの目的に使用することができる。
  2. シングルユースゲル電極(直径:~30 mm)を右APB(筋肉の腹)の上に置き、親指の中央(腱)に別の電極を置きます。アース電極を手首の近くに置きます(または製造元のガイドラインに従ってください)。
  3. 電極を筋電図(EMG)アンプに接続し、連続EMG信号を観察してAPBが静止していることを確認します。記録された筋肉を簡単にリラックスできない場合は、手の位置を変更します。
  4. APB運動閾値を決定するための皮質ホットスポットを見つけます。モータハンドノブ領域22から開始して、いくつかのTMSパルスを配信し、APBモータ誘発電位(MEP)が現れるまでコイルを移動および回転させることによって継続する。
    注意: 通常、親指のモーター表現は、ハンドノブの側壁に垂直に配置されています。
    1. 約200〜500μVのMEPを呼び起こすTMS強度を選択します。 コイルの位置と方向を最適化し、角度をわずかに変更して最大MEPを呼び起こします。
  5. ホットスポット部位に対応するパルス数を右クリックし、刺激を繰り返すオプションを選択することにより、ニューロナビゲーションソフトウェアで最適なコイル位置を保存します。刺激を繰り返し、ホットスポットを右クリックしてニューロナビゲーションソフトウェアから運動閾値のオプションを選択することにより、自動閾値ハンティングアルゴリズム23 を適用する。
  6. これらのオプションが利用できない場合は、TMSパルスが20回の試行のうち10回のMEP(≥50μV)を呼び出す必要があるというルールを適用します24。

4. 画像のベースライン命名

  1. ベースラインオブジェクトの命名タスク11,12の前に、被写体を画像に慣れさせてください。画像を印刷し(またはデジタル形式で表示し)、セッションを開始する前に被験者に練習させます(被験者は自宅で練習することもできます)。
    1. 適切に標準化された正規化されたカラー画像を使用します(例えば、標準化された刺激25のバンクから; 補足図1)。
    2. 日常環境で頻繁に見られ、類義語の数が最小限で、名前の一致が高い画像のみを使用してください。
  2. 可能であれば、Vitikainen et al.26で説明されているように、喉頭と声帯の上の皮膚に加速度計を取り付けて、発話の開始を記録します。
  3. 画像を1つずつ被写体に見せ、刺激せずに画像に名前を付けてもらいます。
    1. 0.5〜1 mの距離に配置されたスクリーンで被写体に画像を提示します。
    2. 画像あたり700〜1,000ミリ秒の表示時間を使用します。
  4. 画像間間隔(IPI)を調整して、各被験者のタスクをわずかに困難にします(たとえば、2,500ミリ秒から始めて、1,500〜4,000ミリ秒の間で変化します)。
    1. ベースライン命名タスク中に多くのエラーが発生する場合は、IPI を 200 から 300 ミリ秒のステップで増やします。タスクが簡単すぎる場合は、IPIを200〜300ミリ秒のステップで減らします。
  5. nrTMSを使用した実際の音声マッピングセッションでは、ベースラインテスト中に適切にトレーニングされなかった、正しく名前が付けられていない、明確に名前が付けられていない、正しく表現されていない、遅延または躊躇している、または被験者にとって困難と思われる画像を省略します。
  6. ベースライン命名タスクを 3 回実行し、パフォーマンスが満足できない場合は手順 4.3 から 4.5 を繰り返します。

5.音声皮質マッピング

  1. 刺激器の出力の1%のステップで刺激強度を増減して変化させ、各ターゲット領域が皮質手の運動ホットスポットでの手の筋肉のrMTに定義されているのと同じ誘導電界(Eフィールド)を受け取るようにします。通常、rMTホットスポットと同様の皮質Eフィールドに到達するには、前頭側頭ターゲットよりも頭頂部に高い強度を適用する必要があります。
    1. 頭部表面に近い皮質構造(事前定義されたrMT Eフィールドの上のEフィールド)を刺激すると、強度を下げます。
  2. 刺激を開始する前に、誘発されたEフィールド値が、両方の半球の異なる音声関連領域でほぼ類似している(2〜3 V / mの差がある)ことを確認してください。
    1. 必要に応じて皮質の深さ(剥離深さ)を調整します。
    2. コイルの中心が空中にないことを確認します。
  3. デフォルトの画像から TMS への間隔(PTI)である 300 ミリ秒から開始するか、0 〜 400 ミリ秒の PTI を使用します。150ミリ秒を超えるPTIは、刺激と言語処理の重複を最適化するために好ましい。
  4. 5 Hzの刺激速度で5つのパルスから始めます。被験者が刺激によって誘発される感覚に慣れるように、音声処理とは関係のない皮質領域から開始します。次に、コイルを予想される音声関連領域に移動します。
  5. パルス列が終了し、被験者の命名が完了するまで、コイルを同じ位置に保ちます。
  6. 以下に説明するように、被験者のパフォーマンスに焦点を当てます。
    1. エラーが観察されない場合は、次の軌跡に進みます。
    2. エラー、または躊躇が観察された場合は、そのサイトをさらに2〜3回のnrTMSトレインで刺激し続けてから、次に進みます。後で再刺激する可能性に備えて、サイトを念頭に置いてください。.
    3. わずかなエラー(たとえば、労力の増加による命名中の小さな躊躇や大きな声)が検出された場合は、コイルを微調整して、より明確なエラーを引き起こします。
    4. 同じ部位で5本以上の連続した列車で刺激を繰り返すことは避けてください。他の皮質部位に進み、後でその部位を再訪します。
    5. 刺激された複数の場所でエラーが繰り返される場合は、コイルを頭皮の上の空中で持ち上げ、エラーが引き続き発生するかどうかを確認します。
    6. それでもエラーが発生する場合は、休憩を取り、名前付けが通常に戻るまで待ちます。
      手記。刺激とは無関係の繰り返しの命名ミスは、発話関連の領域が腫瘍または他の病変の影響を受けている場合に一般的である可能性があります。
    7. 7〜10分(最大)のブロックで継続的に刺激し、その間に2〜5分の休憩を取ります。
      注:エラーは、長時間の刺激や被験者が疲れている場合によくなります。
  7. 関連する可能性のあるすべての解剖学的領域(例:.、IFG、STG、SMG、中側頭、中心前、中心後、角回、および前頭前野)を刺激して、できるだけ多くの制御応答を取得します。
  8. 実行可能および/または臨床的にサポートされている場合は、両方の半球を刺激します。.腫瘍領域または病変の推定位置が古典的な音声関連領域に属していなくても、腫瘍領域の内側と周囲を注意深く刺激します(腫瘍およびてんかん患者の場合)。
    1. 病変部位から離れた場所にある皮質領域を調査して、特に大きな病変のある患者において、塑性の変化または質量効果による言語領域の空間的変化の可能性を特定します。
  9. マッピングが痛みまたは不快感を誘発する場合、最大刺激器出力の2%〜5%のステップでTMS強度を減少させる。
  10. 誘発された痛みや不快感が被験者によって許容されない場合は、測定を中止してください。

6.命名エラーが発生しない場合の戦略

  1. 刺激を終了し、刺激パラメータを変更します。
  2. IPIをデフォルト値から200ミリ秒ずつ減らします(たとえば、2,500ミリ秒から2,300ミリ秒)。
  3. パルス配信の周波数を5 Hzから7 Hzに変更します。 提示された画像の開始とrTMSの間隔を変更します(現在、それを増減するかどうかについてのコンセンサスはありません)。刺激強度を上げます(不快感を呼び起こすことなく)。

7. 誘発された命名エラーのオフライン分析

  1. 手術室に最適に存在する必要がある専門家(神経心理学者など)と協力します。
  2. ビデオ録画からのコイルの位置と痛みの干渉の可能性を観察して、誘発された命名エラーを再確認してください。
  3. Corinaら27 に従ってエラーを分類する(例えば、アノミア、意味的および音韻的パラファシア、パフォーマンスエラー)。
    1. 特定のタイプのエラーがベースラインビデオで繰り返される場合、刺激セッションビデオを分析するときにエラーとは見なさないでください。
  4. オブジェクトの名前が rTMS トレインにちなんで付けられている場合は、これを遅延またはエラーなしと見なします。パルス送達中に被験者の不快感の可能性についても確認してください。
  5. 舌、唇、顎が動いているにもかかわらず、被験者が特定のオブジェクトに名前を付けることができない場合は、無応答エラーを記録します。
  6. セッションごとにイメージの名前が異なる場合は、破棄します。
  7. 不明な場合は、隣接する刺激部位のパフォーマンスまたは同じ画像で他の半球の刺激の効果を制御します。

Representative Results

統合されたスクリーンとカメラを備えたナビゲートされた経頭蓋磁気刺激システムが使用されました。図1A-Cは、異なるPTI(180ミリ秒、200ミリ秒、および215ミリ秒)でのタスク中に1つの被験者における異なるTMS誘発命名エラーを強調しています。TMSパルスのタイミングが誘発されるエラーの数に与える影響は明らかです。言い換えれば、TMS関連のパフォーマンスの変化は、異なるPTIの異なる領域で検出されました。エラーの数は、異なる音声関連皮質領域における活性化のタイミングの変動を実証するMEG研究に従って、同じ皮質部位でもTMSパルスのタイミングに応じて変化した28。難治性てんかん患者における術外DCSマッピングと300ミリ秒でPTIが固定されたnrTMSの結果の比較を図2に示します。データは、てんかん29に焦点を当てた以前の出版物から得られた。

Figure 1
図1:健康なボランティアによる3D MRIベースのモデルの上に示されたnrTMS SCMの結果。 (A) 180 ミリ秒の PTI (B) 200 ミリ秒の PTI (C) 215 ミリ秒の PTI主要な音声関連領域に加えて、プロトコルに記載されているように、事前補助運動領域(pre-SMA)が刺激されました(ステップ5.7)。エラーのほとんどは、古典的な音声領域(IFG、STG、SMG)だけでなく、SMA以前の領域とブローカの領域( A と Bの正中線に近い緑色のスポット)を結ぶ経路に沿っても引き起こされました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:難治性てんかん患者における術外DCSマッピングと300ミリ秒でPTIが固定されたnrTMSの結果の比較。 (A)13歳での術外グリッドマッピング。黄色の球体は皮質上のすべての電極を表します。手と口の運動反応を誘発した電極刺激(2-5 mA)の部位(緑の円)、命名停止(アノミア、赤丸)、および文の繰り返しの中断(ピンクの円)を示します。(B)15歳の同じ患者のnrTMS SCM。nrTMS誘発性アノミア(赤い点)、意味的および音韻的パラファシア(黄色の点)、およびためらい(白い点)の部位が示されています。再現性と信頼性の高い誤差誘導のある領域を丸で囲みます。この画像のデータは、Lehtinenらの研究から取られた29。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

補足図1:nrTMS SCM実験で提示された画像の例(括弧内はフィンランド語)。 (A)ハンガー(ヘンカリ)。(B)はさみ(サクセット)。(C)ストロベリー(マンシッカ)。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

Discussion

ここでは、nrTMS SCMのプロトコルが提示されており、これにより、音声および言語ネットワークの最も重要なハブの実質的に完全な皮質非侵襲的マッピングが可能になります。その主な利点は、覚醒開頭術30または術外29の間にDCSマッピングを非侵襲的にシミュレートできることです(図2を参照)。さらに、健康な集団31および手術に適さない疾患を有する患者32における言語皮質ネットワーク研究に適用することができる。SCMのためのnrTMSは、標的選択(例えば、脳卒中後)などの神経リハビリテーション戦略の開発にも適用され得る。手術前のDCSによる音声関連皮質表現における可塑性の誘導は、切除34の範囲を増加させるために研究されている33。このような研究におけるnrTMS SCMの可能性を検討する必要があります。

本結果では、古典的な音声関連領域とSMA以前の領域を含む比較的広い領域が、3つの異なるPTIで繰り返し刺激されました。各PTIは、エラーに対して異なる感度と特異性を示しましたが、非侵襲的な脳刺激におけるよく知られた応答変動性も示しました35。ほとんどのエラーは、IFG、STG、プレSMA、および前頭斜めの路36に沿った刺激によって誘発されました。これは、nrTMS SCMの力を浮き彫りにします。具体的には、DCSと比較して、刺激はいくつかの領域に非常に柔軟にターゲットを絞ることができます。PTIを変更して多くのセッションを記録しても、学習効果に関連する反応時間26,29が明らかにスピードアップしないことが観察されました。

このプロトコルは、nrTMS SCMの精度に影響を与える可能性のあるさまざまなパラメータを強調しています。結果は、TMS オペレーターの選択の影響を受ける可能性があります。本論文は、十分にテストされた刺激パラメータを備えた標準的なガイドラインを提供することを目的としています。高い特異性は、ISI、PTI、コイル位置、rTMS周波数など、いくつかの異なるパラメータを適切に選択することで得られます。これらのパラメータは、誘発されたエラーの特異性に影響を与え、それは根底にある皮質領域の機能を反映しています。パラメータの選択は、言語の神経生物学に関する現在の知識に基づいている必要があります。

ネーミングタスクの画像は、それ自体で誤った命名を誘発しないように選択する必要があります(補足図1)。ここでは、画像は標準化された画像バンクから選択され、様々な命名パラメータ25、37に対して制御された。たとえば、画像のプールは、日常の使用で同様の複雑さと頻度を持つアイテムに制限され、名前の合意も高かった。画像の選択は、各手術センター38、調査対象集団39、被験体の母国語40、41および使用タスク42のニーズに基づいて変化し得る。プロトコルに示されているように、ベースライン画像の選択は、その場での命名が主観的であるため、最終的に被写体ごとに個別化されます。

刺激頻度は、ナビゲートされた経頭蓋磁気脳刺激43の間のエラーの分布を決定し得るので、個々に定義される必要がある。提示された選択肢である4〜8Hzは、EpsteinらによるrTMSの研究に基づいている44。初期刺激周波数は5Hzに設定されています。エラーが検出されない場合、刺激周波数は7Hzに増加します。 より高い周波数は、nrTMS誘発性の痛みを軽減し、命名エラーの特異性を高める可能性があります45。より高い周波数には、パルスを短くより具体的な時間間隔に制限するという利点もあります。しかしながら、それらは、例えば、本プロトコルの主要な標的ではない音声運動実行44、46に関連する機能に影響を及ぼし得る。

PTIを150〜400ミリ秒の間で変化させることをお勧めします。これは、オブジェクト命名タスク28,47中の単語検索の重要な時間枠である。このプロトコルは、画像提示後の最初の150ミリ秒間に発生し、オブジェクトの命名に影響を与える可能性があるが、音声生成とは無関係の基本的な視覚処理の干渉を回避することにより、音声特異性を目指しています。PTIの推奨上限は、同じ被験者28,48における画像命名における典型的な応答待ち時間に基づいており、被験者間の最適値の個人差が予想されます(図1を参照)。PTIの選択は、理想的にはパーソナライズされた測定に基づいている必要がありますが、これは臨床現場ではロジスティック的に厳しい場合があります。ヘルシンキ大学病院のプロトコルは通常、300ミリ秒のPTIで始まります。いくつかの言語研究28、47、50によって示されるように、刺激領域12、13、49に基づいてPTIを変更することも有用であり得る。それにもかかわらず、上記のウィンドウ外のPTIは、術前の評価に役立つ命名エラーを誘発する可能性もあります(比較研究については、0〜300ミリ秒のPTIを使用したKrieg et al.49を参照)。

皮質音声ネットワークは広く普及しており、特に腫瘍およびてんかんの患者では個人によって異なります29,30,39。nrTMSは、覚醒開頭術刺激中に観察されたものと同様に、個人間で大きなばらつきを伴う言語障害を誘発します27,51。fMRI50、DTI52、53、54、およびMEG 55から得られた情報は、nTMSユーザを誘導し、各個人に合わせて調整され、したがって、より具体的かつ正確な手順をもたらすことができる。nrTMS SCMの目的は、特異性を高め、非応答者の数を減らし、DCSを確実に誘導するか、リソースと条件が高度に専門化された専門家のチームがそれを実行できない場合にDCSを置き換えることです。将来的には、多遺伝子座TMS(mTMS)を、刺激コイル56を物理的に動かすことなく皮質の異なる部分を刺激する手順に適用することができる。

本プロトコルは、いくつかのタイプの命名タスク42、57または他の認知タスク(計算、意思決定など)を用いて実行することができる。58.ビデオ録画は、刺激中に観察されない可能性のあるタスクパフォーマンスの重要な特徴(例えば、運動発話停止が誘発されないことを示す被験者によるしかめっ面)を開示することができる。このセットアップでは、ビデオ録画を共同で視聴することにより、nrTMSによって引き起こされる経験や感覚について被験者に尋ねることもできます。これは、疼痛誘発性エラーとnrTMSの真の効果を区別するのに役立ちます。最後に、プロトコルは、異なる対象グループ(例えば、バイリンガル個人31)に容易に変更することができ、各外科チームまたは研究チームのニーズに応えることができる。

Disclosures

P.L.は、Nexstim Ltd.の運動および音声皮質マッピングのコンサルタントを務めています。

Acknowledgments

パンテリス・リオウミスはHUS VTR助成金(TYH2022224)、サラ・アウッティはパイヴィッキ・アンド・サカリ・ソールバーグ財団、ハンナ・レンヴァルはパウロ財団とフィンランドアカデミー(助成金321460)の支援を受けています。

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

今月のJoVE、第193号、
音声皮質マッピングのためのナビゲート反復経頭蓋磁気刺激の研究デザイン
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