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 för navigerad repetitiv transkraniell magnetisk stimulering för kortikal kartläggning av tal

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

Navigerad repetitiv transkraniell magnetisk stimulering är ett mycket effektivt icke-invasivt verktyg för att kartlägga talrelaterade kortikala områden. Det hjälper till att utforma hjärnkirurgi och påskyndar den direkta kortikala stimuleringen som utförs under operationen. Denna rapport beskriver hur man utför kortikal kartläggning av tal på ett tillförlitligt sätt för preoperativ utvärdering och forskning.

Abstract

De kortikala områdena som är involverade i mänskligt tal bör karakteriseras på ett tillförlitligt sätt före operation för hjärntumörer eller läkemedelsresistent epilepsi. Den funktionella kartläggningen av språkområden för kirurgiskt beslutsfattande görs vanligtvis invasivt genom elektrisk direkt kortikal stimulering (DCS), som används för att identifiera organisationen av de avgörande kortikala och subkortikala strukturerna inom varje patient. Noggrann preoperativ icke-invasiv kartläggning underlättar kirurgisk planering, minskar tid, kostnader och risker i operationssalen och ger ett alternativ för patienter som inte är lämpliga för vaken kraniotomi. Icke-invasiva avbildningsmetoder som MR, fMRI, MEG och PET tillämpas för närvarande i prekirurgisk design och planering. Även om anatomisk och funktionell avbildning kan identifiera hjärnregionerna som är involverade i tal, kan de inte avgöra om dessa regioner är kritiska för tal. Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) exciterar icke-invasivt de kortikala neuronala populationerna med hjälp av elektrisk fältinduktion i hjärnan. När det appliceras i sitt repetitiva läge (rTMS) för att stimulera en talrelaterad kortikal plats kan den producera talrelaterade fel som är analoga med de som induceras av intraoperativ DCS. rTMS i kombination med neuronavigation (nrTMS) gör det möjligt för neurokirurger att preoperativt bedöma var dessa fel uppstår och att planera DCS och operationen för att bevara språkfunktionen. Ett detaljerat protokoll finns här för icke-invasiv kortikal talmappning (SCM) med nrTMS. Det föreslagna protokollet kan modifieras för att bäst passa de patient- och platsspecifika kraven. Det kan också tillämpas på språkkortikala nätverksstudier hos friska försökspersoner eller hos patienter med sjukdomar som inte är mottagliga för operation.

Introduction

Under neurokirurgi på grund av cerebral sjukdom (t.ex. epilepsi eller tumör) måste omfattningen av resektion optimeras för att bevara hjärnregioner som stöder kritiska funktioner. Områden som är avgörande för patientens integritet och livskvalitet, såsom språkrelaterade, bör karakteriseras innan hjärnvävnad avlägsnas. Vanligtvis kan de inte identifieras individuellt enbart baserat på anatomiska landmärken1. Den funktionella kartläggningen av språkområden för kirurgiskt beslutsfattande görs vanligtvis invasivt genom elektrisk direkt kortikal stimulering (DCS), vilket gör det möjligt för neurokirurgen att förstå organisationen av de avgörande kortikala och subkortikala strukturerna inom varje patient2. Även om DCS under vaken kirurgi anses vara guldstandarden för kortikal kartläggning för talfunktioner, begränsas den av dess invasivitet, metodologiska utmaningar och den höga stress det inducerar för både patienten och det kirurgiska teamet. Detta protokoll beskriver icke-invasiv kortikal talkartläggning (SCM) med navigerad transkraniell magnetisk stimulering (navigerad TMS eller nTMS). Noggrann icke-invasiv kartläggning underlättar kirurgisk planering och minskar tid, kostnader och risker i operationssalen (OR). Det ger också ett alternativ för de patienter som inte är lämpliga för vaken kraniotomi3.

Icke-invasiva avbildningsmetoder har redan gynnat prekirurgisk planering mycket. Anatomisk magnetisk resonanstomografi (MRT) är avgörande för att lokalisera tumörer och hjärnskador; i neuronavigation4 och i den navigerade TMS-kartläggningen5 guidar den operatören till de kortikala platserna av intresse. Diffusionsbaserad MRI (dMRI) traktografi ger detaljerad information om de vita fiberkanalerna som förbinder kortikala regioner 5,6. Under det senaste decenniet har funktionella avbildningstekniker, framför allt funktionell MRI (fMRI) och magnetencefalografi (MEG), i allt högre grad använts för preoperativ motorisk och talkortikal kartläggning (SCM)2,8,9. Varje metod ger fördelar för den preoperativa kartläggningsproceduren och kan till exempel ge information om de funktionellt relaterade regionerna utanför de konventionella språkområdena (Brocas och Wernickes områden). fMRI har varit den vanligaste metoden1 på grund av dess höga tillgänglighet; det har jämförts med DCS i lokalisering av talrelaterade områden med varierande resultat 2,10. Men även om funktionell avbildning kan identifiera de involverade hjärnregionerna, kan den inte avgöra om dessa regioner är kritiska för att funktionen ska bevaras.

Navigated repetitive TMS (nrTMS) används numera som ett alternativ till ovan nämnda metoder för preoperativ icke-invasiv SCM11,12. nrTMS SCM är särskilt effektivt för att identifiera talrelaterade kortikala områden inom inferior frontal gyrus (IFG), superior temporal gyrus (STG) och supramarginal gyrus (SMG)11,13. En fördel med metoden är att offlineanalysen av de fel som framkallas av stimuleringen gör att analysatorn kan vara omedveten om stimuleringsstället. Det är således möjligt att bedöma felet utan a priori-information om den kortikala platsens relevans för talnätverket. Detta möjliggörs av en videoinspelning, som gör det möjligt för analysatorn att skilja subtila skillnader i fel, såsom semantisk och fonologisk parafasi, mer tillförlitligt än under själva undersökningen11,12. nrTMS SCM-metoden överträffar för närvarande prestandan för MEG- eller fMRI-talmappning ensam10,14, och ytterligare funktionell eller anatomisk information kan användas för att finjustera nrTMS-proceduren. Preoperativ kartläggning med nrTMS har visat sig förkorta operationstiderna och minska den nödvändiga storleken på kraniotomi och skador på den vältaliga cortex15. Det förkortar tiden för sjukhusvistelse och möjliggör ett mer omfattande avlägsnande av tumörvävnad, vilket ökar patientens överlevnad15. nrTMS har validerats mot intraoperativ DCS-kartläggning; specifikt är känsligheten för nrTMS i SCM hög, men dess specificitet är fortfarande låg, med alltför stora falska positiva jämfört med DCS13,16.

För närvarande kan prekirurgisk icke-invasiv SCM med nrTMS hjälpa till med patientval för operation, hjälpa till att utforma operationen och påskynda DCS som utförs under operationen17. Här ges en detaljerad beskrivning av hur nrTMS SCM kan utföras för att få tillförlitliga talspecifika resultat. Efter att ha fått praktisk erfarenhet kan det föreslagna protokollet skräddarsys för att bäst passa de patient- och platsspecifika kraven. Protokollet kan utvidgas ytterligare till vissa mål, såsom talproduktion (talstopp)18,19 eller visuella och kognitiva funktioner20.

Protocol

Utredningen godkändes av Helsingfors sjukvårdsdistrikt och Nylands etiska kommitté. Informerat samtycke att delta erhölls före proceduren från varje ämne.

1. Förberedelse av strukturbilderna

  1. Registrera en högupplöst T1-viktad strukturell MRT av hela huvudet för varje försöksperson (helst med ett 0 mm skivgap och 1 mm skivtjocklek). Hämta bilderna enligt instruktionerna i neuronavigationssystemet.
  2. Ladda upp MR-bilderna till navigationssystemet i önskat format (vanligtvis DICOM eller NifTI).
  3. Gå igenom MR-bilderna och kontrollera om det finns några fel (t.ex. suddiga kardinalpunkter, brusstörningar eller felplaceringar i 3D-modellens rekonstruktion).
  4. Hitta kardinalpunkterna (dvs. mitten av åsen i varje örsnibb och nasionen) i axiella, sagittala och koronala MR-plan, markera dem genom att trycka på hårkorsfunktionen i planen och välj den exakta platsen genom att klicka på musens vänstra knapp. Tryck sedan på knappen "lägg till landmärken" med musen.
  5. Infoga parcellationer av hjärnans intressanta områden (t.ex. identifierade med andra funktionella metoder [MEG, fMRI, PET] eller baserat på MR-databaser eller atlaser)21. Välj funktionen "överläggsbild".

2. Förberedelse för neuronavigation

  1. Kontrollera att motivet inte har några metallföremål (t.ex. örhängen) i huvud- och nackområdet och se till att det inte finns några absoluta kontraindikationer som intrakraniella metallklämmor.
  2. Placera motivet i patientstolen. Justera stolen så att motivet sitter bekvämt, med nacke, händer och ben avslappnade. Justera stolens höjd så att operatören bekvämt kan stimulera hela halvklotet som undersöks.
  3. Placera huvudspåraren så att den stabiliseras under stimuleringssessionen (med ett klistermärke eller ett band) och inte blockerar TMS-spolen från att flyttas fritt över huvudet, särskilt över de temporala områdena. Spåraren kan placeras något höger på pannan om den vänstra halvklotet stimuleras och vice versa om den högra halvklotet stimuleras för att säkerställa att de främre frontallobsområdena kan stimuleras.
  4. Samregistrera motivets huvud till den MR-rekonstruerade 3D-huvudmodellen. Använd en digitaliseringspenna på deltagarens huvud för att markera kardinalpunkterna (nasion, pre-aurikulära punkter) som valdes på MRI: erna. Digitalisera ytterligare punkter över hela skallytan för att minska det slutliga registreringsfelet. Placera digitaliseringspennan över varje markerad punkt på 3D-huvudmodellen och tryck på vänster pedal när platsen börjar blinka på navigatorskärmen.
  5. Validera registreringen, även om det övergripande felet är acceptabelt (under 4 mm). Rör vid motivets huvud med spetsen på digitaliseringspennan. Dubbelkolla visuellt att pennan är på den analoga platsen på ytan av den 3D MRI-baserade modellen. Om dess position inte motsvarar punkten i MRT, upprepa steg 2.1-2.4.
  6. Se till att både försökspersonen och operatören bär hörselskydd innan stimuleringen påbörjas.

3. Definiera hot spot och motortröskel för M1-stimulering

  1. För att bestämma tröskeln för vilomotorisk (rMT), välj en distal handmuskel (t.ex. abductor pollicis brevis [APB]) från höger hand.
    NOT. Motortröskeln används för att definiera den initiala stimuleringsintensiteten, som senare kan ändras enligt förklaringen nedan. Således kan vilken distal handmuskel som helst användas för detta ändamål.
  2. Placera en gelelektrod för engångsbruk (diameter: ~ 30 mm) över höger APB (muskelns mage) och en annan på mitten av tummen (senan). Placera jordelektroden nära handleden (eller följ tillverkarens riktlinjer).
  3. Anslut elektroderna till elektromyografiförstärkaren (EMG) och kontrollera att APB är i vila genom att observera den kontinuerliga EMG-signalen. Ändra handens position om den registrerade muskeln inte lätt kan slappna av.
  4. Hitta den kortikala hotspoten för att bestämma APB-motortröskeln. Börja från motorns handrattområde22, leverera några TMS-pulser och fortsätt genom att flytta och rotera spolen tills APB-motorns framkallade potentialer (MEP) visas.
    OBS: Vanligtvis är motorrepresentationer av tummen placerade vinkelrätt mot handknoppens sidovägg.
    1. Välj en TMS-intensitet som framkallar ledamöter på cirka 200-500 μV. Optimera spolens placering och orientering genom att ändra dess vinkel något för att framkalla maximalt antal ledamöter.
  5. Spara den optimala spolplatsen i neuronavigationsprogrammet genom att högerklicka över pulsnumret som motsvarar hot spot-platsen och välja alternativet att upprepa stimulansen. Upprepa stimuli och tillämpa en automatisk tröskeljaktalgoritm23 genom att högerklicka på den aktiva punkten och välja alternativet motortröskel från neuronavigationsprogramvaran.
  6. Om dessa alternativ inte är tillgängliga, tillämpa regeln att en TMS-puls måste framkalla 10 ledamöter (≥50 μV) av 20 försök24.

4. Baslinjenamngivning av bilder

  1. Bekanta ämnet med bilderna före baslinjeobjektets namngivningsuppgift11,12. Skriv ut bilderna (eller visa dem i digitalt format) och låt ämnet öva innan sessionen börjar (ämnet kan också öva hemma).
    1. Använd korrekt standardiserade normaliserade färgbilder (t.ex. från Bank of Standardized Stimuli25; Kompletterande figur 1).
    2. Använd endast bilder som ofta ses i en vardaglig miljö, har ett minimalt antal synonymer och har hög namnöverensstämmelse.
  2. Om tillgängligt, fäst en accelerometer på huden ovanför struphuvudet och stämbanden för att registrera taldebuten, såsom förklaras i Vitikainen et al.26.
  3. Visa bilderna för motivet en efter en och be dem att namnge bilderna högt utan stimulans.
    1. Presentera bilderna för motivet på en skärm placerad på 0,5-1 m avstånd.
    2. Använd en visningstid på 700–1 000 ms per bild.
  4. Justera intervallet mellan bilder (IPI) för att göra uppgiften lite utmanande för varje motiv (t.ex. börja med 2 500 ms och variera mellan 1 500-4 000 ms).
    1. Om många fel uppstår under baslinjens namngivningsaktivitet ökar du IPI i steg om 200–300 ms. Om uppgiften är för lätt, minska IPI i steg om 200-300 ms.
  5. För den faktiska talmappningssessionen med nrTMS, utelämna bilderna som under baslinjetestningen inte tränades tillräckligt, inte namngavs korrekt, inte namngavs tydligt, inte artikulerades korrekt, namngavs med fördröjning eller tvekan eller verkade svåra för ämnet.
  6. Kör baslinjenamngivningsaktiviteten tre gånger och upprepa steg 4.3–4.5 om prestanda inte är tillfredsställande.

5. Kortikal kartläggning av tal

  1. Variera stimuleringsintensiteten genom att öka/minska den i steg om 1 % av stimulatorns uteffekt så att varje målområde får samma inducerade elektriska fält (E-fält), enligt definitionen för rMT i handmusklerna vid den kortikala handmotoriska hotspoten. Vanligtvis måste högre intensiteter tillämpas för parietala än för frontotemporala mål för att nå liknande kortikala E-fält som för rMT-hotspot.
    1. Sänk intensiteten vid stimulering av kortikala strukturer som ligger närmare huvudytan (E-fält ovanför det fördefinierade rMT E-fältet).
  2. Kontrollera innan stimuleringen påbörjas att de inducerade E-fältvärdena är ungefär lika (med en skillnad på 2-3 V/m) i de olika talrelaterade områdena på båda halvklotet.
    1. Justera kortikalt djup (skalningsdjup) om det behövs.
    2. Se till att spolens centrum inte är i luften.
  3. Börja med ett standardintervall för bild-till-TMS (PTI) på 300 ms, eller använd en 0-400 ms PTI; en PTI över 150 ms är att föredra för att optimera överlappningen av stimulering med språkbehandling.
  4. Börja med fem pulser med en stimuleringshastighet på 5 Hz. Börja från ett kortikalt område som inte är relaterat till talbehandling så att ämnet vänjer sig vid känslan som induceras av stimuleringen. Flytta sedan spolen till de förväntade talrelaterade områdena.
  5. Håll spolen i samma position tills pulståget är över och motivets namngivning är klar.
  6. Fokusera på ämnets prestanda enligt beskrivningen nedan.
    1. Om inget fel observeras, gå vidare till nästa plats.
    2. Om ett fel, eller till och med en tvekan, observeras, fortsätt att stimulera den platsen för ytterligare två till tre nrTMS-tåg och fortsätt sedan. Håll webbplatsen i åtanke för eventuell senare återstimulering.
    3. Gör små spoljusteringar när även ett litet fel upptäcks (t.ex. mindre tvekan eller en högre röst under namngivningen på grund av en ökad ansträngning) för att provocera tydligare fel.
    4. Undvik upprepad stimulering på samma plats under mer än fem på varandra följande tåg. Fortsätt med andra kortikala platser och besök webbplatsen senare.
    5. Om upprepade fel uppträder på flera stimulerade platser, lyft spolen i luften ovanför hårbotten och kontrollera om fel fortfarande uppstår.
    6. Om fel fortfarande uppstår tar du en paus och väntar tills namngivningen återgår till det normala.
      NOT. Upprepade namnfel som inte är relaterade till stimuleringen kan vara vanliga om talrelaterade områden påverkas av en tumör eller annan skada.
    7. Stimulera i block om 7-10 min (max) kontinuerligt, och ha 2-5 min pauser däremellan.
      OBS: Fel blir vanligare med långa stimuleringar och om motivet är trött.
  7. Stimulera alla eventuellt relaterade anatomiska områden (t.ex. IFG, STG, SMG, middle temporal, precentral, postcentral och angular gyri, och prefrontal cortex) för att få så många kontrollsvar som möjligt.
  8. Om möjligt och/eller kliniskt stödd, stimulera båda hjärnhalvorna. Stimulera försiktigt inuti och runt tumörregionen eller den beräknade platsen för lesionen, även om dessa regioner inte tillhör de klassiska talrelaterade områdena (för tumör- och epilepsipatienter).
    1. Undersök kortikala områden som ligger bort från lesionsstället för att identifiera möjliga rumsliga förändringar i språkområdena på grund av plastförändringar eller masseffekten, särskilt hos patienter med stora lesioner.
  9. Minska TMS-intensiteten i steg med 2% -5% av den maximala stimulatoreffekten om kartläggningen inducerar smärta eller obehag.
  10. Avbryt mätningen om den inducerade smärtan eller obehaget inte tolereras av patienten.

6. Strategi när inga namnfel uppstår

  1. Avsluta stimuleringen och ändra stimuleringsparametrarna.
  2. Minska IPI i steg om 200 ms från standardvärdet (t.ex. från 2 500 ms till 2 300 ms).
  3. Ändra frekvensen för pulsleverans från 5 Hz till 7 Hz. Ändra intervallet mellan början av den presenterade bilden och rTMS (för närvarande finns det ingen överenskommelse om huruvida den ska ökas eller minskas). Öka stimuleringsintensiteten (utan att framkalla obehag).

7. Offlineanalys av de framkallade namnfelen

  1. Samarbeta med en expert (t.ex. en neuropsykolog), som optimalt bör vara närvarande i operationssalen.
  2. Dubbelkolla de framkallade namnfelen genom att observera spolens positionering och eventuell smärtstörning från videoinspelningarna.
  3. Klassificera felen enligt Corina et al.27 (t.ex. anom, semantisk och fonologisk parafasi, prestandafel).
    1. Om en viss typ av fel upprepas i baslinjevideon, betrakta det inte som ett fel när du analyserar stimuleringssessionens videor.
  4. Om ett objekt är uppkallat efter rTMS-tåget, betrakta detta som en fördröjning eller ett icke-fel; Kontrollera också för eventuellt obehag hos motivet under pulsleveransen.
  5. Om motivet inte kan namnge ett visst objekt trots att tungan, läpparna och käkarna rör sig, registrerar du ett fel utan svar.
  6. Om en bild har olika namn i varje session ignorerar du den.
  7. Om du är osäker, kontrollera prestandan hos det närliggande stimuleringsstället eller effekten av stimuleringen av den andra halvklotet med samma bild.

Representative Results

Ett navigerat transkraniellt magnetiskt stimuleringssystem med integrerade skärmar och kameror användes. Figur 1A-C belyser de olika TMS-framkallade namnfelen i ett ämne under uppgiften vid olika PTI (180 ms, 200 ms och 215 ms). Effekten av tidpunkten för TMS-pulserna på antalet framkallade fel är uppenbar. Med andra ord upptäcktes TMS-relaterade förändringar i prestanda i olika områden vid olika PTI. Antalet fel varierade beroende på tidpunkten för TMS-pulserna även vid samma kortikala ställen, i enlighet med MEG-studier som visar variationen i tidpunkten för aktivering i olika talrelaterade kortikala områden28. En jämförelse av resultaten mellan extraoperativ DCS-kartläggning och nrTMS med en fast PTI vid 300 ms hos en patient med svårbehandlad epilepsi visas i figur 2. Uppgifterna har erhållits från en tidigare publikation med fokus på epilepsi29.

Figure 1
Figur 1: Resultat av en nrTMS SCM illustrerad över en 3D MRI-baserad modell från en frisk frivillig. (A) PTI på 180 ms. (B) PTI på 200 ms. (C) PTI på 215ms. Förutom de viktigaste talrelaterade områdena stimulerades det pre-kompletterande motorområdet (pre-SMA) enligt beskrivningen i protokollet (steg 5.7). De flesta felen framkallades i de klassiska talområdena (IFG, STG, SMG), men också längs vägen som förbinder pre-SMA och Brocas område (de nära mittlinjen gröna fläckarna i A och B). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: Jämförelse av resultaten mellan extraoperativ DCS-kartläggning och nrTMS med en fast PTI vid 300 ms hos en patient med svårbehandlad epilepsi . (A) Extraoperativ kartläggning av nät vid 13 års ålder. De gula sfärerna representerar alla elektroder på cortexen. Platserna för elektrodstimulering (2-5 mA) som inducerade motoriska svar i hand och mun (gröna cirklar), namnstopp (anomi; röda cirklar) och avbrytande meningsupprepning (rosa cirklar) visas. (B) nrTMS SCM av samma patient vid 15 års ålder. Platserna för nrTMS-inducerade anomi (röda prickar), semantiska och fonologiska parafasier (gula prickar) och tveksamheter (vita prickar) visas. Områdena med mycket reproducerbar och tillförlitlig felinduktion är inringade. Data för denna bild har hämtats från studien av Lehtinen et al.29. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Kompletterande figur 1: Exempel på bilder presenterade i nrTMS SCM-experimentet (på finska inom parentes). a) Hängare (Henkari). (B) Sax (Sakset). c) Jordgubbe (Mansikka). Klicka här för att ladda ner den här filen.

Discussion

Här presenteras ett protokoll för nrTMS SCM, som möjliggör praktiskt taget fullständig kortikal icke-invasiv kartläggning av de viktigaste naven i tal- och språknätverket. Dess främsta fördel är att den icke-invasivt kan simulera DCS-kartläggningen under vaken kraniotomi30 eller extraoperativt29 (se figur 2). Dessutom kan det tillämpas på språkkortikala nätverksstudier i friska populationer31 och hos patienter med sjukdomar som inte är mottagliga för kirurgi32. nrTMS för SCM kan också tillämpas för att utveckla neurorehabiliteringsstrategier såsom målval (t.ex. efter stroke). Induktion av plasticitet i talrelaterade kortikala representationer av DCS före kirurgi har studerats33 för att öka omfattningen av resektion34. Möjligheterna med nrTMS SCM i sådana studier bör undersökas.

I de aktuella resultaten stimulerades ett relativt stort område, inklusive klassiska talrelaterade områden och pre-SMA, upprepade gånger vid tre olika PTI. Varje PTI visade olika känslighet och specificitet för fel, men visade också den välkända responsvariabiliteten i icke-invasiva hjärnstimuleringar35. De flesta fel inducerades av stimulering av IFG, STG, pre-SMA och längs frontalkanalen36. Detta belyser kraften i nrTMS SCM; specifikt, i jämförelse med DCS, kan stimuleringen riktas ganska flexibelt till flera områden. Vi har observerat att ändring av PTI och inspelning av många sessioner inte tydligt påskyndar reaktionstiderna26,29, vilket skulle vara förknippat med en inlärningseffekt.

Protokollet belyser olika parametrar som kan påverka noggrannheten hos nrTMS SCM. Resultaten kan vara känsliga för de val som TMS-operatören gör; Detta dokument syftar till att ge en standardriktlinje med väl testade stimuleringsparametrar. Hög specificitet är resultatet av ett lämpligt val av flera olika parametrar, inklusive ISI, PTI, spolplats och rTMS-frekvens. Dessa parametrar påverkar specificiteten hos de inducerade felen, vilket återspeglar funktionerna i de underliggande kortikala områdena; Parametervalet måste baseras på aktuell kunskap om språkets neurobiologi.

Bilderna för namngivningsuppgiften bör väljas så att de inte orsakar felaktig namngivning av sig själva (kompletterande figur 1). Här valdes bilderna från en standardiserad bildbank och kontrollerades för olika namnparametrar25,37. Till exempel var bildpoolen begränsad till objekt med liknande komplexitet och frekvens i daglig användning, liksom hög namnöverenskommelse. Valet av bilder kan variera beroende på behoven hos varje kirurgiskt centrum38, befolkningen som undersöks39, modersmålet för den testade personen 40,41 och den använda uppgiften42. Som presenteras i protokollet är baslinjebildvalet slutligen individualiserat för varje ämne, eftersom namngivning på plats är subjektiv.

Stimuleringsfrekvensen måste definieras individuellt, eftersom den kan bestämma fördelningen av fel under navigerad transkraniell magnetisk hjärnstimulering43. Det presenterade valet, 4-8 Hz, är baserat på rTMS-arbetet av Epstein et al.44. Den initiala stimuleringsfrekvensen är inställd på 5 Hz. Om inga fel upptäcks ökas stimuleringsfrekvensen till 7 Hz. Högre frekvenser kan minska nrTMS-inducerad smärta och öka specificiteten av namnfel45. Högre frekvenser har också fördelen att begränsa pulserna till ett kort och mer specifikt tidsintervall. De kan dock påverka funktioner relaterade till till exempel talmotorisk exekvering44,46, som inte är huvudmålet för detta protokoll.

Det rekommenderas att variera PTI mellan 150-400 ms. Detta är ett viktigt tidsfönster för ordhämtning under objektnamngivningsuppgiften28,47. Protokollet syftar till talspecificitet genom att undvika störningar av grundläggande visuell bearbetning, som inträffar under de första 150 ms efter bildpresentation och kan påverka objektnamngivning men inte är relaterad till talproduktion. Den rekommenderade övre gränsen för PTI baseras på typiska svarsfördröjningar vid bildnamngivning i samma ämne28,48, och individuell variation i de optimala värdena mellan försökspersoner kan förväntas (se figur 1). PTI-urvalet bör helst baseras på personliga åtgärder, även om detta kan vara logistiskt krävande i en klinisk miljö. Helsingfors universitetssjukhus protokoll börjar vanligtvis med en 300 ms PTI. Det kan också vara användbart att ändra PTI baserat på det stimulerade området12,13,49, vilket indikeras av flera språkstudier28,47,50. Icke desto mindre kan PTI utanför ovannämnda fönster också inducera namnfel som är användbara för prekirurgisk utvärdering (för en jämförande studie, se Krieg et al.49 med PTI på 0-300 ms).

Det kortikala talnätverket är utbrett och varierar mellan individer, särskilt hos patienter med tumörer och epilepsi29,30,39. nrTMS inducerar språkstörning med stor variation mellan individer, analogt med de som observerats under vakna kraniotomistimuleringar27,51. Informationen som erhålls från fMRI50, DTI 52,53,54 och MEG 55 kan styra nTMS-användaren och resultera i en procedur som är skräddarsydd för varje individ och därmed är mer specifik och korrekt. Målet i nrTMS SCM är att öka specificiteten, minska antalet icke-svarande, vägleda DCS på ett tillförlitligt sätt eller ersätta det när resurserna och förhållandena inte tillåter ett team av högspecialiserade experter att utföra det. I framtiden kan multilocus TMS (mTMS) appliceras i proceduren för att stimulera olika delar av cortex utan att fysiskt flytta stimuleringsspolen56.

Det nuvarande protokollet kan utföras med flera typer av namngivningsuppgifter42,57 eller andra kognitiva uppgifter (beräkningar, beslutsfattande etc.) 58. Videoinspelningen kan avslöja viktiga funktioner i uppgiftens prestanda (t.ex. grimaser av motivet som indikerar att inget motoriskt talstopp induceras) som kan gå obemärkt under stimuleringen. Installationen gör det också möjligt att fråga ämnet om nrTMS-inducerade upplevelser och känslor genom att gemensamt titta på videoinspelningen. Detta kan hjälpa till att skilja smärtinducerade fel från de verkliga effekterna av nrTMS. Slutligen kan protokollet enkelt modifieras till olika ämnesgrupper (t.ex. tvåspråkiga individer31) och för att tillgodose behoven hos varje kirurgiskt eller forskningsteam.

Disclosures

P.L. har varit konsult för Nexstim Ltd. för kortikal kartläggning av motor och tal.

Acknowledgments

Pantelis Lioumis har fått stöd av HUS VTR-stipendium (TYH2022224), Salla Autti av Päivikki och Sakari Sohlbergs stiftelse och Hanna Renvall av Paulostiftelsen och Finlands Akademi (stipendium 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

Denna månad i JoVE nummer 193
Studiedesign för navigerad repetitiv transkraniell magnetisk stimulering för kortikal kartläggning av tal
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