Name: 罗切斯特大学医学中心的转化脑图:通过个性化大脑映射保护大脑 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-12T12:30:00.000+00:00
Duration: 13 min 12 s
Description: 了解罗切斯特大学医学中心的多模态脑图技术，通过功能磁共振成像和术中电刺激映射，精确定位运动与语言功能区，实现脑肿瘤最大安全切除并保护患者神经功能。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究工作获得了美国国立卫生研究院（NIH）基金项目 R21NS076176、R01NS089069、R01EY028535 以及美国国家科学基金会（NSF）基金项目 BCS-1349042 对 BZM 的资助，以及罗切斯特大学视觉科学中心对 FEG 提供的博士前培训基金（NIH 培训基金项目 5T32EY007125-24）。我们感谢 Keith Parkins 在 StrongView 开发方面所做的工作，该工作得到了罗切斯特大学医学院视觉科学中心核心基金 P30EY00131 的支持。罗切斯特大学转化脑图谱计划的建立部分得益于 Norman 和 Arlene Leenhouts 的支持，以及 Wilmot 癌症研究所对 Kevin Walter 博士和 Bradford Mahon 博士提供的基金资助。有关罗切斯特大学医学中心转化脑图谱计划的更多信息，请访问：www.tbm.urmc.edu。

视频中展示的活动及本文所述内容属于罗切斯特大学医学中心高于最低风险级别的机构审查委员会（IRB）范畴。
1. 招募
<ol>
	<li>建立一个高效的术前认知功能和基于MRI的评估项目，以便及时、高效地收治所有转诊医生推荐的患者。让行政和临床工作人员共同参与这一整体工作。
	 
	注意：一个已被证明有效的具体步骤是建立一个群发电子邮件列表，当有新患者就诊且可能符合脑图谱计划入组条件时，主治外科医生（或其支持团队成员）会自动发送邮件通知。</li>
</ol>
2. 术前 MRI 映射
<ol>
	<li>在美国罗切斯特大学医学院的先进脑成像与神经生理学中心（原名为“罗切斯特脑成像中心”），使用配备64通道头部线圈的3T磁共振成像仪采集MRI数据。采用标准的BOLD MRI和DTI序列进行全脑成像，具体方法参见以往发表的研究7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25。</li>
	<li>监测受试者的注视状态，并记录所有fMRI扫描期间采集的呼吸和心率信号，用于后续去除噪声干扰26,27。 
	注：在过去10年中，我们已建立一系列功能磁共振成像实验库，用于绘制语言功能图谱（包括口语、听觉、单个词汇及完整句子）、运动功能图谱（从不规则的手指、舌头和足部运动到高级的工具性动作）、音乐能力、数学与数字知识，以及基本感觉功能（例如视网膜拓扑映射以定位低级视觉处理区域11,14,24）。所有实验范式、实验材料及分析脚本均可在www.openbrainproject.org获取。</li>
</ol>
3. 神经心理学测试
<ol>
	<li>在进行所有认知测试时，需确保患者处于舒适状态，采用符合人体工程学优化的设置（图1），并在所有测试流程中安排频繁的休息（每8分钟一次）。</li>
	<li>所有低级别肿瘤患者应在术前1个月、术后1个月及术后6个月完成以下测试（测试12和13仅在术前及术后6个月时间点完成）28,29,30,31,32。
	<ol>
		<li>自发言语（饼干盗窃图片33、灰姑娘故事34,35,36）。</li>
		<li>类别流畅性（动作、语义类别、以F、A、S开头的词语）。</li>
		<li>词语阅读与复述（名词、动词、形容词、非词，按长度和频率匹配）。</li>
		<li>Snodgrass物体命名（n = 26037）。</li>
		<li>听觉命名（n = 6038）。</li>
		<li>高完形句子补全（30分钟）。</li>
		<li>伯明翰物体识别测验（BORB，包括长度 | 大小 | 方向 | 间隙匹配 | 重叠图形 | 缩短视角 | 物体真实性判断39）。</li>
		<li>听觉最小对立体辨别（例如，pa 与 da，ga 与 ta31,40）。</li>
		<li>句子-图片匹配（包括可逆被动句40）。</li>
		<li>颜色命名与Farnsworth-Munsell色相排序41。</li>
		<li>剑桥人脸识别测验30,42。</li>
		<li>加州言语学习测验（43）</li>
		<li>韦氏智力测验（44,45,46）。评估语言结局的关键指标为测试4-6；对更广泛能力的表征可确保命名测试中的障碍并非由整体表现下降所致47。 
		注：过去，我们曾结合使用多种软件呈现平台来控制术前和术后测试中的刺激呈现与反应记录。目前我们正在设计一个即插即用的单一平台，以支持所有认知测试（术前、术中和术后测试），以及功能磁共振成像期间的刺激呈现与反应记录（见下文对StrongViewTM的描述）。StrongView平台及其内置的神经心理学测试将可通过www.openbrainproject.org下载（开放许可）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 术中语言定位的神经麻醉学与人体工程学
<ol>
	<li>采用清醒开颅术的麻醉技术48,49,50；在罗切斯特大学，清醒开颅术通常采用“麻醉-清醒-麻醉”的方法进行。</li>
	<li>避免使用抗惊厥药和抗焦虑药等术前用药，因为这些药物可能损害认知功能并导致苏醒期谵妄。</li>
	<li>应用标准监护仪（心电图、无创血压、脉搏血氧饱和度），并通过静脉注射芬太尼（0.5 mg/kg）、利多卡因（1–1.5 mg/kg）和丙泊酚（1–2 mg/kg）诱导全身麻醉。</li>
	<li>使用声门上气道装置进行机械通气。</li>
	<li>将患者置于侧卧位或半侧卧位，头部固定于头架中；如视频所述，患者体位取决于病变位置和计划的开颅窗范围，同时需考虑患者在术中清醒后将接受的认知测试类型。</li>
	<li>在头钉和切口部位给予镇痛（30 mL 0.5% 利多卡因、30 mL 0.5% 卡波卡因原液、6 mL 碳酸氢钠）。在此期间，安置测试设备（小型显示器、摄像机、指向性麦克风）。</li>
	<li>根据多种因素确定开颅窗的大小，这些因素的权重取决于患者术前脑功能临床定位、功能性脑图谱研究结果以及术中定位计划。在本视频所述病例中，主治外科医生（Pilcher 博士）选择较大的开颅窗，以便充分接触并定位优势半球的语言和运动阳性区域。</li>
	<li>在清醒阶段开始时停止镇静（切口前已施加局部镇痛）。</li>
	<li>患者意识恢复后移除声门上气道。清醒阶段无或仅有极轻微的镇静。</li>
	<li>使用皮层脑电图（ECoG）监测后放电（皮层刺激诱发的亚临床癫痫样放电），以确保DES刺激强度设定在略低于后放电阈值的水平。DES定位程序首先确定后放电阈值，并以0.5毫安为步长调整刺激幅度。</li>
	<li>在整个定位过程中，根据主治外科医生的判断调整刺激幅度（2至15 mA）。患者在显示器上观看刺激内容，并可说话以及活动前臂和手部。</li>
</ol>
5. 术中直接电刺激定位期间获取研究级数据的操作步骤
<ol>
	<li>所有术中认知测试均在名为“StrongView”的定制软硬件系统上进行&#160;，该系统可在 www.openbrainproject.org 获取。硬件系统集成于一个小推车内，配备独立备用电池电源、扬声器、键盘和触摸显示屏。负责运行认知测试的人员可启动、停止和暂停刺激呈现，同时在手术过程中持续记录音频和视频。</li>
	<li>在推车上配置音频系统，使用一个对准患者口腔的指向性麦克风，并通过分路器输出信号。分路器的一个通道经放大器直接连接至扬声器，使外科医生和研究人员能够在手术室背景噪音中清晰听到患者的回答，且无任何可感知延迟（即消除“回声”效应）。分路器的第二个通道连接至移动推车上的计算机，在该计算机上进行时间戳标记、记录和存储（这些文件用于离线分析）。StrongView 还配备一套独立（独立运行）的音频系统，包括另一个对准患者口腔的指向性麦克风、一个对准外科医生的指向性麦克风，以及一个置于手术室角落的“环境噪声”麦克风，用于采集环境背景音，以便从主音频文件中减去噪声。这三个音频通道输入至 MIDI 设备，并传输至第二台计算机，分别记录各通道数据。该第二套音频系统在主系统发生故障时提供冗余保障，确保患者所有言语反应均可用于离线分析。</li>
	<li>使用手术室（OR）桌夹将市售的乙醚屏L型支架固定于手术台。将可调节臂（例如 Manfrotto 244 可变摩擦魔术臂）连接至乙醚屏L型支架，这些可调节臂用于支撑患者显示器、指向性麦克风、对准患者面部的摄像机，以及一个辅助显示器，以便研究团队成员或手术室护士在与患者互动时能清晰查看患者所见内容。</li>
	<li>将显示器、麦克风和摄像机所需的所有电缆沿可调节臂布线，并用魔术贴固定的塑料管加以保护。 
	注意：所有这些设备均无需灭菌，因其始终位于手术区域的非无菌侧（图1）。这种支撑刺激呈现和反应记录设备的方式，能够灵活适应因患者体位不同而变化的认知测试人体工程学需求，同时为设备安装提供可靠稳定的平台。此外，重要的是，由于所有显示器、麦克风和摄像机均通过单一装置（乙醚屏L型支架）连接至手术台，即使术中调整手术台位置，也不会影响测试设置。（注： 图1 所示设置来自早期一代系统，当时使用地面支架支撑患者屏幕、麦克风和摄像机；自2018年起，该地面支架已被乙醚屏L型支架取代）。此外，出于患者安全考虑，若出现紧急情况需立即无障碍接触患者（例如接触患者气道），整个认知测试装置可在20秒内迅速拆除。</li>
	<li>StrongView 的核心是一套灵活的软件系统，用于 i) 向患者呈现刺激（视觉、听觉）并记录患者反应（言语、按键反应、视频）；ii) 在时间上同步记录所有实验相关事件和测量数据（刺激呈现、ECoG、直接电刺激探针与脑组织接触、患者反应）；iii) 与颅脑导航系统通信，以获取每次直接电刺激应用的三维坐标。StrongView 支持在线重新校准实验变量，如刺激持续时间、刺激间间隔、随机化设置、刺激重复次数或刺激区块数量，并可控制患者视频和音频通道。StrongView 将患者摄像机视频、实时ECoG数据以及患者当前正在观看/收听的刺激内容流式传输至桌面显示器，同时镜像显示在供外科医生直视的大屏幕上。</li>
	<li>将光电二极管连接至患者显示器，并接入ECoG放大器的一个开放通道。此设置可在每次刺激呈现与ECoG记录之间提供时间同步，用于离线分析。</li>
	<li>在外科团队所有病例中均使用颅脑导航硬件和软件（在罗切斯特大学使用德国慕尼黑 BrainLab 公司产品），基于术前MRI进行术中颅脑导航。该系统为光学系统，由一组摄像头组成，用于观察手术区域，并通过固定在手术台上的注册星标实现患者头部的定位（见 图1）。
	<ol>
		<li>具体而言，在患者固定于头架后、铺巾前，利用患者面部特征将患者头部与术前MRI进行配准。此步骤可将术前MRI（功能和结构图像）与手术台上患者大脑实现精确对齐。</li>
		<li>将第二个（更小）注册星标连接至双极刺激器（见 图1），用于注册刺激器在手术区域中的长度和位置。此配置使研究团队能够获取每次刺激点的精确位置以及切除范围相对于术前MRI的空间关系。如前所述，StrongView 与颅脑导航系统（在罗切斯特大学为 BrainLab，通过 IGT link 连接）相连，以实现实时流式传输（并加时间戳）直接电刺激映射的坐标数据。目前 StrongView 正在开发与其他颅脑导航系统（例如 Stryker）的接口。 
		注意：支持认知和fMRI实验施测与数据采集的 StrongView 功能模块，以及测试库，将在 OpenBrainProject.org 以开放获取形式提供。完整发布前，可通过联系通讯作者获取测试版本。包含与皮层脑电图（Electrocorticography）和颅脑导航软件集成的硬件系统的完整 StrongView 套件，可通过联系通讯作者向临床医生和科研人员提供。这些数据采集工具将与2020年在 OpenBrainProject.org 推出的后处理流程和开放数据联盟相整合。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

一项临时专利（美国临时专利号 62/917,258）已提交申请&#160;11/30/18 用于 &#34;StongView：一种集成的硬件/软件系统，旨在促进清醒脑外科手术期间的认知测试，并支持实时分析以预测患者预后。&#34;

从罗切斯特大学转化脑图谱项目（Program for Translational Brain Mapping）的建立经验中，可以提炼出两个核心要素。第一，&#160;在认知科学家、神经肿瘤学家、神经心理学家、癫痫学家、神经生理学家、神经麻醉学家、神经外科医生及其各自的技术支持人员和行政支持人员之间建立了结构化的沟通渠道。这使得患者（包括紧急的高级别肿瘤患者）能够在手术前有足够的时间接受术前评估，并及时将分析结果反馈给外科医生。脑图谱项目成功的关键第二个要素是，将培训机会纳入其中，面向本科生、研究生（硕士、博士）、医学生，以及神经外科、神经病学和神经放射学的住院医师和进修医师。这两个要素的结合，使所有临床服务提供者都能参与到脑图谱项目的科学目标中，同时确保基础科学研究目标与优化每位患者临床结局的临床目标紧密结合。

为了切除邻近支持重要认知功能脑区的脑肿瘤或致痫组织，神经外科手术必须在手术的临床目标（尽可能多地切除肿瘤或致痫组织）与避免损伤可能导致神经功能缺损的健康脑组织之间取得平衡。在脑肿瘤手术背景下，这种平衡被称为“肿瘤-功能平衡”（onco-functional balance）。在平衡的“肿瘤”侧，外科医生希望尽可能广泛地切除肿瘤，因为“肉眼全切肿瘤”的切除率与更长的生存期相关1,2。在“功能”侧，肿瘤切除可能损伤认知相关的皮层及皮层下结构；术后可能出现语言、动作、视觉、听觉、触觉或运动功能障碍，具体取决于所累及的神经系统。肿瘤-功能平衡至关重要，因为更高的发病率与以下因素密切相关：i) 生活质量下降，ii) 术后并发症增加，进而可能提高死亡率（例如，丧失行动能力的患者发生血栓的风险更高3,4）。在脑肿瘤手术中固有的“肿瘤-功能”平衡张力同样适用于癫痫手术——在后者中，平衡的关键在于既要完全切除产生癫痫发作的组织，又要避免损伤支持关键功能的脑组织。
从广义上讲，功能神经解剖学在个体之间具有高度的刻板一致性。然而，高级皮层功能在精确（即毫米级）定位上可能存在显著的个体间差异。此外，人们普遍认为，皮层或皮层下病变的存在可能引发皮层重组，但驱动此类重组的机制尚不明确5。神经外科手术的操作精度以毫米计。因此，为了明确在特定患者中，哪些脑区支持何种感觉、认知和运动功能，对每位患者的脑功能进行详细、敏感且精确的定位 mapping 至关重要6。
罗切斯特大学转化脑图谱计划旨在满足在多位学术型外科医生参与的高通量临床实践中进行个体化脑图谱绘制的需求。脑图谱计划的协同目标是：i) 利用认知神经科学工具推进个体化神经医学的发展，生成针对患者的特异性功能性脑图谱；以及 ii) 利用神经外科干预的临床准备过程，检验关于人类大脑功能机制的假设。

罗切斯特大学医学中心的转化脑图谱研究：通过个性化脑图谱保护大脑功能

Translational Brain Mapping at the University of Rochester Medical Center: Preserving the Mind Through Personalized Brain Mapping

罗切斯特大学的转化脑图谱计划是一项跨学科工作，整合了认知科学、神经生理学、神经麻醉学和神经外科学。对于脑部功能区存在肿瘤或致痫组织的患者，术前采用功能性和结构性磁共振成像进行研究，术中则应用直接电刺激定位技术进行脑功能 mapping。术后神经与认知功能的结果指标为探索影响手术预后优劣的因素以及如何进一步优化脑图谱技术以确保未来患者获得最佳疗效等基础科学研究提供了依据。本文中，我们描述了这一跨学科工作流程，该流程使我们的团队能够协同实现优化患者预后和推进人类大脑科学认知的双重目标。

图2,&#160;图3，以及&#160;图4&#160;展示三名脑部肿瘤邻近功能区患者的术前功能与结构定位的代表性结果。图中所示发现 图2,&#160;图3，以及&#160;图4&#160;旨在说明（而非全面总结）为每位患者生成的图谱类型。有关所展示病例的详细信息，请参见 图2,&#160;图3，以及&#160;图4&#160;可在： 图2 （Chernoff，Teghipco，Garcea，Sims，Belkhir，&#160; Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon，待发表51),&#160;图3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher 和 Mahon, 2019)52），以及 图4 (Garcea 等，2017)16）。将胶质瘤患者连续纳入统一方案的一个重要结果是，能够进行群体水平的分析，以评估脑肿瘤对脑网络功能和组织结构的影响。作为此类分析的一个示例， 图5 展示了一项近期研究的结果 14&#160;发现左侧顶叶皮层的肿瘤会调节颞叶对“工具”（小型可操作物体）的神经反应，这是被称为动态跨损伤效应（dynamic diaschesis）这一更普遍现象的一个实例53.&#160;
<img alt="图1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig1.jpg" /> 
图1.&#160;用于术外和术中认知测试的设备概述 (A高通量认知神经心理学测试的示例设置，由神经外科系脑功能转化绘图项目实施&#160;罗切斯特大学医学中心。确保所有招募患者均能完成所有计划检测的关键要素包括： i) 供患者就座并完成检测的空间，可根据每位患者的体型完全调节，包括一把专为减轻疲劳而设计的座椅，以及 ii) 将认知/行为测试区域在物理空间上紧邻 MRI 检查室设置。这些设计使得受试者能够在同一检查周期内完成功能性和结构性 MRI 扫描，同时采集核心行为学数据。当受试者处于舒适状态时，其完成的试验数量更多、表现更佳，尤其对于伴有其他共病的老年受试者群体而言，长时间静坐可能引起不适，此类布局更显重要。B) 术中绘图所用设备。左侧图像显示患者在铺巾前的状态（右侧为铺巾后）。铺巾前，认知科学团队会设置其设备，包括用于记录患者的音频和视频 recorder、置于患者视线前方的显示器，以及第二个显示器，以便与患者互动的人员能够清楚看到患者当前注视的刺激内容（详见“操作步骤”）。C) 带有注册星的双极刺激器，用于记录术中刺激位置在术前MRI DICOM空间中的坐标。通常在手术过程中硬脑膜已被牵开、患者正从全身麻醉中苏醒时，会有几分钟时间用于将双极刺激器与手术视野进行注册。此操作必须由已刷手上台的团队成员（即主刀医师、住院医师或刷手技术员/护士）完成。具体方法是将一个小型注册星连接至双极刺激器，并按照颅脑导航系统的提示，在系统中注册新的手术器械。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="图2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig2.jpg" /> 
图2术前功能磁共振成像及弥散张量成像在患者AH中的应用&#160;左侧下顶叶胶质瘤侵犯弓状束。 (A术前T1加权磁共振成像及左侧弓状束与胶质瘤的三维重建. 弓状束以橙色显示，阈值为5%，肿瘤以蓝色重建。B术前功能磁共振成像. 受试者完成了多次功能性磁共振成像扫描，每次扫描均旨在定位预期邻近手术干预区域的特定功能。所有功能图谱均以FDR q值进行阈值处理 &#60; 0.05 或更高水平。蓝色区域表示命名工具与命名动物时表现出差异性神经反应的体素；与本实验室先前使用相同刺激材料的研究一致，识别出一个涉及前运动区、顶叶以及外侧和腹侧颞叶区域的显著网络7,8,9,10,14,15,17,18,19,20,21,22,28患者还被要求执行一项数量判断任务，即判断两组点云中哪一组包含更多的点；这两组点云所含点的数量可以相近（困难比较，比例 = 0.8），也可以差异较大（容易比较，比例 = 0.25）。图中绿色区域表示在处理困难比例刺激（比例 = 0.8）与容易比例刺激（比例 = 0.25）时，神经反应存在差异的体素。 54,55）。同时要求患者活动手和脚（屈曲/伸展或旋转）25）。红色区域表示在执行右手运动与右脚运动时表现出不同神经反应的体素。最后，要求患者在30秒内尽可能列举出多个属于特定类别的项目（例如“在厨房里做的事情”、“动物”、“以字母‘F’开头的单词”等）。紫色区域表示在大声说出词语时与静息/注视状态相比表现出不同神经活动的体素。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="图3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig3.jpg" /> 
图3.&#160;术前额斜束及邻近U形纤维的白质纤维束成像。 转化脑图谱计划中的先前经验&#160;（Chernoff 等，2017）56) 结合对额斜束邻近胶质瘤患者的脑图谱研究，表明该通路（即使是部分）横断可能与自发语言流畅性障碍相关，而口语重复能力则可能保持完整。此前的经验被用于指导患者AI术前对额斜束的定位 mapping11. (A冠状切面显示额斜束（蓝色至浅蓝色）和U形纤维（红色至黄色）。额斜束位于胶质瘤前方及内侧。B) 从多个角度呈现额斜束（蓝色）和肿瘤（红色）的3D渲染图像。术前解剖学研究（图A和图B）表明，在肿瘤切除结束时，可通过直接电刺激定位来确定肿瘤的前缘边界。因此，我们基于既往经验设计了一项新的语言任务，专门用于检测对额斜束的电刺激是否会干扰语法短语边界的句子生成。C) 对额斜束的直接电刺激会不同程度地干扰语法短语边界的句子生成。视频中的截图（图C左侧）显示了患者、呈现给他的刺激材料、外科医生手持双极刺激器接触肿瘤前缘处的额斜束，以及当前刺激位置（红点）在冠状面和矢状面图像上相对于额斜束（蓝色）的位置。患者的任务是描述目标图形相对于参照图形位置的空间关系（对于所示试验，正确回答应为： &#34;红色方块位于红色菱形下方。我们发现，刺激额斜束会干扰句子的产生，且在新的语法短语开始时干扰作用尤为明显（C 面板，右侧图表；有关该患者术中 Mapping 过程的视频，请访问 www.openbrainproject.org）。这一观察结果引出了一项关于额斜束在句子产生中作用的新假说：句法位置元素的组合约束（SCOPE）假说11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="图4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig4.jpg" /> 
图4．一名右后颞叶胶质瘤专业音乐家的术前功能性和结构性 MRI 及术中直接电刺激定位图。（A）术前 fMRI 定位高级视觉处理、语言产生和工具知识相关脑区。肿瘤呈黄色阴影，位于右颞叶，可通过右上颞沟观察（为便于可视化，沟回略有展开）。由于肿瘤邻近外侧颞皮层的运动处理区域，我们通过比较患者注意移动点阵列时与静止点阵列所诱发的神经活动差异，来定位 MT/V5 区；对运动与静态点表现出差异性神经反应的体素以紫色-白色色标显示（我们感谢 Duje Tadin 在开发此功能定位任务中的帮助）。与“转化脑图谱计划”中所有其他病例（例如 图2、图3）相同，将命名常见图片时表现出差异性神经反应的体素与观看相位打乱的相同图像的基线状态进行比较，结果以绿色-白色色标显示。该对比识别出双侧外侧枕叶复合体、双侧中/上颞回以及运动皮层（与言语运动活动相关）。同样如 图2 所示，命名“工具”时表现出差异性神经反应的体素位于左侧下顶小叶、双侧上顶叶/背侧枕皮层以及左侧后部中/下颞回（蓝色-白色色标）。最后，再次参照 图2，要求患者完成一项言语流畅性词语生成任务。与静息基线相比，与词语生成相关的体素以红色-白色色标显示，发现位于左侧额下回（布罗卡区）、上颞/下顶皮层以及言语运动系统。（B）患者在术前完成了多个专门用于音乐处理定位的功能性 MRI 实验。其中一项实验参考了 Greg Hickok 实验室先前的研究57，患者聆听短钢琴旋律并需哼唱复述，或聆听短句并重复复述。大脑上以红紫色色标显示的是对音乐刺激相较于语言刺激表现出差异性神经活动的体素。四名伊士曼音乐学院的研究生完成了相同的 fMRI 实验；在匹配的健康对照组中，相同功能对比所识别出的脑区边界以绿色轮廓线标出。此外，另有10名神经外科患者也在其治疗的术前阶段完成了相同的实验。尽管这10名患者的直接目标是识别语言反应区域（通过语言＞音乐的对比），但音乐＞语言的对比同样识别出右上颞回一个非常相似的区域（来自这10名对照神经外科患者的该功能区域边界以浅蓝色绘制）。（C）基于 DTI 数据的术前概率性纤维束成像，显示右耳听辐射和弓状束与患者 AE 肿瘤的空间关系（5% 阈值，叠加于原始 T2 加权图像上）。（D）手术过程中，患者 AE 执行了与 fMRI 相同的任务：聆听短钢琴旋律后哼唱复述，或聆听短句后重复复述。结果发现，对右后上颞回施加直接电刺激会干扰旋律复述任务的表现（部分试验中），但对该句重复任务的表现无任何影响（所有试验中均未受影响）（参见 www.openbrainproject.org 获取术中音乐功能定位视频）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="图5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig5.jpg" /> 
图5.&#160;特定领域去传入作用的演示：在罗切斯特大学医学中心脑功能定位转化研究项目中，术前接受研究的一组胶质瘤患者，其病灶位置与刺激诱发的神经活动关系分析。 对所有进入罗切斯特大学医学中心脑功能定位转化研究项目的患者实施相同的一套功能性磁共振成像（fMRI）和行为学研究，其重要结果之一是能够对连续纳入的较大规模患者群体进行组水平分析。例如，图5 展示了一项基础科学假设的检验结果，即颞叶对“工具”类刺激的神经反应会受到顶叶皮层输入的实时调节。如果该假设成立，那么顶叶皮层的病灶（肿瘤）应会改变颞叶对“工具”类刺激的神经反应，并且不同患者在颞叶对“工具”类刺激的神经活动差异应与顶叶皮层是否存在病灶（肿瘤）相关。（A）在组水平上（逻辑回归），利用患者间颞叶腹侧内侧梭状回神经反应的变异来预测顶叶皮层病灶的存在。（B）在组水平上（逻辑回归），利用病灶/肿瘤是否累及前部顶内沟（aIPS）的变异来预测内侧梭状回对“工具”类刺激的神经反应。A和B两个图示所总结的结果代表了一种动态去传入作用的实例53，此处为“特定领域”的动态去传入作用，因为病灶位置与神经活动之间的关系受到所处理刺激类型的影响（即，这种关系存在于“工具”类刺激，而不存在于“场所”、“面孔”或“动物”类刺激）。更多详细信息请参见Garcea及其同事的研究14。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本文概述了一项多模态脑图谱计划，旨在识别支持个体神经外科患者关键认知功能的脑区。

罗切斯特大学的转化脑图谱计划是一个跨学科项目，整合了认知科学、神经生理学、……

所有脑肿瘤手术的目标都是实现所谓的最大安全切除。这意味着我们希望尽可能切除全部肿瘤，同时避免对周围正常脑组织造成任何不良影响。在进行位于功能区皮层的脑肿瘤手术之前，患者需加入转化脑图谱绘制项目并入院接受评估。我们从功能磁共振成像扫描中获得的所有信息实际上都被用于改善患者手术时的治疗效果。该患者在手术前接受了功能磁共振成像检查，评估结果显示肿瘤位于额上回，紧邻运动皮层前方。检查结果还显示，肿瘤区域上方不存在直接的语言功能区。结果显示，辅助运动区的语言表征局限于对侧半球。最后，DTI分析揭示，额斜束位于肿瘤前缘的前方。我们通常以侧卧位开始进行优势半球额叶肿瘤切除术，但随后会将患者稍向后旋转，以避免使用腋下垫卷。我们在患者周围放置枕头和其他泡沫装置，以确保患者在术中唤醒期间，即在脑功能定位过程中保持一至两个小时的清醒状态时，能够感到舒适。然后安装Mayfield头架，并将头架置于头皮上方。接着在三个固定针将要放置的位置注射局部麻醉剂。我们将Mayfield固定装置连接至手术台和颅骨。然后使用颅脑导航系统，将患者头部与术前MRI图像进行配准。在罗切斯特大学，我们采用Brainlab进行术中导航，该系统在多个层面上均表现出极佳的性能。手术中一个非常重要的步骤是实施局部麻醉阻滞。我们每个病例通常使用约30-40毫升的局部麻醉药。阻滞的第一步是沿着切口全长直至颅骨进行浸润注射。然后进行区域阻滞，此处包括眶上神经、耳颞神经和枕大神经的阻滞，接着进行深部肌肉阻滞，以阻滞颞肌及耳部上方区域。与此同时，当我们在舒适地安置患者体位时，神经生理学团队正在为即将开展的术中监测做准备，认知科学团队也在架设他们的设备。当患者在手术室中苏醒时，其眼前会放置一个小型显示器，该显示器上连接有麦克风、扬声器和摄像机。这使得我们能够在手术室中复制出与术前对患者进行功能磁共振成像（fMRI）研究时完全相同的操作环境。手术台上方开放式设计的优势在于，麻醉医师、执业护士、认知科学家以及神经生理学团队在手术过程中均可充分接触患者的全身各个部位。我们制备了一个足够大的颅骨窗，以便对大部分运动皮层进行映射。这将使我们能够对中额回内的任何语言功能区域进行定位。同时，该颅骨窗也足够大，可使我们获取位于上额回前部的肿瘤前缘。这使得我们在本病例中的方法与那些从肿瘤直接切除区域获取阴性反应的更简约方法有所不同。当头皮完全打开后，我们在此病例中首先标记出肿瘤的位置，标出中线，然后开始确定钻孔的位置以及锯切的路径。一旦硬脑膜完全打开，并且桥静脉已从硬脑膜内侧得到保护并分离，下一步目标便是将皮层电图设备连接至颅骨固定钳，以便我们能够在整个手术过程中检测放电阈值并进行皮层电图记录。在开始手术的脑功能定位部分之前，我们使用颅脑导航系统（本例中为 Brainlab）将双极刺激器与术前 MRI 图像空间进行配准。这使得我们能够记录每次直接电刺激位置的三维坐标。术后，我们可以进行定量分析，将术前功能 MRI 与术中刺激定位的结果以及最终的患者预后相关联。在脑功能定位过程的最初阶段，我们通常首先进行运动功能定位。从舌区开始，让患者伸出舌头，然后以非常低的毫安电流水平（通常为1.0至5毫安）进行刺激，观察是否出现舌头回缩或面部运动，以判断我们是否成功定位了运动功能。啊，看看他的手。手腕旋转。告诉我是否有任何刺痛感。右肘？右肘，很好。你看过教科书了。告诉我现在是否有任何刺痛感。啊，右侧颈部。在这里上方？更靠后一些。在此区域，肿瘤似乎正好终止于此处。此处对应手指、手、腕部和手臂的运动功能区。腿部运动功能区极有可能就位于此处。这些区域全部属于感觉区，我们在手部以及一直延伸到肩部和颈部的区域都获得了非常好的感觉反应。因此，目前的目标是在患者主动参与的情况下，继续对肿瘤进行 Mapping，以定位足部的运动功能区，因为肿瘤的后缘区域是我们希望切除的关键部位，同时必须避免造成腿部无力。我们决定从肿瘤的后缘开始切除，该位置紧邻运动皮层的前方。这一决策的目的是，在患者保持清醒且完全配合的情况下，首先从后部开始减瘤，以识别下肢运动皮层前方的肿瘤包膜，从而剥离附着于其上的肿瘤组织以及可能受肿瘤浸润的白质。在患者同时进行上肢和下肢不同功能任务的过程中，我们得以在肿瘤与中央区相交的部位将其完整切除。完成这一初始切除后，我们便可进一步开展肿瘤前部的切除操作，并进行前部肿瘤的减容。我们认识到，如果患者后续配合能力发生变化，手术中最危险的部分已经成功完成。准确报告患者的移动情况和灵巧程度极为重要。在此特定案例中，执业护士苏珊·史密斯（Susan Smith）已与我们合作开展此类手术超过20年，拥有数百例类似手术的经验，她的报告构成了手术团队极为重要的一部分。检查他的足部。将脚向上、向下活动。活动你的脚趾，用力向下压我的手，再用力向上抬，动作要有力、到位。谢谢你，Sue。不客气。在肿瘤位于额上回更靠前部的类似病例中，我们已能够在术前通过弥散张量成像（DTI）识别出额斜束的受累情况，并成功利用皮层下电刺激定位技术对额斜束进行功能定位。黄色三角形位于红色菱形上方。绿色圆圈在上方。继续操作。我们显然已向患者及其家属警告可能会出现一过性SMA综合征。我们未尝试定位辅助运动区，因为该区域已完全被肿瘤累及。事实上，术后患者出现了轻微的 SMA 综合征，伴有部分表达性失语、轻度不协调，以及右侧上肢极轻微的运动控制能力下降。但这些症状迅速消退，到术后第 5 天出院时，患者的神经系统检查已完全恢复正常。在过去的几年中，随着我们转化脑图谱项目的不断发展，以及与认知科学领域同事日益紧密的合作，我们已逐步建立起灵活的能力，可根据肿瘤的位置以及患者的具体需求，量身定制手术方案及术中脑功能定位的组成部分。因此，我们现已在数字认知和数学能力的定位方面积累了丰富的经验。53 加 18 等于 71。65 加 16 等于 81。我们还在语言功能不同方面的定位方面积累了丰富的经验，包括命名、阅读和复述。这是一个在，inger。这是一个热的口腔。此外，我们最近还开发了在非优势半球绘制音乐功能图谱的能力。脑部定位技术真正使我们能够在手术中尽可能彻底地切除病灶，同时为肿瘤周围需要保留的脑组织提供安全边界。每次对脑肿瘤或癫痫患者进行手术时，我们都有机会进一步了解大脑的奥秘。

translational-brain-mapping-at-university-rochester-medical-center

Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

罗切斯特大学医学中心的转化脑图:通过个性化大脑映射保护大脑

本文研究了Theta-Burst经颅磁刺激对脆性X综合征患者以及自闭症谱系个体大脑皮层可塑性的影响。...

TMS：使用theta爆发模式探究脆性X综合征和自闭症患者突触可塑性的机制

神经影像学技术，如功能性磁共振成像和弥散张量成像，在表征自闭症的认知与神经功能缺陷方面正变得越来越重要。本文介绍了在自闭症中从网络水平对脑连接性进行研究，并讨论了针对发育障碍儿童扫描的适应性方法。...

利用fMRI和弥散张量成像研究自闭症中的大脑

在本研究中，作者首次报道了一种新型的3D沉浸式 &amp;#38; 通过患者大脑μ-阿片系统在自发性偏头痛发作期间的变化实现交互式神经导航（3D-IIN） 体内.

3D-神经导航 在体 内 通过患者大脑观察自发性偏头痛发作期间的变化

系统化的脑组织切片程序对于将特定的神经精神现象与明确的神经病理学诊断相关联至关重要。根据不同的临床与学术需求，脑组织切片方法存在多种差异。本方案描述了一种对称的双半球脑切片程序，旨在研究人类脑病理学中的半球差异，并最大限度地利用当前及未来的生物分子/神经影像技术。...

对称双半球尸检脑组织切取技术用于研究人类健康与病理脑状态

本文描述了一种用于容积性磁共振成像（MRI）数据分析的统计模型，该模型可识别在亨廷顿病临床前阶段脑萎缩开始的"变化点"。基于采用T1加权图像的图谱引导分割流程所获得的脑体积数据，实现了全脑范围内的变化点定位图谱绘制。...

全脑分割与解剖学脑部MRI的变点分析——在亨廷顿病前驱期中的应用

我们演示了在儿童中对运动皮层进行调控（经颅直流电刺激、高分辨率经颅直流电刺激）和定位（机器人经颅磁刺激）的实验方案。...

发育中大脑运动皮层的非侵入性调控与机器人定位 mapping

利用实时功能磁共振成像（fMRI）实验装置，可促进动物脑功能图谱的研究。通过在动物磁共振成像系统中采用最新的软件，我们建立了一个用于小型动物fMRI的实时监测平台。...

动物实时fMRI脑图谱绘制

我们描述了将经携带双报告基因载体（表达荧光素酶-绿色荧光蛋白（GFP））转导的人类神经前体细胞移植至小鼠脑实质内的方法。移植后，利用活体成像系统反复检测荧光素酶信号。 体内 利用荧光显微镜在脑组织切片中鉴定表达生物发光和GFP的移植细胞。...

颅内移植与 体内 小鼠大脑中人神经前体细胞的生物发光示踪

本方案提供了一种结合（的逐步操作流程，用于对数十个死后人类脑切片进行快速且同步的光学透明化、多轮标记及三维体积重建SWITCH - H2O2 - 抗原 R2,2'-硫代二乙醇的提取TDE])...

大规模人脑成像中用于光片荧光显微镜的光学透明化与标记技术

一种结合多种磁共振成像（MRI）数据模态指导下的个性化经颅磁刺激与脑电图（TMS-EEG）皮层网络定位的新方案。...

神经影像引导的经颅磁刺激–脑电图用于实时皮层网络定位

获取动态正电子发射断层扫描（PET）数据并将其重建为时间帧，可实现单个受试者水平的脑代谢连接性分析。本文描述了一种获取大鼠脑部[18F]FDG动态PET数据的方法，并通过提取感兴趣区域的时间-放射性活度曲线来获得连接性矩阵。...

在单受试者水平上利用2-脱氧-2-[18F]氟-D-葡萄糖动态正电子发射断层扫描研究脑代谢连接性

了解罗切斯特大学医学中心的多模态脑图技术，通过功能磁共振成像和术中电刺激映射，精确定位运动与语言功能区，实现脑肿瘤最大安全切除并保护患者神经功能。

罗切斯特大学医学中心的转化脑图谱研究：通过个性化脑图谱保护大脑功能

探索更多视频