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Research Article
Pantelis Lioumis1,2, Salla Autti1,2, Juha Wilenius2,3, Selja Vaalto1,2,3, Henri Lehtinen3,5, Aki Laakso4, Erika Kirveskari3, Jyrki P. Mäkelä2, Mia Liljeström1,2, Hanna Renvall1,2
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
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Die navigierte repetitive transkranielle Magnetstimulation ist ein hocheffizientes, nicht-invasives Werkzeug zur Kartierung sprachbezogener kortikaler Areale. Es hilft bei der Planung von Gehirnoperationen und beschleunigt die direkte kortikale Stimulation, die während der Operation durchgeführt wird. Dieser Bericht beschreibt, wie man ein sprachkortikales Mapping für die präoperative Evaluation und Forschung zuverlässig durchführt.
Die kortikalen Areale, die an der menschlichen Sprache beteiligt sind, sollten vor einer Operation bei Hirntumoren oder medikamentenresistenter Epilepsie zuverlässig charakterisiert werden. Die funktionelle Kartierung von Spracharealen für die chirurgische Entscheidungsfindung erfolgt in der Regel invasiv durch elektrische direkte kortikale Stimulation (DCS), die verwendet wird, um die Organisation der entscheidenden kortikalen und subkortikalen Strukturen innerhalb jedes Patienten zu identifizieren. Eine genaue präoperative nicht-invasive Kartierung unterstützt die chirurgische Planung, reduziert Zeit, Kosten und Risiken im Operationssaal und bietet eine Alternative für Patienten, die nicht für eine Wachkraniotomie geeignet sind. Nicht-invasive bildgebende Verfahren wie MRT, fMRT, MEG und PET werden derzeit in der präoperativen Planung und Planung eingesetzt. Die anatomische und funktionelle Bildgebung kann zwar die an der Sprache beteiligten Hirnregionen identifizieren, aber sie können nicht feststellen, ob diese Regionen für die Sprache entscheidend sind. Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) erregt nicht-invasiv die kortikalen neuronalen Populationen mittels elektrischer Feldinduktion im Gehirn. Wenn es im repetitiven Modus (rTMS) zur Stimulation einer sprachbezogenen kortikalen Stelle eingesetzt wird, kann es sprachbezogene Fehler erzeugen, die denen entsprechen, die durch intraoperatives DCS induziert werden. Die rTMS in Kombination mit der Neuronavigation (nrTMS) ermöglicht es Neurochirurgen, präoperativ zu beurteilen, wo diese Fehler auftreten, und das DCS und die Operation so zu planen, dass die Sprachfunktion erhalten bleibt. Ein detailliertes Protokoll für das nicht-invasive sprachkortikale Mapping (SCM) unter Verwendung von nrTMS wird hier bereitgestellt. Das vorgeschlagene Protokoll kann so modifiziert werden, dass es den patienten- und standortspezifischen Anforderungen am besten entspricht. Es kann auch auf sprachkortikale Netzwerkstudien bei gesunden Probanden oder bei Patienten mit Krankheiten, die nicht operativ sind, angewendet werden.
Bei neurochirurgischen Eingriffen aufgrund einer zerebralen Erkrankung (z. B. Epilepsie oder Tumor) muss das Ausmaß der Resektion optimiert werden, um Hirnregionen zu erhalten, die kritische Funktionen unterstützen. Bereiche, die für die Integrität und Lebensqualität des Patienten von entscheidender Bedeutung sind, wie z. B. sprachbezogene Bereiche, sollten vor der Entnahme von Hirngewebe charakterisiert werden. In der Regel können sie nicht allein anhand anatomischer Orientierungspunkte individuell identifiziert werden1. Die funktionelle Kartierung von Spracharealen für die chirurgische Entscheidungsfindung erfolgt in der Regel invasiv durch elektrische direkte kortikale Stimulation (DCS), die es dem Neurochirurgen ermöglicht, die Organisation der entscheidenden kortikalen und subkortikalen Strukturen innerhalb jedes Patienten zu verstehen2. Obwohl die DCS während der Wachchirurgie als Goldstandard der kortikalen Kartierung von Sprachfunktionen gilt, ist sie durch ihre Invasivität, methodischen Herausforderungen und den hohen Stress, den sie sowohl für den Patienten als auch für das Operationsteam darstellt, begrenzt. Dieses Protokoll beschreibt das nicht-invasive sprachkortikale Mapping (SCM) mittels navigierter transkranieller Magnetstimulation (navigierte TMS oder nTMS). Eine genaue, nicht-invasive Kartierung hilft bei der Operationsplanung und reduziert den Zeitaufwand, die Kosten und die Risiken im OP. Es bietet auch eine Alternative für Patienten, die nicht für die Wachkraniotomie3 geeignet sind.
Nicht-invasive bildgebende Verfahren haben der präoperativen Planung bereits große Vorteile gebracht. Die anatomische Magnetresonanztomographie (MRT) ist entscheidend für die Lokalisierung von Tumoren und Hirnläsionen. In der Neuronavigation4 und im navigierten TMS-Mapping5 führt es den Bediener zu den interessierenden kortikalen Stellen. Die diffusionsbasierte MRT-Traktographie (dMRT) liefert detaillierte Informationen über die Faserbahnen der weißen Substanz, die kortikale Regionen verbinden 5,6. In den letzten zehn Jahren wurden funktionelle Bildgebungsverfahren, insbesondere funktionelle MRT (fMRT) und Magnetenzephalographie (MEG), zunehmend für die präoperative motorische und sprachkortikale Kartierung (SCM) eingesetzt2,8,9. Jede Methode bringt Vorteile für das präoperative Kartierungsverfahren mit sich und kann z.B. Informationen über die funktionell verwandten Regionen außerhalb der konventionellen Sprachareale (Broca- und Wernicke-Areale) liefern. Die fMRT ist aufgrund ihrer hohen Verfügbarkeit die am häufigsten verwendete Methode1; Es wurde mit DCS bei der Lokalisierung sprachbezogener Bereiche mit variablen Ergebnissen verglichen 2,10. Die funktionelle Bildgebung kann zwar die betroffenen Hirnregionen identifizieren, aber nicht feststellen, ob diese Regionen für den Erhalt der Funktion entscheidend sind.
Die navigierte repetitive TMS (nrTMS) wird heute als Alternative zu den oben genannten Methoden für die präoperative nicht-invasive SCM eingesetzt11,12. nrTMS SCM ist besonders effizient bei der Identifizierung sprachbezogener kortikaler Bereiche innerhalb des Gyrus frontalis inferior (IFG), des Gyrus temporalis superior (STG) und des Gyrus supramarginalis (SMG)11,13. Ein Vorteil der Methode besteht darin, dass die Offline-Analyse der durch die Stimulation hervorgerufenen Fehler es dem Analysator ermöglicht, die Stimulationsstelle nicht zu kennen. Es ist somit möglich, den Fehler zu beurteilen, ohne a priori Informationen über die Relevanz der kortikalen Stelle für das Sprachnetzwerk zu erhalten. Ermöglicht wird dies durch eine Videoaufzeichnung, die es dem Analysator ermöglicht, feine Unterschiede in Fehlern, wie z.B. semantische und phonologische Paraphasien, zuverlässiger zu unterscheiden als bei der eigentlichen Untersuchung11,12. Der nrTMS-SCM-Ansatz übertrifft derzeit die Leistung der MEG- oder fMRT-Sprachkartierung allein10,14, und zusätzliche funktionelle oder anatomische Informationen können zur Feinabstimmung des nrTMS-Verfahrens verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass die präoperative Kartierung mit nrTMS die Operationszeiten verkürzt und die erforderliche Größe der Kraniotomie sowie die Schädigung des eloquenten Kortex reduziert15. Es verkürzt die Zeit des Krankenhausaufenthalts und ermöglicht eine umfangreichere Entfernung von Tumorgewebe, wodurch die Überlebensrate der Patienten erhöhtwird 15. nrTMS wurde anhand des intraoperativen DCS-Mappings validiert; Insbesondere ist die Sensitivität der nrTMS bei SCM hoch, aber ihre Spezifität bleibt gering, mit übermäßigen Fehlalarmen im Vergleich zur DCS13,16.
Derzeit kann die prächirurgische nicht-invasive SCM mit nrTMS bei der Auswahl des Patienten für die Operation helfen, bei der Planung der Operation helfen und die während der Operation durchgeführte DCS beschleunigen17. Hier wird detailliert beschrieben, wie nrTMS SCM durchgeführt werden kann, um zuverlässige sprachspezifische Ergebnisse zu erhalten. Nach dem Sammeln praktischer Erfahrungen kann das vorgeschlagene Protokoll auf die patienten- und ortsspezifischen Anforderungen zugeschnitten werden. Das Protokoll kann auf bestimmte Ziele, wie z. B. die Sprachproduktion (Spracharrest)18,19 oder visuelle und kognitive Funktionen20, erweitert werden.
Diese Studie wurde vom Krankenhausbezirk Helsinki und der Ethikkommission von Uusimaa genehmigt. Vor dem Eingriff wurde von jedem Probanden eine Einverständniserklärung zur Teilnahme eingeholt.
1. Erstellung der Strukturbilder
2. Vorbereitung auf die Neuronavigation
3. Definition des Hot Spots und der motorischen Schwelle für die M1-Stimulation
4. Grundlegende Benennung von Bildern
5. Kortikale Sprachkartierung
6. Strategie, wenn keine Benennungsfehler auftreten
7. Offline-Analyse der evozierten Benennungsfehler
Zum Einsatz kam ein navigiertes transkranielles Magnetstimulationssystem mit integrierten Bildschirmen und Kameras. Abbildung 1A-C zeigt die verschiedenen TMS-evozierten Benennungsfehler in einem Subjekt während der Aufgabe bei verschiedenen PTIs (180 ms, 200 ms und 215 ms). Der Einfluss des Timings der TMS-Impulse auf die Anzahl der hervorgerufenen Fehler ist offensichtlich. Mit anderen Worten, TMS-bedingte Leistungsänderungen wurden in verschiedenen Bereichen bei verschiedenen PTIs festgestellt. Die Anzahl der Fehler variierte in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der TMS-Impulse sogar an denselben kortikalen Stellen, in Übereinstimmung mit MEG-Studien, die die Variation des Zeitpunkts der Aktivierung in verschiedenen sprachbezogenen kortikalen Bereichen zeigten28. Ein Vergleich der Ergebnisse zwischen extraoperativem DCS-Mapping und nrTMS mit fixiertem PTI bei 300 ms bei einem Patienten mit hartnäckiger Epilepsie ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Daten stammen aus einer früheren Publikation, die sich mit Epilepsie29 befasste.

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

Abbildung 2: Vergleich der Ergebnisse zwischen extraoperativem DCS-Mapping und nrTMS mit fixiertem PTI bei 300 ms bei einem Patienten mit hartnäckiger Epilepsie. (A) Extraoperatives Grid-Mapping im Alter von 13 Jahren. Die gelben Kugeln repräsentieren alle Elektroden auf der Hirnrinde. Dargestellt sind die Stellen der Elektrodenstimulation (2-5 mA), die motorische Reaktionen der Hand und des Mundes (grüne Kreise), den Namensstillstand (Anomie; rote Kreise) und die unterbrechende Satzwiederholung (rosa Kreise) induzierten. (B) nrTMS SCM desselben Patienten im Alter von 15 Jahren. Die Lokalisationen von nrTMS-induzierten Anomien (rote Punkte), semantischen und phonologischen Paraphasien (gelbe Punkte) und Zögern (weiße Punkte) werden gezeigt. Die Bereiche mit hochreproduzierbarer und zuverlässiger Fehlerinduktion werden eingekreist. Die Daten für dieses Bild stammen aus der Studie von Lehtinen et al.29. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Ergänzende Abbildung 1: Beispiele für Bilder, die im nrTMS-SCM-Experiment präsentiert wurden (in finnischer Sprache in Klammern). (A) Kleiderbügel (Henkari). (b) Schere (Sakset). (C) Erdbeere (Mansikka). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
P.L. war Berater von Nexstim Ltd. für motorisches und sprachkortikales Mapping.
Die navigierte repetitive transkranielle Magnetstimulation ist ein hocheffizientes, nicht-invasives Werkzeug zur Kartierung sprachbezogener kortikaler Areale. Es hilft bei der Planung von Gehirnoperationen und beschleunigt die direkte kortikale Stimulation, die während der Operation durchgeführt wird. Dieser Bericht beschreibt, wie man ein sprachkortikales Mapping für die präoperative Evaluation und Forschung zuverlässig durchführt.
Pantelis Lioumis wurde durch ein HUS VTR-Stipendium (TYH2022224), Salla Autti von der Päivikki and Sakari Sohlberg Foundation und Hanna Renvall von der Paulo Foundation and Academy of Finland (Grant 321460) unterstützt.
| Oberflächenelektroden für die Neurologie | Ambu A/S | Ambu Neuroline Oberflächenelektroden für | |
| Bodenneurologie | Ambu A/S | Ambu Neuroline 720 | |
| Offline-Analysator für Sprachfehler | Nexstim Ltd NexSpeech | 2.1.0 | |
| Oberflächenelektrode für einen Patienten | Ambu A/S | Ambu Neuroline 700 | |
| Stimulator | Nexstim Ltd | NBS 4.3 |