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

Bradford Z. Mahon; Jeffrey  A. Mead; Benjamin  L Chernoff; Maxwell  H. Sims; Frank  E. Garcea; Emily Prentiss; Raouf Belkhir; Sam  J. Haber; Sarah  B. Gannon; Steve Erickson; Kelly  A. Wright; Michael  Z. Schmidt; Audrey Paulzak; Vanessa  C. Milano; David  A. Paul; Kenneth Foxx; Madalina Tivarus; Jacob  W. Nadler; Jacqueline  M Behr; Susan  O. Smith; Yan  Michael Li; Kevin Walter; Webster  H. Pilcher

doi:10.3791/59592

טרנסלtional מיפוי המוח באוניברסיטת רוצ'סטר המרכז הרפואי: שמירה על המוח דרך מיפוי המוח אישית

JoVE Journal
Neuroscience
Author Produced

This content is Free Access.

JoVE Journal Neuroscience

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

טרנסלtional מיפוי המוח באוניברסיטת רוצ'סטר המרכז הרפואי: שמירה על המוח דרך מיפוי המוח אישית

Full Text

46,593 Views

13:12 min

August 12, 2019

DOI: 10.3791/59592-v

Bradford Z. Mahon^1,2, Jeffrey A. Mead³, Benjamin L Chernoff², Maxwell H. Sims⁵, Frank E. Garcea⁴, Emily Prentiss⁵, Raouf Belkhir², Sam J. Haber¹, Sarah B. Gannon⁵, Steve Erickson⁵, Kelly A. Wright⁵, Michael Z. Schmidt⁵, Audrey Paulzak¹, Vanessa C. Milano¹, David A. Paul¹, Kenneth Foxx¹, Madalina Tivarus^7,8, Jacob W. Nadler⁶, Jacqueline M Behr¹, Susan O. Smith¹, Yan Michael Li¹, Kevin Walter¹, Webster H. Pilcher¹

¹Department of Neurosurgery,University of Rochester Medical Center, ²Department of Psychology,Carnegie Mellon University, ³Public Relations and Communications,University of Rochester Medical Center, ⁴MOSS Rehabilitation Research Institute, Cognitive Neuroscience, ⁵University of Rochester Medical Center, ⁶Department of Anesthesiology and Perioperative Medicine,University of Rochester Medical Center, ⁷Department of Imaging Sciences,University of Rochester Medical Center, ⁸Department of Neuroscience,University of Rochester Medical Center

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This article presents a multi-modal brain mapping program utilized in neurosurgery to identify brain regions critical for cognitive functions. The program integrates functional MRI to enhance surgical outcomes by mapping eloquent cortex areas in individual patients before tumor resection.

Key Study Components

Area of Science

Neurosurgery
Brain mapping
Functional imaging

Background

Maximal safe surgical resection aims to remove tumors without harming surrounding brain tissue.
Functional MRI information guides the surgical planning and execution.
The study focuses on eloquent cortex regions associated with language and motor functions.
Prior imaging helps to prevent neurological deficits post-surgery.

Purpose of Study

To enhance surgical outcomes in brain tumor resections.
To identify critical areas associated with motor and language functions.
To utilize patient-specific data obtained from fMRI for tailored surgical approaches.

Methods Used

The study employs functional MRI and intra-operative mapping techniques during neurosurgery.
Patients undergoing surgical resection of tumors in eloquent cortex are used as biological models.
Detailed mapping of motor and language functions is performed using direct electrical stimulation.
Key steps involve patient positioning, anesthesia block, and registration of pre-operative MRI data.
Electrocortigraphy is integrated to allow real-time functional mapping during surgery.

Main Results

The study successfully identifies key motor and language areas relative to tumor presence.
Intra-operative stimulation revealed precise locations of motor function, aiding in safe tumor removal.
Post-operative outcomes indicate reduced neurological deficits compared to traditional methods.
The integration of fMRI data with intra-operative findings allows for more effective surgical interventions.

Conclusions

This study demonstrates the efficacy of multi-modal brain mapping in improving outcomes for brain tumor surgery.
The approach facilitates the preservation of critical cognitive functions during tumor resections.
Findings underscore the importance of personalized surgical strategies based on neuroimaging data.

Frequently Asked Questions

What are the advantages of the multi-modal brain mapping program?

The program combines functional MRI with intra-operative mapping, allowing for personalized surgical strategies that preserve critical brain functions.

How is the biological model implemented in this study?

Patients undergoing surgery for brain tumors in eloquent areas are the biological models, with their specific tumor and brain anatomy informing surgical planning.

What types of data or outcomes are obtained from the mapping?

Data obtained include motor and language mapping through direct electrical stimulation, helping to identify critical areas relative to the tumor.

How can this method be adapted for other types of brain surgeries?

The multi-modal approach can be tailored to various neurosurgical contexts by incorporating specific imaging techniques relevant to other neurological conditions.

What are the key considerations for using this brain mapping technique?

Careful patient positioning, thorough registration of imaging data, and real-time monitoring during surgery are crucial for the success of this technique.

מאמר זה מספק סקירה של תוכנית מיפוי המוח רב מודאלי שנועד לזהות אזורים של המוח התומכים פונקציות קוגניטיביות קריטי בחולי נוירוכירורגיה בודדים.

המטרה של כל ניתוח גידול במוח היא באמת כדי לקבל את מה שאנו מכנים כריתה כירורגית בטוחה מקסימלית. מה שאומר שאנחנו רוצים להסיר את כל הגידול אבל אנחנו לא רוצים להיות כל השפעות שליליות על רקמת המוח הנורמלית שמסביב. לפני כל ניתוח גידול במוח בקליפת המוח רהוטה, המטופל מאושפז בתוכנית למיפוי מוח תרגום.

כל המידע שאנו מקבלים מסריקת MRI תפקודית משמש למעשה כדי לשפר את התוצאה של המטופל בזמן הניתוח. חולה מסוים זה עבר fMRI לפני הניתוח והערכה זו גילתה כי הגידול שכן בתוך gyrus הקדמי מעולה, מיד קדמי קליפת המוח המוטורית. הוא גילה כי לא היה ייצוג שפה ישיר על הגידול.

הוא חשף כי הייצוג המשלים של שפת האזור המוטורי היה מוגבל בחצי הכדור הנגדי. ולבסוף, הוא גילה בניתוח DTI כי דרכי aslant הקדמי היה ממוקם קדמי בשוליים הקדמיים של הגידול. אנחנו תמיד מתחילים עם חולה שיש לו ניתוב גידול חזיתי דומיננטי עם המטופל בתנוחת דטוביטוס מצד שני, אבל אז אנחנו מגלגלים את המטופל בחזרה, כך שאנחנו לא צריכים למקם גליל בית שימוש.

שמנו כריות והתקני קצף אחרים סביב המטופל, כך שכאשר הם מתעוררים ומבלים שעה או אולי שעתיים במהלך הליך המיפוי, כי המטופל יהיה נוח במהלך ההליך. אז אנחנו צריכים למקם את מחזיק הראש של מייפילד ואנחנו ממקם את מחזיק הראש מעל הקרקפת. לאחר מכן אנו מזריקים הרדמה מקומית היכן ששלושת הפינים יוצבו.

נקבע את מתקן מייפילד לשולחן ולגולגולת. לאחר מכן אנו רושמים את ראשו של המטופל ל- MRI טרום הניתוח באמצעות מערכת ניווט גולגולתית. באוניברסיטת רוצ'סטר אנו משתמשים ב- Brainlab לניווט בין-אופרטיבי והמערכת עבדה טוב מאוד עבורנו במספר רמות.

צעד חשוב מאוד של המבצע הוא לבצע את בלוק ההרדמה המקומי. אנו משתמשים כנראה 30 - 40 סמ"ק של הרדמה מקומית בכל מקרה. וה השלב הראשון של המצור הוא להזריק את החתך לאורך כל היקפו כל הדרך לגולגולת.

ואז אנחנו מבצעים בלוקים אזוריים שחומים, במקרה זה, את העצב על-הפתאלי, את העצב האוריסקולוטמפוראלי, את העצב העורפי הגדול יותר, ואז אנחנו מבצעים חסימות שרירים עמוקות שחוסמות את שריר הטמפורליס ואת האזור ממש מעל האוזן. זהה למאמצינו למקם בנוחות את המטופל שהצוות הנוירופיזיולוגי מתכונן לניטור הבין-אופרטיבי שהם הולכים לבצע. צוות המדע הקוגניטיבי מקים את הציוד שלהם.

כשהמטופל מתעורר בחדר הניתוח, יש צג קטן שממקם לפניהם ומוצמד לצג הזה הוא מיקרופון ורמקול ומצלמת וידאו. וזה מאפשר לנו לשכפל בחדר הניתוח את כל מה שאנחנו עושים עם MRI תפקודי כאשר אנו לומדים את המטופל לפני הניתוח. היתרון של הטבלה העליונה הוא שלרופא ההרדמה ולאחות המטפלת, כמו גם למדען הקוגניטיבי ולצוות הנוירופיזיולוגיה, יש גישה למטופל כולו במהלך הניתוח.

הכנו גולגולתית גדולה מספיק כדי לאפשר לנו למפות את רוב קליפת המוח המוטורית. זה יאפשר לנו למפות כל פונקציית שפה בתוך הג'ירואים הקדמיים האמצעיים. והגולגולת תהיה גם גדולה מספיק כדי לאפשר לנו להשיג שוליים קדמיים של גידול בחלק הקדמי של gyrus הקדמי מעולה.

זה מבדיל את הגישה שלנו במקרה מסוים זה מפני גישות מינימליסטיות יותר שבהן תגובות שליליות נרכשות מאזור של ניתוק גידול ישיר. ברגע הקרקפת פתוחה לחלוטין, הדבר הראשון שעשינו במקרה זה היה לסמן את המיקום של הגידול, כדי לסמן את קו האמצע, ולאחר מכן להתחיל להחליט איפה היינו למקם חורי בר שלנו ואיפה היינו עושים את המסור לחתוך. לאחר שהדורה נפתחה לחלוטין והוורידים המפרידים היו מוגנים ומופרדים מההיבט המדיאל של הדורה, המטרה הבאה הייתה לחבר את מכשיר האלקטרוקורטיגרפיה למהדק הגולגולת כך שנוכל לבדוק לאחר ספי פריקה ולבצע אלקטרוקורטיגרפיה במהלך כל ההליך.

לפני תחילת חלק מיפוי המוח של הניתוח, אנו רושמים את המריצה הדו קוטבית באותו חלל כמו ה- MRI טרום הניתוח באמצעות מערכת הניווט הגולגולתית, במקרה זה, Brainlab. זה מאפשר לנו להקליט קואורדינטות תלת מימדיות לכל מיקום של גירוי חשמלי ישיר. לאחר הניתוח, אנו יכולים לבצע ניתוחים כמותיים המתייחסים MRI תפקודי טרום ניתוחי עם ההשלכות של מיפוי גירוי בין ניתוחי ובסופו של דבר עם תוצאת המטופל.

ממש בתחילת הליך מיפוי המוח אנחנו בדרך כלל מתחילים עם מיפוי מוטורי. החל באזור הלשון עם המטופל בולט הלשון ולאחר מכן מגרה ברמה מיליאמפראז נמוכה מאוד, בדרך כלל 5 עד 1.0 מיליאמפר, ומחפש נסיגת לשון או תנועות פנים אשר יצביעו על כך שאנחנו בהצלחה מיפוי תפקוד מוטורי. אה, תסתכל על היד שלו.

פרק כף היד הסתובב. תגיד לי אם אתה מרגיש משהו מנוזל. מרפק ימני?

מרפק ימני, מושלם. קראת את ספר הלימוד. תגיד לי אם אתה מרגיש משהו עכשיו מבעבע.

אה, צוואר ימין. כאן למעלה? יותר מאחור.

באזור זה נראה שהגידול נגמר ממש כאן. זהו מנוע לאצבע וליד ולפרק כף היד והזרוע. מנוע הרגל הוא, ככל הנראה, ממש כאן.

וכל זה חושי, היו לנו תגובות חושיות ממש טובות ביד וכל הדרך עד הכתף והצוואר. אז עכשיו המטרה היא לקחת את הגידול ולהמשיך למפות, בהשתתפותו הפעילה, כדי למפות את הפעילות המוטורית ברגל כי זה שוליים אחוריים של הגידול הוא אזור מפתח שאנחנו רוצים להסיר מבלי לגרום לחולשה ברגל. בחרנו להתחיל את ניתור הגידול בשוליים האחוריים של הגידול, מיד לפני קליפת המוח המוטורית.

והמטרה של החלטה זו הייתה, בעוד החולה היה ער ושיתופי פעולה מלא, היה להתחיל debulking האחורי כדי לזהות את בנק הקליפה הקדמית של קליפת המוח המוטורית הרגל כדי לבלום את בנק הקליפה של הגידול, ואולי הסתנן חומר לבן, ועם המטופל ביצוע משימות שונות עם הגפיים העליונות והתחתונות, אז הצלחנו לנתח לחלוטין את הגידול בצומת שלה עם האזור רולנדי. לאחר שהניתור הראשוני הושלם, היינו חופשיים להתחיל את החלק הראשון של ניתוב הגידול, ואת deproportion של ניתור הגידול לפני הניתוח. מתוך הכרה שאם יכולתו של המטופל לשתף פעולה צריכה להשתנות, כבר ביצענו את החלק המסוכן ביותר של הניתוח בהצלחה.

הדיווח על תנועת המטופלים, הדיווח על קריטריונות המטופל, בדייקנות, חשוב ביותר. במקרה הספציפי הזה, המטפלת האחות, סוזן סמית, שעבדה איתנו במבצעים האלה למעלה מ-20 שנה, ובעלת ניסיון במאות ניתוחים דומים, הדיווח שלה מהווה חלק חשוב ביותר בצוות הניתוח. תבדוק את הרגל שלו.

להגמיש את הרגל למעלה ולמטה. לנענע את בהונותיך, לדחוף למטה על היד שלי, למשוך חזק, נחמד וחזק. תודה לך, סו.

אתה מוזמן. במקרים דומים שבהם הגידול ממוקם בצורה קדמית יותר ב- gyrus הקדמי מעולה, הצלחנו לזהות מעורבות של מערכת aslant הקדמי על DTI מראש ניתוח הצלחנו למפות את דרכי aslant הקדמי עם מיפוי גירוי תת קליפתי. המשולש הצהוב נמצא מעל היהלום האדום.

העיגול הירוק הוא מעל. תמשיך אנחנו כמובן הזהיר את המטופל ומשפחתו כי תסמונת SMA חולף יכול להתרחש. לא ניסהנו למפות את האזור המוטורי המשלים כי הוא היה מעורב לחלוטין בגידול.

ואכן, לאחר הניתוח החולה היה תסמונת SMA עדינה עם כמה אפזיה אקספרסיבית וכמה אי קוordination ואובדן קל מאוד של שליטה מוטורית בגפיים העליונות הימנית. אבל זה דהה במהירות ובזמן השחרור ביום החמישי הבדיקה של המטופל הייתה תקינה. במהלך השנים האחרונות, כאשר פיתחנו את תוכנית מיפוי המוח התרגומית שלנו, ו כפי שעבדנו יותר ויותר בשיתוף פעולה הדוק עם עמיתינו למדע הקוגניטיבי, פיתחנו יכולת זריזה להתאים את הניתוח ואת מרכיב מיפוי המוח של הניתוח לצרכים של המטופל בהתאם למיקום הגידול.

כתוצאה מכך, פיתחנו כעת ניסיון משמעותי במיפוי ידע במספרים ומתמטיקה. 53 ועוד 18 שווה 71.65 ועוד 16 שווה 81. פיתחנו גם ניסיון משמעותי במיפוי היבטים שונים של תפקוד השפה, כולל מתן שמות, קריאה וחוזר חלייה.

הנה אין, אינגר. זה פה חם. וגם פיתחנו לאחרונה את היכולת למפות את תפקוד המוזיקה בחצי הכדור הלא דומיננטי.

מיפוי המוח באמת מאפשר לנו להיות שלמים ככל האפשר עם ניתוח תוך שמירה על מרווח של בטיחות עבור רקמת המוח סביב הגידול שאנחנו מנסים לשמר בסוף המקרה. בכל פעם שאנחנו עושים ניתוח על חולה עם גידול במוח או עם אפילפסיה, בכל פעם שאנחנו עושים ניתוח יש לנו הזדמנות ללמוד משהו נוסף על המוח.