Waiting
Login processing...

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

Medicine

Diseño de estudio para la estimulación magnética transcraneal repetitiva navegada para el mapeo cortical del habla

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

La estimulación magnética transcraneal repetitiva navegada es una herramienta no invasiva altamente eficiente para mapear áreas corticales relacionadas con el habla. Ayuda en el diseño de la cirugía cerebral y acelera la estimulación cortical directa realizada durante la cirugía. Este informe describe cómo realizar el mapeo cortical del habla de manera confiable para la evaluación e investigación preoperatoria.

Abstract

Las áreas corticales involucradas en el habla humana deben caracterizarse de manera confiable antes de la cirugía para tumores cerebrales o epilepsia resistente a los medicamentos. El mapeo funcional de las áreas del lenguaje para la toma de decisiones quirúrgicas generalmente se realiza de forma invasiva mediante estimulación cortical directa eléctrica (EDC), que se utiliza para identificar la organización de las estructuras corticales y subcorticales cruciales dentro de cada paciente. El mapeo preoperatorio preciso no invasivo ayuda a la planificación quirúrgica, reduce el tiempo, los costos y los riesgos en la sala de operaciones, y proporciona una alternativa para pacientes que no son adecuados para la craneotomía despierta. Los métodos de imagen no invasivos como MRI, fMRI, MEG y PET se aplican actualmente en el diseño y la planificación prequirúrgicos. Aunque las imágenes anatómicas y funcionales pueden identificar las regiones cerebrales involucradas en el habla, no pueden determinar si estas regiones son críticas para el habla. La estimulación magnética transcraneal (EMT) excita de forma no invasiva las poblaciones neuronales corticales mediante la inducción del campo eléctrico en el cerebro. Cuando se aplica en su modo repetitivo (EMTr) para estimular un sitio cortical relacionado con el habla, puede producir errores relacionados con el habla análogos a los inducidos por la EDC intraoperatoria. La EMTr combinada con la neuronavegación (EMTnr) permite a los neurocirujanos evaluar preoperatoriamente dónde ocurren estos errores y planificar la EDC y la operación para preservar la función del lenguaje. Aquí se proporciona un protocolo detallado para el mapeo cortical del habla no invasivo (SCM) utilizando nrTMS. El protocolo propuesto se puede modificar para adaptarse mejor a las demandas específicas del paciente y del sitio. También se puede aplicar a estudios de redes corticales del lenguaje en sujetos sanos o en pacientes con enfermedades que no son susceptibles de cirugía.

Introduction

Durante la neurocirugía debido a una enfermedad cerebral (por ejemplo, epilepsia o un tumor), la extensión de la resección debe optimizarse para preservar las regiones del cerebro que apoyan las funciones críticas. Las áreas vitales para la integridad y la calidad de vida del paciente, como las relacionadas con el lenguaje, deben caracterizarse antes de la extirpación del tejido cerebral. Por lo general, no pueden identificarse individualmente simplemente basándose en puntos de referencia anatómicos1. El mapeo funcional de las áreas del lenguaje para la toma de decisiones quirúrgicas generalmente se realiza de forma invasiva mediante estimulación cortical directa eléctrica (EDC), lo que permite al neurocirujano comprender la organización de las estructuras corticales y subcorticales cruciales dentro de cada paciente2. Aunque la EDC durante la cirugía despierta se considera el estándar de oro del mapeo cortical para las funciones del habla, está limitada por su invasividad, desafíos metodológicos y el alto estrés que induce tanto para el paciente como para el equipo quirúrgico. Este protocolo describe el mapeo cortical del habla (SCM) no invasivo utilizando estimulación magnética transcraneal navegada (TMS navegado o nTMS). El mapeo preciso no invasivo ayuda en la planificación quirúrgica y reduce el tiempo, los costos y los riesgos en la sala de operaciones (OR). También proporciona una alternativa para aquellos pacientes que no son aptos para la craneotomía despierta3.

Los métodos de imagen no invasivos ya han beneficiado enormemente la planificación prequirúrgica. La resonancia magnética anatómica (RM) es crucial para localizar tumores y lesiones cerebrales; en neuronavegación4 y en el mapeo TMSnavegado 5, guía al operador a los sitios corticales de interés. La tractografía por RM basada en difusión (dMRI) proporciona información detallada sobre los tractos de fibra blanca que conectan las regiones corticales 5,6. Durante la última década, las técnicas de imagen funcional, especialmente la RM funcional (fMRI) y la magnetoencefalografía (MEG), se han utilizado cada vez más para el mapeo cortical del habla (SCM) motor y del habla preoperatorio2,8,9. Cada método aporta beneficios al procedimiento de mapeo preoperatorio y puede, por ejemplo, proporcionar información sobre las regiones funcionalmente relacionadas fuera de las áreas lingüísticas convencionales (áreas de Broca y Wernicke). La resonancia magnética funcional ha sidoel método 1 más utilizado debido a su alta disponibilidad; se ha comparado con la EDC en la localización de áreas relacionadas con el habla con resultados variables 2,10. Sin embargo, aunque las imágenes funcionales pueden identificar las regiones cerebrales involucradas, no pueden determinar si estas regiones son críticas para preservar la función.

La EMT repetitiva navegada (EMTnr) se utiliza actualmente como alternativa a los métodos antes mencionados para la SMC no invasiva preoperatoria11,12. nrTMS SCM es especialmente eficiente en la identificación de áreas corticales relacionadas con el habla dentro de la circunvolución frontal inferior (IFG), la circunvolución temporal superior (STG) y la circunvolución supramarginal (SMG)11,13. Una ventaja del método es que el análisis fuera de línea de los errores evocados por la estimulación permite que el analizador desconozca el sitio de estimulación. Por lo tanto, es posible juzgar el error sin información a priori de la relevancia del sitio cortical para la red de voz. Esto es posible gracias a una grabación de vídeo, que permite al analizador distinguir diferencias sutiles en los errores, como la parafasia semántica y fonológica, de manera más fiable que durante el examen real11,12. El enfoque de SCM nrTMS actualmente supera el rendimiento del mapeo del habla MEG o fMRI solo10,14, y se puede usar información funcional o anatómica adicional para ajustar el procedimiento de nrTMS. Se ha demostrado que el mapeo preoperatorio con nrTMS acorta los tiempos de operación y reduce el tamaño requerido de la craneotomía y el daño a la corteza elocuente15. Acorta el tiempo de hospitalización y permite una extirpación más extensa del tejido tumoral, aumentando así las tasas de supervivencia del paciente15. La EMTn ha sido validada contra el mapeo intraoperatorio de EDC; específicamente, la sensibilidad de la EMNrn en SCM es alta, pero su especificidad sigue siendo baja, con falsos positivos excesivos en comparación con DCS13,16.

Actualmente, la MCS no invasiva prequirúrgica con EMTn puede ayudar en la selección del paciente para la operación, ayudar en el diseño de la cirugía y acelerar la EDC realizada durante la cirugía17. Aquí, se proporciona una descripción detallada de cómo se puede realizar nrTMS SCM para obtener resultados confiables específicos del habla. Después de adquirir experiencia práctica, el protocolo sugerido se puede adaptar para adaptarse mejor a las demandas específicas del paciente y del sitio. El protocolo puede ampliarse aún más a ciertos objetivos, como la producción del habla (detención del habla)18,19 o las funciones visuales y cognitivas20.

Protocol

Este estudio fue aprobado por el Distrito Hospitalario de Helsinki y el comité de ética de Uusimaa. Antes del procedimiento, se obtuvo el consentimiento informado para participar de cada sujeto.

1. Preparación de las imágenes estructurales

  1. Registre una resonancia magnética estructural ponderada en T1 de alta resolución de toda la cabeza para cada sujeto (preferiblemente con un espacio de corte de 0 mm y un grosor de corte de 1 mm). Adquiera las imágenes como se especifica en las instrucciones del sistema de neuronavegación.
  2. Cargue las imágenes MR en el sistema de navegación en su formato preferido (normalmente DICOM o NifTI).
  3. Revise las imágenes de RM y verifique si hay errores (por ejemplo, puntos cardinales borrosos, perturbaciones de ruido o extravíos en la reconstrucción del modelo 3D).
  4. Encuentra los puntos cardinales (es decir, el centro de la cresta en cada lóbulo de la oreja y la nasión) en los planos de resonancia magnética axial, sagital y coronal, márcalos presionando la función de cruz en los planos y elige el lugar exacto haciendo clic en el botón izquierdo del mouse. Luego, presione el botón "agregar puntos de referencia" con el mouse.
  5. Insertar parcelaciones de las áreas cerebrales de interés (p. ej., identificadas por otros métodos funcionales [MEG, fMRI, PET] o basadas en bases de datos o atlas de RM)21. Elija la función "imagen superpuesta".

2. Preparación para la neuronavegación

  1. Verifique que el sujeto no tenga ningún artículo metálico (por ejemplo, aretes) en el área de la cabeza y el cuello, y asegúrese de que no haya contraindicaciones absolutas, como clips metálicos intracraneales.
  2. Coloque el sujeto en la silla del paciente. Ajuste la silla para que el sujeto esté sentado cómodamente, con el cuello, las manos y las piernas relajados. Ajuste la altura de la silla para que el operador pueda estimular cómodamente todo el hemisferio bajo investigación.
  3. Coloque el rastreador de cabeza de manera que se estabilice durante la sesión de estimulación (con una pegatina o una correa) y no impida que la bobina TMS se mueva libremente sobre la cabeza, especialmente sobre las áreas temporales. El rastreador puede estar situado ligeramente a la derecha en la frente si se estimula el hemisferio izquierdo y viceversa si se estimula el hemisferio derecho para garantizar que se puedan estimular las áreas del lóbulo frontal anterior.
  4. Co-registre la cabeza del sujeto en el modelo de cabeza 3D reconstruido por resonancia magnética. Use un bolígrafo digitalizador en la cabeza del participante para marcar los puntos cardinales (nasion, puntos preauriculares) que se seleccionaron en las resonancias magnéticas. Digitalice puntos adicionales en toda la superficie del cráneo para reducir el error de registro final. Coloque el lápiz digitalizador sobre cada punto resaltado en el modelo de cabeza 3D y presione el pedal izquierdo cuando el punto comience a parpadear en la pantalla del navegador.
  5. Valide el registro, incluso si el error general es aceptable (por debajo de 4 mm). Toque la cabeza del sujeto con la punta del lápiz digitalizador. Verifique visualmente que la pluma esté en el lugar análogo en la superficie del modelo basado en resonancia magnética 3D. Si su posición no corresponde al punto de la RM, repita los pasos 2.1-2.4.
  6. Asegúrese de que tanto el sujeto como el operador usen protección auditiva antes de comenzar la estimulación.

3. Definición del punto caliente y el umbral motor para la estimulación M1

  1. Para determinar el umbral motor en reposo (MTr), elija un músculo distal de la mano (p. ej., el abductor pollicis brevis [APB]) de la mano derecha.
    NOTA. El umbral motor se utiliza para definir la intensidad de la estimulación inicial, que puede cambiarse posteriormente como se explica a continuación. Por lo tanto, cualquier músculo distal de la mano se puede utilizar para este propósito.
  2. Coloque un electrodo de gel de un solo uso (diámetro: ~ 30 mm) sobre el APB derecho (el vientre del músculo) y otro en la mitad del pulgar (tendón). Coloque el electrodo de tierra cerca de la muñeca (o siga las instrucciones del fabricante).
  3. Conecte los electrodos al amplificador de electromiografía (EMG) y verifique que el APB esté en reposo observando la señal EMG continua. Cambie la posición de la mano si el músculo registrado no se puede relajar fácilmente.
  4. Encuentra el punto caliente cortical para determinar el umbral motor APB. Comenzando desde el área22 de la perilla manual del motor, entregue algunos pulsos TMS y continúe moviendo y girando la bobina hasta que aparezcan los potenciales evocados (MEP) del motor APB.
    NOTA: Por lo general, las representaciones motoras del pulgar se encuentran perpendiculares a la pared lateral de la perilla de la mano.
    1. Elija una intensidad TMS que evoque MEPs de alrededor de 200-500 μV. Optimice la ubicación y orientación de la bobina cambiando ligeramente su ángulo para evocar el máximo de MEPs.
  5. Guarde la ubicación óptima de la bobina en el software de neuronavegación haciendo clic derecho sobre el número de pulso correspondiente al sitio del punto caliente y eligiendo la opción para repetir el estímulo. Repita los estímulos y aplique un algoritmo automático de búsqueda de umbrales23 haciendo clic derecho en el punto caliente y eligiendo la opción de umbral motor del software de neuronavegación.
  6. Si estas opciones no están disponibles, aplique la regla de que un pulso TMS debe evocar 10 eurodiputados (≥50 μV) de 20 ensayos24.

4. Denominación de referencia de las imágenes

  1. Familiarice al sujeto con las imágenes antes de la tarea de nomenclatura de objetos de línea base11,12. Imprime las imágenes (o muéstralas en formato digital), y deja que la asignatura practique antes de que comience la sesión (la asignatura también podría practicar en casa).
    1. Usar imágenes en color normalizadas debidamente estandarizadas (p. ej., del Banco de Estímulos Estandarizados25; Figura complementaria 1).
    2. Use solo imágenes que se vean con frecuencia en un entorno cotidiano, que tengan un número mínimo de sinónimos y que tengan un alto acuerdo de nombres.
  2. Si está disponible, coloque un acelerómetro en la piel por encima de la laringe y las cuerdas vocales para registrar el inicio del habla, como se explica en Vitikainen et al.26.
  3. Muestre las imágenes al sujeto una por una y pídale que nombre las imágenes en voz alta sin estimulación.
    1. Presente las imágenes al sujeto en una pantalla colocada a una distancia de 0,5-1 m.
    2. Utilice un tiempo de visualización de 700-1.000 ms por imagen.
  4. Ajuste el intervalo entre imágenes (IPI) para que la tarea sea ligeramente desafiante para cada sujeto (por ejemplo, comience con 2.500 ms y varíe entre 1.500 y 4.000 ms).
    1. Si se producen muchos errores durante la tarea de nomenclatura de línea base, aumente el IPI en pasos de 200-300 ms. Si la tarea es demasiado fácil, disminuya el IPI en pasos de 200-300 ms.
  5. Para la sesión de mapeo de voz real con nrTMS, omita las imágenes que durante la prueba de línea de base no fueron entrenadas adecuadamente, no nombradas correctamente, no nombradas claramente, no articuladas correctamente, nombradas con retraso o vacilación, o parecían difíciles para el sujeto.
  6. Ejecute la tarea de nomenclatura de línea base tres veces y repita los pasos 4.3-4.5 si el rendimiento no es satisfactorio.

5. Mapeo cortical del habla

  1. Varíe la intensidad de la estimulación aumentándola / disminuyéndola en pasos del 1% de la salida del estimulador para que cada área objetivo reciba el mismo campo eléctrico inducido (campo E), como se define para la rMT de los músculos de la mano en el punto caliente motor cortical de la mano. Por lo general, se deben aplicar intensidades más altas para los objetivos parietales que para los objetivos frontotemporales para alcanzar campos E corticales similares a los del punto caliente rMT.
    1. Reducir la intensidad al estimular estructuras corticales ubicadas más cerca de la superficie de la cabeza (campo E por encima del campo E rMT predefinido).
  2. Verifique antes de comenzar la estimulación que los valores inducidos del campo E son aproximadamente similares (con una diferencia de 2-3 V / m) en las diferentes áreas relacionadas con el habla en ambos hemisferios.
    1. Ajuste la profundidad cortical (profundidad de descamación) si es necesario.
    2. Asegúrese de que el centro de la bobina no esté en el aire.
  3. Comience con un intervalo predeterminado de imagen a TMS (PTI) de 300 ms, o use un PTI de 0-400 ms; se prefiere un PTI por encima de 150 ms para optimizar la superposición de la estimulación con el procesamiento del lenguaje.
  4. Comience con cinco pulsos a una velocidad de estimulación de 5 Hz. Partir de una zona cortical no relacionada con el procesamiento del habla para que el sujeto se acostumbre a la sensación inducida por la estimulación. Luego, mueva la bobina a las áreas relacionadas con el habla esperadas.
  5. Mantenga la bobina en la misma posición hasta que termine el tren de pulsos y se complete el nombre del sujeto.
  6. Concéntrese en el desempeño del sujeto como se describe a continuación.
    1. Si no se observa ningún error, pase al siguiente locus.
    2. Si se observa un error, o incluso una vacilación, continúe estimulando ese sitio durante dos o tres trenes nrTMS adicionales, y luego continúe. Tenga en cuenta el sitio para una posible reestimulación posterior.
    3. Haga pequeños ajustes de bobina cuando se detecte incluso un pequeño error (por ejemplo, vacilación menor o una voz más alta durante el nombramiento debido a un mayor esfuerzo) para provocar errores más claros.
    4. Evite repetir la estimulación en el mismo sitio durante más de cinco trenes consecutivos. Continúe con otros sitios corticales y vuelva a visitar el sitio más tarde.
    5. Si aparecen errores repetidos en varios lugares estimulados, levante la bobina en el aire por encima del cuero cabelludo y verifique si aún ocurren errores.
    6. Si persisten los errores, tómese un descanso y espere hasta que la nomenclatura vuelva a la normalidad.
      NOTA. Los errores de nomenclatura repetidos no relacionados con la estimulación pueden ser comunes si las áreas relacionadas con el habla se ven afectadas por un tumor u otra lesión.
    7. Estimule en bloques de 7-10 minutos (máximo) continuamente, y tenga descansos de 2-5 minutos entre ellos.
      NOTA: Los errores se vuelven más comunes con estimulaciones largas y si el sujeto está cansado.
  7. Estimular todas las áreas anatómicas posiblemente relacionadas (por ejemplo, IFG, STG, SMG, giros temporales medios, precentrales, postcentrales y angulares, y la corteza prefrontal) para obtener tantas respuestas de control como sea posible.
  8. Si es factible y/o clínicamente apoyado, estimule ambos hemisferios. Estimular cuidadosamente dentro y alrededor de la región del tumor o la ubicación estimada de la lesión, incluso si esas regiones no pertenecen a las áreas clásicas relacionadas con el habla (para pacientes con tumor y epilepsia).
    1. Investigar las áreas corticales que se encuentran lejos del sitio de la lesión para identificar posibles cambios espaciales en las áreas del lenguaje debido a cambios plásticos o al efecto de masa, especialmente en pacientes con lesiones grandes.
  9. Reduzca la intensidad de TMS en pasos de 2% -5% de la salida máxima del estimulador si el mapeo induce dolor o incomodidad.
  10. Detener la medición si el sujeto no tolera el dolor o la incomodidad inducida.

6. Estrategia cuando no se producen errores de nomenclatura

  1. Termine la estimulación y cambie los parámetros de estimulación.
  2. Disminuya el IPI en pasos de 200 ms desde el valor predeterminado (por ejemplo, de 2.500 ms a 2.300 ms).
  3. Cambie la frecuencia de entrega de pulsos de 5 Hz a 7 Hz. Cambie el intervalo entre el inicio de la imagen presentada y la EMTr (actualmente, no hay consenso sobre si aumentarla o disminuirla). Aumentar la intensidad de la estimulación (sin provocar molestias).

7. Análisis off-line de los errores de nomenclatura evocados

  1. Colabore con un experto (por ejemplo, un neuropsicólogo), que debe estar presente de manera óptima en la sala de operaciones.
  2. Verifique los errores de nomenclatura evocados observando el posicionamiento de la bobina y la posible interferencia del dolor de las grabaciones de video.
  3. Clasificar los errores según Corina et al.27 (por ejemplo, anomia, parafasia semántica y fonológica, errores de interpretación).
    1. Si un tipo particular de error se repite en el video de referencia, no lo considere como un error al analizar los videos de la sesión de estimulación.
  4. Si un objeto lleva el nombre del tren rTMS, considérelo como un retraso o un error; Compruebe también si hay posibles molestias del sujeto durante la entrega del pulso.
  5. Si el sujeto no puede nombrar un objeto dado aunque la lengua, los labios y las mandíbulas se estén moviendo, registre un error de no respuesta.
  6. Si una imagen tiene un nombre diferente en cada sesión, deséchela.
  7. Si no está seguro, controle el rendimiento del sitio de estimulación vecino o el efecto de la estimulación del otro hemisferio con la misma imagen.

Representative Results

Se utilizó un sistema de estimulación magnética transcraneal navegado con pantallas y cámaras integradas. La Figura 1A-C destaca los diferentes errores de nomenclatura evocados por TMS en un sujeto durante la tarea en diferentes PTI (180 ms, 200 ms y 215 ms). El efecto de la sincronización de los pulsos TMS en el número de errores evocados es evidente. En otras palabras, se detectaron cambios en el rendimiento relacionados con TMS en diferentes áreas en diferentes PTI. El número de errores varió dependiendo del momento de los pulsos de TMS incluso en los mismos sitios corticales, de acuerdo con los estudios de MEG que demuestran la variación en el momento de la activación en diferentes áreas corticales relacionadas con el habla28. En la Figura 2 se muestra una comparación de los resultados entre el mapeo extraoperatorio de EDC y la EMTn con una PTI fija a 300 ms en un paciente con epilepsia intratable. Los datos fueron obtenidos de una publicación anterior centrada en la epilepsia29.

Figure 1
Figura 1: Resultados de un SCM nrTMS ilustrado sobre un modelo 3D basado en MRI de un voluntario sano . (A) PTI de 180 ms. (B) PTI de 200 ms. (C) PTI de 215ms. Además de las principales áreas relacionadas con el habla, se estimuló el área motora presuplementaria (pre-AME) como se describe en el protocolo (paso 5.7). La mayoría de los errores fueron evocados en las áreas clásicas del habla (IFG, STG, SMG), pero también a lo largo del camino que conecta el área pre-SMA y Broca (los puntos verdes cercanos a la línea media en A y B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Comparación de los resultados entre el mapeo extraoperatorio de EDC y la EMTr con una ITP fija a 300 ms en un paciente con epilepsia intratable. (A) Mapeo de cuadrícula extraoperatoria a la edad de 13 años. Las esferas amarillas representan todos los electrodos de la corteza. Se muestran los sitios de estimulación con electrodos (2-5 mA) que indujeron respuestas motoras de la mano y la boca (círculos verdes), detención de nombres (anomia; círculos rojos) e interrupción de la repetición de oraciones (círculos rosas). (B) nrTMS SCM del mismo paciente a la edad de 15 años. Se muestran los sitios de anomias (puntos rojos) inducidas por nrTMS, parafasias semánticas y fonológicas (puntos amarillos) y vacilaciones (puntos blancos). Las áreas con inducción de errores altamente reproducible y confiable están rodeadas. Los datos para esta imagen fueron tomados del estudio de Lehtinen et al.29. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura complementaria 1: Ejemplos de imágenes presentadas en el experimento nrTMS SCM (en finlandés entre paréntesis). (A) Percha (Henkari). b) Tijeras (Sakset). c) Fresa (Mansikka). Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discussion

Aquí, se presenta un protocolo para nrTMS SCM, que permite un mapeo cortical no invasivo prácticamente completo de los centros más importantes de la red del habla y el lenguaje. Su principal ventaja es que puede simular de forma no invasiva el mapeo de EDC durante la craneotomía despierta30 o extraoperatoria29 (ver Figura 2). Además, puede ser aplicado a estudios de redes corticales del lenguaje en poblaciones sanas31 y en pacientes con enfermedades que no son susceptibles de cirugía32. La EMNrm para la MCR también se puede aplicar para desarrollar estrategias de neurorrehabilitación, como la selección de objetivos (p. ej., después de un accidente cerebrovascular). Se ha estudiado la inducción de plasticidad en representaciones corticales relacionadas con el habla por EDC antes de la cirugía33 para aumentar el grado de resección34. Deben examinarse las posibilidades de nrTMS SCM en tales estudios.

En los resultados actuales, un área relativamente grande, incluidas las áreas clásicas relacionadas con el habla y la pre-AME, se estimuló repetidamente en tres PTI diferentes. Cada PTI mostró diferente sensibilidad y especificidad a los errores, pero también demostró la conocida variabilidad de la respuesta en estimulaciones cerebrales no invasivas35. La mayoría de los errores fueron inducidos por la estimulación del IFG, STG, pre-SMA y a lo largo del tracto inclinado frontal36. Esto resalta el poder de nrTMS SCM; específicamente, en comparación con la EDC, la estimulación puede dirigirse de manera bastante flexible a varias áreas. Hemos observado que cambiar el PTI y registrar muchas sesiones no acelera claramente los tiempos de reacción26,29, lo que estaría asociado con un efecto de aprendizaje.

El protocolo destaca diferentes parámetros que pueden afectar la precisión de nrTMS SCM. Los resultados pueden ser sensibles a las elecciones hechas por el operador de TMS; El presente documento tiene como objetivo proporcionar una guía estándar con parámetros de estimulación bien probados. La alta especificidad resulta de una elección adecuada de varios parámetros diferentes, incluidos el ISI, PTI, ubicación de la bobina y frecuencia de rTMS. Estos parámetros afectan la especificidad de los errores inducidos, que reflejan las funciones en las áreas corticales subyacentes; La selección de parámetros debe basarse en el conocimiento actual sobre la neurobiología del lenguaje.

Las imágenes para la tarea de nomenclatura deben seleccionarse de manera que no induzcan a una nomenclatura errónea por sí mismas (Figura suplementaria 1). Aquí, las imágenes fueron elegidas de un banco de imágenes estandarizado y controladas para varios parámetros de nomenclatura25,37. Por ejemplo, el conjunto de imágenes se restringió a elementos con complejidad y frecuencia similares en el uso diario, así como un alto acuerdo de nombre. La elección de las imágenes puede variar en función de las necesidades de cada centro quirúrgico38, la población investigada39, la lengua materna del sujeto examinado 40,41 y la tarea utilizada42. Como se presenta en el protocolo, la selección de la imagen de referencia finalmente se individualiza para cada sujeto, ya que la nomenclatura en el lugar es subjetiva.

La frecuencia de estimulación necesita ser definida individualmente, ya que puede determinar la distribución de errores durante la estimulación cerebral magnética transcraneal navegada43. La elección presentada, 4-8 Hz, se basa en el trabajo de rTMS de Epstein et al.44. La frecuencia de estimulación inicial se establece en 5 Hz. Si no se detectan errores, la frecuencia de estimulación aumenta a 7 Hz. Las frecuencias más altas pueden reducir el dolor inducido por la EMNr y aumentar la especificidad de los errores de nomenclatura45. Las frecuencias más altas también tienen la ventaja de limitar los pulsos a un intervalo de tiempo corto y más específico. Sin embargo, pueden afectar a funciones relacionadas, por ejemplo, con la ejecución motora del habla44,46, que no son el objetivo principal del presente protocolo.

Se recomienda variar el PTI entre 150-400 ms. Esta es una ventana de tiempo importante para la recuperación de palabras durante la tarea de nomenclatura de objetos28,47. El protocolo tiene como objetivo la especificidad del habla evitando la interferencia del procesamiento visual básico, que ocurre durante los primeros 150 ms después de la presentación de la imagen y puede afectar la nomenclatura de los objetos, pero no está relacionado con la producción del habla. El límite superior recomendado para el PTI se basa en las latencias de respuesta típicas en la nomenclatura de imágenes en el mismo sujeto28,48, y se puede esperar una variación individual en los valores óptimos entre sujetos (ver Figura 1). La selección de PTI idealmente debe basarse en medidas personalizadas, aunque esto puede ser logísticamente exigente en un entorno clínico. Los protocolos del Hospital Universitario de Helsinki generalmente comienzan con un PTI de 300 ms. También puede ser útil cambiar el PTI basado en el área estimulada12,13,49, como lo indican varios estudios de lenguaje28,47,50. Sin embargo, los PTI fuera de la ventana mencionada anteriormente también pueden inducir errores de nomenclatura que son útiles para la evaluación prequirúrgica (para un estudio comparativo, ver Krieg et al.49 utilizando PTI de 0-300 ms).

La red cortical del habla está muy extendida y varía entre los individuos, particularmente en pacientes con tumores y epilepsia29,30,39. La EMTn induce alteración del lenguaje con gran variabilidad entre individuos, análoga a las observadas durante las estimulaciones de craneotomía despierta27,51. La información obtenida de fMRI50, DTI 52,53,54 y MEG 55 puede dirigir al usuario de nTMS y dar como resultado un procedimiento que se adapta a cada individuo y, por lo tanto, es más específico y preciso. El objetivo en nrTMS SCM es aumentar la especificidad, reducir el número de no respondedores, guiar el DCS de manera confiable o reemplazarlo cuando los recursos y las condiciones no permiten que un equipo de expertos altamente especializados lo realice. En el futuro, la TMS multilocus (mTMS) podría ser aplicada en el procedimiento para estimular diferentes partes de la corteza sin mover físicamente la bobina de estimulación56.

El presente protocolo se puede realizar con varios tipos de tareas de naming42,57 u otras tareas cognitivas (cálculos, toma de decisiones, etc.) 58. La grabación de video puede revelar características cruciales de la realización de la tarea (por ejemplo, muecas del sujeto que indican que no se induce la detención motora del habla) que pueden pasar desapercibidas durante la estimulación. La configuración también permite preguntar al sujeto sobre las experiencias y sensaciones inducidas por nrTMS al ver conjuntamente la grabación de video. Esto puede ayudar a distinguir los errores inducidos por el dolor de los verdaderos efectos de la nrTMS. Finalmente, el protocolo puede ser fácilmente modificado para diferentes grupos de sujetos (por ejemplo, individuos bilingües31) y para atender las necesidades de cada equipo quirúrgico o de investigación.

Disclosures

P.L. ha sido consultor de Nexstim Ltd. para el mapeo cortical motor y del habla.

Acknowledgments

Pantelis Lioumis ha sido apoyado por una subvención HUS VTR (TYH2022224), Salla Autti por la Fundación Päivikki y Sakari Sohlberg, y Hanna Renvall por la Fundación Paulo y la Academia de Finlandia (subvención 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

Este mes en JoVE Número 193
Diseño de estudio para la estimulación magnética transcraneal repetitiva navegada para el mapeo cortical del habla
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