Waiting
Login processing...

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

Medicine

Studiedesign for navigert repeterende transkraniell magnetisk stimulering for talekortikal kartlegging

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

Navigert repeterende transkraniell magnetisk stimulering er et svært effektivt ikke-invasivt verktøy for kartlegging av talerelaterte kortikale områder. Det hjelper i utformingen av hjernekirurgi og fremskynder direkte kortikal stimulering utført under operasjonen. Denne rapporten beskriver hvordan man utfører talekortikal kartlegging på en pålitelig måte for preoperativ evaluering og forskning.

Abstract

De kortikale områdene som er involvert i menneskelig tale, bør karakteriseres pålitelig før kirurgi for hjernesvulster eller medikamentresistent epilepsi. Den funksjonelle kartleggingen av språkområder for kirurgisk beslutningstaking gjøres vanligvis invasivt ved elektrisk direkte kortikal stimulering (DCS), som brukes til å identifisere organisasjonen av de avgjørende kortikale og subkortikale strukturer i hver pasient. Nøyaktig preoperativ ikke-invasiv kartlegging hjelper kirurgisk planlegging, reduserer tid, kostnader og risiko i operasjonsstuen, og gir et alternativ for pasienter som ikke er egnet for våken kraniotomi. Ikke-invasive bildebehandlingsmetoder som MR, fMRI, MEG og PET brukes for tiden i prekirurgisk design og planlegging. Selv om anatomisk og funksjonell bildebehandling kan identifisere hjernegruppene som er involvert i tale, kan de ikke avgjøre om disse områdene er kritiske for tale. Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) eksiterer ikke-invasivt de kortikale nevronpopulasjonene ved hjelp av elektrisk feltinduksjon i hjernen. Når den brukes i sin repeterende modus (rTMS) for å stimulere et talerelatert kortikalt sted, kan det produsere talerelaterte feil som er analoge med de som induseres av intraoperativ DCS. rTMS kombinert med nevronavigasjon (nrTMS) gjør det mulig for nevrokirurger å preoperativt vurdere hvor disse feilene oppstår og planlegge DCS og operasjonen for å bevare språkfunksjonen. En detaljert protokoll er gitt her for ikke-invasiv talekortikal kartlegging (SCM) ved bruk av nrTMS. Den foreslåtte protokollen kan modifiseres for å passe best mulig til pasient- og stedsspesifikke krav. Det kan også brukes til språkkortikale nettverksstudier hos friske personer eller hos pasienter med sykdommer som ikke er egnet til kirurgi.

Introduction

Under nevrokirurgi på grunn av cerebral sykdom (f.eks. epilepsi eller svulst), må omfanget av reseksjon optimaliseres for å bevare hjernegrupper som støtter kritiske funksjoner. Områder som er avgjørende for pasientens integritet og livskvalitet, for eksempel språkrelaterte, bør karakteriseres før fjerning av hjernevev. Vanligvis kan de ikke identifiseres individuelt bare basert på anatomiske landemerker1. Den funksjonelle kartleggingen av språkområder for kirurgisk beslutningstaking gjøres vanligvis invasivt ved elektrisk direkte kortikal stimulering (DCS), som gjør det mulig for nevrokirurgen å forstå organiseringen av de avgjørende kortikale og subkortikale strukturer i hver pasient2. Selv om DCS under våken kirurgi regnes som gullstandarden for kortikal kartlegging for talefunksjoner, er det begrenset av dets invasivitet, metodologiske utfordringer og det høye stresset det induserer for både pasienten og det kirurgiske teamet. Denne protokollen beskriver ikke-invasiv talekortikal kartlegging (SCM) ved bruk av navigert transkraniell magnetisk stimulering (navigert TMS eller nTMS). Nøyaktig ikke-invasiv kartlegging hjelpemidler i kirurgisk planlegging, og reduserer tid, kostnader og risiko i operasjonsrommet (OR). Det gir også et alternativ for de pasientene som ikke er egnet for våken kraniotomi3.

Ikke-invasive bildebehandlingsmetoder har allerede hatt stor nytte av prekirurgisk planlegging. Anatomisk magnetisk resonansavbildning (MR) er avgjørende for å lokalisere svulster og hjerneskader; i nevronavigasjon4 og i den navigerte TMS-kartleggingen5, veileder den operatøren til de kortikale stedene av interesse. Diffusjonsbasert MR (dMRI) traktografi gir detaljert informasjon om de hvite substansfiberkanalene som forbinder kortikale regioner 5,6. I løpet av det siste tiåret har funksjonelle avbildningsteknikker, særlig funksjonell MR (fMRI) og magnetoencefalografi (MEG), i økende grad blitt brukt til preoperativ motorisk og talekortikal kartlegging (SCM)2,8,9. Hver metode gir fordeler til den preoperative kartleggingsprosedyren, og kan for eksempel gi informasjon om de funksjonelt relaterte områdene utenfor de konvensjonelle språkområdene (Brocas og Wernickes områder). fMRI har vært den mest brukte metoden1 på grunn av den høye tilgjengeligheten; det har blitt sammenlignet med DCS i lokalisering av talerelaterte områder med variable resultater 2,10. Men selv om funksjonell avbildning kan identifisere de involverte hjernegruppene, kan den ikke avgjøre om disse områdene er kritiske for at funksjonen skal bevares.

Navigert repeterende TMS (nrTMS) brukes i dag som et alternativ til de nevnte metodene for preoperativ ikke-invasiv SCM11,12. nrTMS SCM er spesielt effektiv når det gjelder å identifisere talerelaterte kortikale områder i gyrus inferior frontal (IFG), superior temporal gyrus (STG) og supramarginal gyrus (SMG)11,13. En fordel med metoden er at den frakoblede analysen av feilene fremkalt av stimuleringen gjør at analysatoren ikke er klar over stimuleringsstedet. Det er dermed mulig å bedømme feilen uten a priori informasjon om det kortikale nettstedets relevans for talenettverket. Dette muliggjøres av et videoopptak, som gjør det mulig for analysatoren å skille subtile forskjeller i feil, for eksempel semantisk og fonologisk parafasi, mer pålitelig enn under selve undersøkelsen11,12. nrTMS SCM-tilnærmingen overgår for tiden ytelsen til MEG- eller fMRI-talekartlegging alene10,14, og ytterligere funksjonell eller anatomisk informasjon kan brukes til å finjustere nrTMS-prosedyren. Preoperativ kartlegging med nrTMS har vist seg å forkorte operasjonstiden og redusere den nødvendige størrelsen på kraniotomi og skade på den veltalende cortex15. Det forkorter tiden for sykehusinnleggelse og muliggjør en mer omfattende fjerning av tumorvev, og øker dermed pasientens overlevelse15. nrTMS er validert mot intraoperativ DCS-kartlegging; Spesielt er sensitiviteten til nrTMS i SCM høy, men spesifisiteten forblir lav, med overdreven falske positiver sammenlignet med DCS13,16.

For tiden kan prekirurgisk ikke-invasiv SCM med nrTMS bistå i pasientvalg for operasjon, hjelp til å designe operasjonen og fremskynde DCS utført under operasjonen17. Her gis en detaljert beskrivelse av hvordan nrTMS SCM kan utføres for å oppnå pålitelige talespesifikke resultater. Etter å ha fått praktisk erfaring, kan den foreslåtte protokollen skreddersys for å passe best mulig til pasient- og stedsspesifikke krav. Protokollen kan utvides ytterligere til visse mål, for eksempel taleproduksjon (talearrest)18,19 eller visuelle og kognitive funksjoner20.

Protocol

Denne studien ble godkjent av Hospital District of Helsinki og Uusimaa etikkomite. Informert samtykke til å delta ble innhentet før prosedyren fra hver forsøksperson.

1. Utarbeidelse av strukturelle bilder

  1. Ta opp en høyoppløselig T1-vektet strukturell MR av hele hodet for hvert motiv (helst med 0 mm skivegap og 1 mm skivetykkelse). Skaff deg bildene som angitt i instruksjonene for nevronavigasjonssystemet.
  2. Last opp MR-bildene til navigasjonssystemet i foretrukket format (vanligvis DICOM eller NifTI).
  3. Gå gjennom MR-bildene, og se etter eventuelle feil (f.eks. uskarpe kardinalpunkter, støyforstyrrelser eller feilplasseringer i 3D-modellens rekonstruksjon).
  4. Finn kardinalpunktene (dvs. midten av ryggen i hver øreflipp og nasionen) i de aksiale, sagittale og koronale MR-planene, merk dem ved å trykke på trådkorsfunksjonen i planene, og velg nøyaktig sted ved å klikke på venstre museknapp. Trykk deretter på "legg til landemerker" -knappen med musen.
  5. Sett inn parcellasjoner av hjernens interesseområder (f.eks. presisert med andre funksjonelle metoder [MEG, fMRI, PET] eller basert på MR-databaser eller atlas)21. Velg funksjonen "overlegg bilde".

2. Forberedelse for nevronavigasjon

  1. Kontroller at motivet ikke har noen metallgjenstander (f.eks. øredobber) i hode- og nakkeområdet, og sørg for at det ikke er noen absolutte kontraindikasjoner som intrakranielle metallklemmer.
  2. Plasser motivet i pasientstolen. Juster stolen slik at motivet sitter komfortabelt, med nakke, hender og ben avslappet. Juster stolhøyden slik at operatøren komfortabelt kan stimulere hele halvkulen som undersøkes.
  3. Plasser hodesporeren slik at den stabiliseres under stimuleringsøkten (med et klistremerke eller en stropp) og ikke blokkerer TMS-spolen fra å bevege seg fritt over hodet, spesielt over de tidlige områdene. Trackeren kan være plassert litt til høyre på pannen hvis venstre hjernehalvdel stimuleres og omvendt hvis høyre hjernehalvdel stimuleres for å sikre at de fremre frontallappområdene kan stimuleres.
  4. Samregistrer forsøkspersonens hode til den MR-rekonstruerte 3D-hodemodellen. Bruk en digitaliseringspenn på deltakerens hode for å markere kardinalpunktene (nasion, pre-auricular punkter) som ble valgt på MR. Digitaliser tilleggspunkter over hele skalleoverflaten for å redusere den endelige registreringsfeilen. Plasser digitaliseringspennen over hvert uthevede punkt på 3D-hodemodellen, og trykk på venstre pedal når punktet begynner å blinke på navigatorskjermen.
  5. Valider registreringen, selv om den generelle feilen er akseptabel (under 4 mm). Berør motivets hode med tuppen av digitaliseringspennen. Dobbeltsjekk visuelt at pennen er på det analoge stedet på overflaten av den 3D MR-baserte modellen. Hvis posisjonen ikke samsvarer med punktet i MR, gjenta trinn 2.1-2.4.
  6. Sørg for at både motivet og operatøren bruker hørselvern før du starter stimuleringen.

3. Definere hot spot og motorisk terskel for M1-stimulering

  1. For å bestemme den hvilemotoriske terskelen (rMT), velg en distal håndmuskel (f.eks. Abductor pollicis brevis [APB]) fra høyre hånd.
    NOTAT. Den motoriske terskelen brukes til å definere den opprinnelige stimuleringsintensiteten, som senere kan endres som forklart nedenfor. Dermed kan enhver distal håndmuskel brukes til dette formålet.
  2. Plasser en engangs gelelektrode (diameter: ~ 30 mm) over høyre APB (muskelens mage), og en annen på midten av tommelen (senen). Plasser jordelektroden nær håndleddet (eller følg produsentens retningslinjer).
  3. Koble elektrodene til elektromyografiforsterkeren (EMG), og kontroller at APB er i ro ved å observere det kontinuerlige EMG-signalet. Endre posisjonen til hånden hvis den registrerte muskelen ikke lett kan slappe av.
  4. Finn det kortikale hot spot for å bestemme APB-motorterskelen. Start fra motorhåndknappområdet22, lever noen TMS-pulser, og fortsett med å bevege og rotere spolen til APB-motorfremkalte potensialer (MEP) vises.
    NOTAT: Vanligvis er motorrepresentasjoner av tommelen plassert vinkelrett på sideveggen på håndknappen.
    1. Velg en TMS-intensitet som fremkaller MEP-er på rundt 200-500 μV. Optimaliser spolens plassering og orientering ved å endre vinkelen litt for å fremkalle de maksimale MEP-ene.
  5. Lagre den optimale spoleplasseringen i nevronavigasjonsprogramvaren ved å høyreklikke over pulstallet som tilsvarer hot spot-stedet og velge alternativet for å gjenta stimulansen. Gjenta stimuliene, og bruk en automatisk terskeljaktalgoritme23 ved å høyreklikke på hot spot og velge alternativet motorisk terskel fra nevronavigasjonsprogramvaren.
  6. Hvis disse alternativene ikke er tilgjengelige, bruk regelen om at en TMS-puls må fremkalle 10 MEP-er (≥50 μV) av 20 forsøk24.

4. Baseline navngiving av bilder

  1. Gjør motivet kjent med bildene før navngivningsoppgaven for grunnlinjeobjektet11,12. Skriv ut bildene (eller vis dem i digitalt format), og la motivet øve før økten starter (motivet kan også øve hjemme).
    1. Bruk riktig standardiserte normaliserte fargebilder (f.eks. fra Bank of Standardized Stimuli25; Tilleggsfigur 1).
    2. Bruk bare bilder som ofte ses i et dagligdags miljø, har et minimalt antall synonymer og har høy navneavtale.
  2. Hvis tilgjengelig, fest et akselerometer på huden over strupehodet og stemmebåndene for å registrere talestarten, som forklart i Vitikainen et al.26.
  3. Vis bildene til motivet en etter en og be dem om å navngi bildene høyt uten stimulering.
    1. Presenter bildene for motivet på en skjerm plassert på en avstand på 0,5-1 m.
    2. Bruk en visningstid på 700–1 000 ms per bilde.
  4. Juster intervallet mellom bilder (IPI) for å gjøre oppgaven litt utfordrende for hvert motiv (start f.eks. med 2 500 ms og varier mellom 1 500–4 000 ms).
    1. Hvis det oppstår mange feil under navngivningsoppgaven for grunnlinjen, øker du IPI i trinn på 200–300 ms. Hvis oppgaven er for enkel, reduser IPI i trinn på 200-300 ms.
  5. For selve talekartleggingsøkten med nrTMS, utelater du bildene som under baseline-testingen ikke ble trent tilstrekkelig, ikke navngitt riktig, ikke navngitt tydelig, ikke artikulert riktig, navngitt med forsinkelse eller nøling, eller virket vanskelig for motivet.
  6. Kjør den opprinnelige navneoppgaven tre ganger, og gjenta trinn 4.3–4.5 hvis ytelsen ikke er tilfredsstillende.

5. Tale kortikal kartlegging

  1. Varier stimuleringsintensiteten ved å øke/redusere den i trinn på 1 % av stimulatorens utgang, slik at hvert målområde får det samme induserte elektriske feltet (E-felt), som definert for rMT for håndmusklene ved det kortikale håndmotoriske hotspotet. Vanligvis må høyere intensiteter brukes for parietale enn for frontotemporale mål for å nå lignende kortikale E-felt som for rMT-hotspot.
    1. Senk intensiteten ved stimulering av kortikale strukturer som ligger nærmere hodeoverflaten (E-felt over det forhåndsdefinerte rMT E-feltet).
  2. Kontroller før stimuleringen startes at de induserte E-feltverdiene er omtrent like (med 2-3 V/m forskjell) i de forskjellige talerelaterte områdene i begge halvkuler.
    1. Juster kortikal dybde (peeling dybde) om nødvendig.
    2. Forsikre deg om at spolesenteret ikke er i luften.
  3. Start med et standard bilde-til-TMS-intervall (PTI) på 300 ms, eller bruk en PTI på 0–400 ms. en PTI over 150 ms foretrekkes for å optimalisere overlappingen av stimulering med språkbehandling.
  4. Start med fem pulser med en stimuleringsfrekvens på 5 Hz. Start fra et kortikalt område som ikke er relatert til talebehandling, slik at motivet blir vant til følelsen indusert av stimuleringen. Flytt deretter spolen til de forventede talerelaterte områdene.
  5. Hold spolen i samme posisjon til pulstoget er over og motivets navngivning er fullført.
  6. Fokuser på fagets ytelse som beskrevet nedenfor.
    1. Hvis det ikke observeres noen feil, går du videre til neste sted.
    2. Hvis en feil, eller til og med en nøling, blir observert, fortsett å stimulere dette stedet for ytterligere to til tre nrTMS-tog, og fortsett deretter. Hold nettstedet i tankene for mulig senere re-stimulering.
    3. Gjør små spolejusteringer når selv en liten feil oppdages (f.eks. mindre nøling eller høyere stemme under navngivningen på grunn av økt innsats) for å provosere klarere feil.
    4. Unngå å gjenta stimulering på samme sted i mer enn fem påfølgende tog. Fortsett med andre kortikale nettsteder, og besøk nettstedet senere.
    5. Hvis gjentatte feil vises på flere stimulerte steder, løft spolen i luften over hodebunnen, og sjekk om feil fortsatt oppstår.
    6. Hvis det fortsatt oppstår feil, ta en pause og vent til navngivningen går tilbake til normal.
      NOTAT. Gjentatte navnefeil som ikke er relatert til stimuleringen, kan være vanlige hvis talerelaterte områder påvirkes av en svulst eller annen lesjon.
    7. Stimuler i blokker på 7-10 min (maks) kontinuerlig, og ha 2-5 min pauser imellom.
      MERK: Feil blir vanligere ved lange stimuleringer og hvis motivet er slitent.
  7. Stimulere alle mulige relaterte anatomiske områder (f.eks. IFG, STG, SMG, midtre temporale, presentrale, postsentrale og kantede gyri og prefrontal cortex) for å oppnå så mange kontrollresponser som mulig.
  8. Hvis det er mulig og / eller klinisk støttet, stimulere begge halvkule. Stimuler forsiktig i og rundt tumorområdet eller den estimerte plasseringen av lesjonen, selv om disse regionene ikke tilhører de klassiske talerelaterte områdene (for tumor- og epilepsipasienter).
    1. Undersøk kortikale områder som ligger vekk fra lesjonsstedet for å identifisere mulige romlige skift i språkområdene på grunn av plastiske endringer eller masseeffekten, spesielt hos pasienter med store lesjoner.
  9. Reduser TMS-intensiteten i trinn på 2% -5% av maksimal stimulatorutgang hvis kartleggingen induserer smerte eller ubehag.
  10. Stopp målingen hvis indusert smerte eller ubehag ikke tolereres av motivet.

6. Strategi når det ikke oppstår navnefeil

  1. Avslutt stimuleringen, og endre stimuleringsparametere.
  2. Reduser IPI i trinn på 200 ms fra standardverdien (f.eks. fra 2 500 ms til 2 300 ms).
  3. Endre frekvensen av pulslevering fra 5 Hz til 7 Hz. Endre intervallet mellom begynnelsen av det presenterte bildet og rTMS (for øyeblikket er det ingen konsensus om å øke eller redusere det). Øk stimuleringsintensiteten (uten å fremkalle ubehag).

7. Off-line analyse av de fremkalte navnefeilene

  1. Samarbeid med en ekspert (f.eks. en nevropsykolog), som optimalt bør være til stede i operasjonssalen.
  2. Dobbeltsjekk de fremkalte navnefeilene ved å observere spoleplasseringen og mulig smerteforstyrrelse fra videoopptakene.
  3. Klassifiser feilene i henhold til Corina et al.27 (f.eks. anomi, semantisk og fonologisk parafasi, ytelsesfeil).
    1. Hvis en bestemt type feil gjentar seg i grunnlinjevideoen, må du ikke betrakte det som en feil når du analyserer videoene for stimuleringsøkten.
  4. Hvis et objekt er oppkalt etter rTMS-toget, anser du dette som en forsinkelse eller en ikke-feil; Sjekk også for mulig ubehag av motivet under pulsleveransen.
  5. Hvis motivet ikke kan navngi et gitt objekt selv om tungen, leppene og kjevene beveger seg, registrerer du en frafallsfeil.
  6. Hvis et bilde har forskjellige navn i hver økt, forkaster du det.
  7. Hvis du er usikker, kontroller ytelsen til det nærliggende stimuleringsstedet eller effekten av stimuleringen av den andre halvkule med samme bilde.

Representative Results

Et navigert transkranielt magnetisk stimuleringssystem med integrerte skjermer og kameraer ble brukt. Figur 1A-C fremhever de forskjellige TMS-fremkalte navnefeilene i ett emne under oppgaven ved forskjellige PTIer (180 ms, 200 ms og 215 ms). Effekten av tidspunktet for TMS-pulser på antall feil fremkalt er tydelig. Med andre ord ble TMS-relaterte endringer i ytelse oppdaget i forskjellige områder ved forskjellige PTIer. Antall feil varierte avhengig av tidspunktet for TMS-pulser selv på de samme kortikale stedene, i samsvar med MEG-studier som demonstrerer variasjonen i tidspunktet for aktivering i forskjellige talerelaterte kortikale områder28. En sammenlikning av resultatene mellom ekstraoperativ DCS-kartlegging og nrTMS med fast PTI på 300 ms hos en pasient med intraktabel epilepsi er vist i figur 2. Dataene er hentet fra en tidligere publikasjon med fokus på epilepsi29.

Figure 1
Figur 1: Resultater fra en nrTMS SCM illustrert over en 3D MR-basert modell fra en frisk frivillig . (A) PTI på 180 ms. (B) PTI på 200 ms. (C) PTI på 215ms. I tillegg til de viktigste talerelaterte områdene ble det førmotoriske området (pre-SMA) stimulert som beskrevet i protokollen (trinn 5.7). De fleste feilene ble fremkalt i de klassiske taleområdene (IFG, STG, SMG), men også langs stien som forbinder pre-SMA og Brocas område (de grønne flekkene nær midtlinjen i A og B). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2 Sammenligning av resultatene mellom ekstraoperativ DCS-kartlegging og nrTMS med fast PTI ved 300 ms hos en pasient med intraktabel epilepsi. (A) Ekstraoperativ gridkartlegging ved 13 år. De gule kulene representerer alle elektrodene på cortex. Stedene for elektrodestimulering (2-5 mA) som induserte motoriske responser i hånd og munn (grønne sirkler), navngivningsarrest (anomi, røde sirkler) og avbrytende setningsrepetisjon (rosa sirkler) vises. (B) nrTMS SCM av samme pasient ved fylte 15 år. Stedene for nrTMS-induserte anomier (røde prikker), semantiske og fonologiske parafasier (gule prikker) og nøling (hvite prikker) er vist. Områdene med svært reproduserbar og pålitelig feilinduksjon er sirklet. Dataene for dette bildet er hentet fra studien til Lehtinen et al.29. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 1: Eksempler på bilder presentert i nrTMS SCM-eksperimentet (på finsk i parentes). (A) Henger (Henkari). (b) Saks (sakset). (C) Jordbær (Mansikka). Klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

Her presenteres en protokoll for nrTMS SCM, som muliggjør praktisk talt fullstendig kortikal ikke-invasiv kartlegging av de viktigste knutepunktene i tale- og språknettverket. Hovedfordelen er at den ikke-invasivt kan simulere DCS-kartleggingen under våken kraniotomi30 eller ekstraoperativt29 (se figur 2). Videre kan det brukes på språkkortikale nettverksstudier hos friske populasjoner31 og hos pasienter med sykdommer som ikke er egnet til kirurgi32. nrTMS for SCM kan også brukes til å utvikle nevrorehabiliteringsstrategier som målvalg (f.eks. etter slag). Induksjon av plastisitet i talerelaterte kortikale representasjoner av DCS før kirurgi er undersøkt33 for å øke omfanget av reseksjon34. Mulighetene for nrTMS SCM i slike studier bør undersøkes.

I de nåværende resultatene ble et relativt stort område, inkludert klassiske talerelaterte områder og pre-SMA, gjentatte ganger stimulert ved tre forskjellige PTIer. Hver PTI viste forskjellig sensitivitet og spesifisitet for feil, men demonstrerte også den velkjente responsvariabiliteten i ikke-invasive hjernestimuleringer35. De fleste feilene ble indusert av stimuleringen av IFG, STG, pre-SMA og langs frontal aslant tract36. Dette fremhever kraften til nrTMS SCM; Spesielt, i forhold til DCS, kan stimuleringen være ganske fleksibelt målrettet mot flere områder. Vi har observert at endring av PTI og opptak av mange økter ikke klart fremskynder reaksjonstidene26,29, noe som ville være forbundet med en læringseffekt.

Protokollen fremhever forskjellige parametere som kan påvirke nøyaktigheten til nrTMS SCM. Resultatene kan være følsomme for valgene som gjøres av TMS-operatøren. Denne artikkelen tar sikte på å gi en standard retningslinje med velprøvde stimuleringsparametere. Høy spesifisitet skyldes et passende valg av flere forskjellige parametere, inkludert ISI, PTI, spoleplassering og rTMS-frekvens. Disse parametrene påvirker spesifisiteten til de induserte feilene, som gjenspeiler funksjonene i de underliggende kortikale områdene; Parametervalget må være basert på gjeldende kunnskap om språkets nevrobiologi.

Bildene for navneoppgaven bør velges slik at de ikke fremkaller feil navngivning av seg selv (tilleggsfigur 1). Her ble bildene valgt fra en standardisert bildebank og kontrollert for ulike navneparametere25,37. For eksempel var utvalget av bilder begrenset til elementer med lignende kompleksitet og frekvens i daglig bruk, samt høy navneavtale. Valget av bilder kan variere basert på behovene til hvert kirurgisk senter38, populasjonen som undersøkes39, morsmålet til det testede forsøkspersonen 40,41 og den brukte oppgaven42. Som presentert i protokollen, er det grunnleggende bildevalget endelig individualisert for hvert emne, da navngivning på stedet er subjektiv.

Stimuleringsfrekvensen må defineres individuelt, fordi den kan bestemme fordelingen av feil under navigert transkraniell magnetisk hjernestimulering43. Det presenterte valget, 4-8 Hz, er basert på rTMS-arbeidet til Epstein et al.44. Den opprinnelige stimuleringsfrekvensen er satt til 5 Hz. Hvis det ikke oppdages feil, økes stimuleringsfrekvensen til 7 Hz. Høyere frekvenser kan redusere nrTMS-indusert smerte og øke spesifisiteten til navnefeil45. Høyere frekvenser har også fordelen av å begrense pulsene til et kort og mer spesifikt tidsintervall. De kan imidlertid påvirke funksjoner knyttet til for eksempel talemotorisk utførelse44,46, som ikke er hovedmålet for denne protokollen.

Det anbefales å variere PTI mellom 150-400 ms. Dette er et viktig tidsvindu for ordhenting under objektnavnoppgaven28,47. Protokollen tar sikte på talespesifisitet ved å unngå forstyrrelser av grunnleggende visuell behandling, som skjer i løpet av de første 150 ms etter bildepresentasjon og kan påvirke objektnavngivning, men er ikke relatert til taleproduksjon. Anbefalt øvre grense for PTI er basert på typiske responsforsinkelser i bildenavn hos samme28,48, og individuell variasjon i optimale verdier mellom forsøkspersoner kan forventes (se figur 1). PTI-seleksjonen bør ideelt sett baseres på personlige tiltak, selv om dette kan være logistisk krevende i en klinisk setting. Protokoller fra Helsingfors universitetssykehus starter vanligvis med en 300 ms PTI. Det kan også være nyttig å endre PTI basert på det stimulerte området12,13,49, som indikert av flere språkstudier28,47,50. Likevel kan PTI utenfor ovennevnte vindu også indusere navnefeil som er nyttige for prekirurgisk evaluering (for en komparativ studie, se Krieg et al.49 ved bruk av PTI på 0-300 ms).

Det kortikale talenettverket er utbredt og varierer mellom individer, spesielt hos pasienter med svulster og epilepsi29,30,39. nrTMS induserer språkforstyrrelser med stor variasjon mellom individer, analogt med de som observeres under våken kraniotomistimulering27,51. Informasjonen hentet fra fMRI50, DTI 52,53,54 og MEG 55 kan lede nTMS-brukeren og resultere i en prosedyre som er skreddersydd for hver enkelt person og dermed er mer spesifikk og nøyaktig. Målet i nrTMS SCM er å øke spesifisiteten, redusere antall ikke-respondere, veilede DCS pålitelig, eller erstatte den når ressursene og forholdene ikke tillater et team av høyt spesialiserte eksperter å utføre det. I fremtiden kan multilocus TMS (mTMS) brukes i prosedyren for å stimulere ulike deler av cortex uten fysisk å bevege stimuleringsspolen56.

Den nåværende protokollen kan utføres med flere typer navneoppgaver42,57 eller andre kognitive oppgaver (beregninger, beslutningstaking, etc.) 58. Videoopptaket kan avsløre viktige trekk ved oppgaveutførelsen (f.eks. grimaser av motivet som indikerer at ingen motorisk talestans induseres) som kan gå uobservert under stimuleringen. Oppsettet gjør det også mulig å spørre subjektet om de nrTMS-induserte opplevelsene og opplevelsene ved å se videoopptaket i fellesskap. Dette kan bidra til å skille smerteinduserte feil fra de sanne effektene av nrTMS. Endelig kan protokollen enkelt endres til forskjellige faggrupper (f.eks. Tospråklige individer31) og for å betjene behovene til hvert kirurgisk eller forskningsteam.

Disclosures

P.L. har vært konsulent for Nexstim Ltd. for motor- og talekortikal kartlegging.

Acknowledgments

Pantelis Lioumis har blitt støttet av et HUS VTR-stipend (TYH2022224), Salla Autti av Päivikki og Sakari Sohlberg Foundation, og Hanna Renvall av Paulo Foundation og Academy of Finland (stipend 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

Denne måneden i JoVE utgave 193
Studiedesign for navigert repeterende transkraniell magnetisk stimulering for talekortikal kartlegging
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