Mappatura del cervello traslazionale presso il centro medico dell'Università di Rochester: Preservare la mente attraverso la mappatura del cervello personalizzata

Summary

Questo articolo fornisce una panoramica di un programma di mappatura del cervello multimodale progettato per identificare le regioni del cervello che supportano le funzioni cognitive critiche nei singoli pazienti di neurochirurgia.

Abstract

Il Translational Brain Mapping Program presso l’Università di Rochester è uno sforzo interdisciplinare che integra la scienza cognitiva, la neurofisiologia, la neuroanestesia e la neurochirurgia. I pazienti che hanno tumori o tessuto epilettico in aree cerebrali eloquenti sono studiati preoperatorio con risonanza magnetica funzionale e strutturale e intraoperatoriamente con la mappatura diretta della stimolazione elettrica. Le misure di esito neurale e cognitivo post-operatorio alimentano gli studi scientifici di base sui fattori che mediano il buon risultato rispetto al risultato negativo dopo l’intervento chirurgico e su come la mappatura del cervello può essere ulteriormente ottimizzata per garantire il miglior risultato per i futuri pazienti. In questo articolo viene descritto il flusso di lavoro interdisciplinare che consente al nostro team di raggiungere gli obiettivi sinergici di ottimizzare il risultato del paziente e far progredire la comprensione scientifica del cervello umano.

Introduction

Interventi neurochirurgici per rimuovere tumori cerebrali o tessuto epilettico adiacente alle aree cerebrali che supportano le funzioni cognitive critiche devono bilanciare l’obiettivo clinico dell’intervento chirurgico (rimuovere il più possibile tumore, o tessuto epilettico) contro danni al tessuto sano che potrebbero causare deficit neurologici. Nel contesto della chirurgia del tumore al cervello, questo equilibrio è indicato come l’equilibrio onco-funzionale. Sul lato ‘onco’ dell’equilibrio, i chirurghi vogliono rimuovere la maggior parte del tumore possibile, poiché i tassi di ‘resezione tumorale totale lorda’ sono legati alla sopravvivenza più lunga^1,2. Sul lato ‘funzionale’, la rimozione dei tumori può danneggiare i substrati corticali e subcorticali della cognizione; le difficoltà post-operatorie possono coinvolgere il linguaggio, l’azione, la visione, l’udito, il tatto o il movimento, a seconda del sistema neurale interessato. L’equilibrio onco-funzionale è di fondamentale importanza perché una maggiore morbilità è associata a i) una qualità della vita inferiore, ii) una maggiore complicanza post-operatoria che può aumentare la mortalità (ad esempio, i pazienti che non possono più muoversi sono a un rischio maggiore di coaguli di sangue^3,4). La tensione insita nell’equilibrio “onco-funzionale” nell’impostazione della chirurgia del tumore al cervello si traduce anche in chirurgia dell’epilessia – lì l’equilibrio è tra l’obiettivo clinico di rimuovere tutti i tessuti che generano crisi, senza rimuovere i tessuti che supporta le funzioni critiche.

A livello ampio, la neuroanatomia funzionale è altamente stereotipata da individuo a individuo. Tuttavia, ci può essere un alto grado di variabilità individuale nella posizione precisa (cioè, da mm a mm) di funzioni corticali più elevate. Inoltre, è generalmente riconosciuto che la presenza di patologia corticale o subcorticale può stimolare la riorganizzazione corticale, anche se i principi che guidano tale riorganizzazione sono poco compresi⁵. Gli interventi neurochirurgici procedono millimetri al millimetro per millimetro. È quindi fondamentale mappare il cervello di ogni paziente, in dettaglio e con sensibilità e precisione, al fine di capire quali regioni in quel paziente specifico supportano quali funzioni sensoriali, cognitive e motorie⁶.

Il programma per la mappatura del cervello traslazionale presso l’Università di Rochester è stato progettato per soddisfare le esigenze di mappatura del cervello personalizzato nell’impostazione di una pratica ad alto attraverso-put che abbraccia più chirurghi accademici. Gli obiettivi sinergici del Brain Mapping Program sono i) utilizzare gli strumenti delle neuroscienze cognitive per far avanzare la neuromedicina personalizzata, sotto forma di mappe cerebrali funzionali specifiche del paziente, e ii) utilizzare la preparazione clinica di interventi neurochirurgici per testare ipotesi meccanicistiche su come funziona il cervello umano.

Protocol

Le attività mostrate nel video e descritte nel presente documento rientrano in un IRB a rischio superiore al minimo presso il centro medico dell’Università di Rochester.

1. Assunzioni

1. Stabilire un programma ad alto processo per la valutazione cognitiva pre-operatoria e basata sulla risonanza magnetica per catturare i pazienti da tutti i fornitori di riferimento in modo tempestivo ed efficiente. Coinvolgere il personale amministrativo e clinico nello sforzo più ampio.
   NOTA: Un passo concreto che si è dimostrato efficace è stato l’istituzione di una lista di e-mail di gruppo che viene inviata automaticamente dal chirurgo che si presenta (o da qualcuno nel loro staff di supporto) quando un nuovo paziente presenta alla clinica che può essere un candidato per il reclutamento nel cervello Programma di mappatura.

2. Mappatura RM pre-operatoria

1. Acquisire i dati di risonanza magnetica su uno scanner RM 3T con una bobina di testa a 64 canali presso il Center for Advanced Brain Imaging and Neurophysiology (formalmente noto come il ‘Rochester Center for Brain Imaging’) presso l’Università della Rochester Medical School. Utilizzare sequenze standard per la risonanza magnetica BOLD e dTI per consentire l’imaging cerebrale completo, come descritto nelle pubblicazioni precedenti^{7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25}.
2. Monitorare la fissazione, e registrare la respirazione e la frequenza cardiaca raccolti durante tutta la fMRI per la regressione del rumore si fonde^26,27.
   NOTA: Negli ultimi 10 anni, abbiamo sviluppato una libreria di esperimenti di risonanza magnetica funzionale per mappare il linguaggio (parlato, uditivo, parole singole, intere frasi), funzione motoria (dai movimenti intransitivi di dito, lingua e piede alle azioni transitive di alto livello), musica capacità, matematica e conoscenza dei numeri, e la funzione sensoriale di base (ad esempio, la mappatura retinotopica alla mappa dell’elaborazione visiva di basso livello^11,14,24). Tutti gli esperimenti, i materiali e gli script di analisi sono disponibili presso www.openbrainproject.org.

3. Test neuropsicologici

1. Prestare attenzione durante tutti i test cognitivi per garantire che i pazienti siano confortevoli, garantiti utilizzando una configurazione ergonomicamente ottimizzata (Figura 1) e costruendo frequenti pause (ogni 8 min) nella struttura di tutti i test.
2. Avere tutti i pazienti tumorali di basso grado completare i seguenti test 1 mese prima dell’intervento chirurgico, 1 mese dopo l’intervento chirurgico, e 6 mesi dopo l’intervento chirurgico (test 12 e 13 sono completati solo ai punti di tempo pre-operatorio e 6 mesi post-operatorio)^{28,29 ,30,31,32}.
   1. Discorso spontaneo (Cookie Theft Picture³³, Cenerentola Story^34,35,36).
   2. Categoria Fluidanza (azioni, categorie semantiche, parole che iniziano con F, A, S).
   3. Lettura e ripetizione delle parole (sostantivi, verbi, aggettivi, non parole, corrispondenti alla lunghezza e alla frequenza).
   4. Snodgrass Denominazione degli oggetti (n : 260³⁷).
   5. Denominazione uditiva (n – 60³⁸).
   6. Completamento della frase ad alto contenuto di cloze (30 min).
   7. Batteria per il riconoscimento degli oggetti di Birmingham (BORB, compresa la lunghezza) Proprietà Size (Dimensioni) . Proprietà Orientation . Corrispondenza gap Figure sovrapposte Viste abbreviate Object Reality Decision³⁹).
   8. Discriminazione delle coppie minime uditive (ad esempio, pa vs. , ga vs.
   9. Corrispondenza immagine frase (incluse le passive reversibili⁴⁰).
   10. Color Naming e Farnsworth Munsell Hue Sorting⁴¹.
   11. Cambridge Face Test^30,42.
   12. Test di apprendimento verbale della California (⁴³)
   13. Weshler IQ (^44,45,46). Le misure chiave per valutare i risultati linguistici sono i test 4-6; la caratterizzazione di abilità più ampie garantisce compromissione dei test di denominazione non sono dovuti al calo generale delle prestazioni⁴⁷.
       NOTA: In passato, abbiamo utilizzato una combinazione di piattaforme di presentazione software per controllare la presentazione dello stimolo e la registrazione delle risposte durante i test pre e post-operatori. Attualmente stiamo progettando un’unica piattaforma plug-and-play per supportare tutti i test cognitivi (test pre, intra e post-operatori) nonché la presentazione degli stimoli e la registrazione delle risposte durante la risonanza magnetica funzionale (vedere di seguito per la descrizione di StrongView^TM ). StrongView, insieme ai test neuropsicologici integrati, sarà disponibile per il download (licenza aperta) presso www.openbrainproject.org.

4. Neuroanestesia ed ergonomia della mappatura linguistica intraoperatoria

1. Utilizzare tecniche anestetiche per craniotomie sveglie^48,49,50; presso l’Università di Rochester, craniotomie sveglie sono in genere eseguite utilizzando un sonno-veglia-asleep approccio.
2. Evitare premedicazioni come anticonvulsivi e ansiolitici in quanto possono compromettere la funzione conoscitiva e contribuire alla derivazione dell’emergere.
3. Applicare monitor standard (EKG, NIBP, ossimetria a impulsi) e indurre l’anestesia generale con fentanil endovenoso (0,5 mg/kg), lidocaina (1-1,5 mg/kg) e propofol (1-2 mg/kg).
4. Utilizzare le vie respiratorie supraglottice per la ventilazione meccanica.
5. Posizionare il paziente lateralmente o semi-lateralmente con la testa fissata in un telaio bloccato; come descritto nel video, il posizionamento del paziente dipende dalla posizione della lesione e dalla finestra craniotomia pianificata, tenendo anche conto che i tipi di test cognitivi al paziente verrà chiesto di eseguire una volta sveglio durante l’intervento.
6. Applicare l’analgesia sul sito di perno e incisione (30 mL dello 0,5% Lidocaine, 30 mL di 0,5% Di concimato di pianura sensoriano, 6 mL di bicarbonato di sodio). Durante questo periodo, posizionare l’apparecchiatura di test (piccolo monitor, videocamere, microfoni direzionali).
7. Determinare la dimensione della finestra craniotomia da più fattori, che variano nella loro ponderazione in base ai risultati della mappatura clinica pre-operatoria del cervello del paziente, studi di mappatura funzionale del cervello, e il piano per la mappatura intra-operatoria. Nel caso descritto nel video, il chirurgo presente (Dr. Pilcher) ha scelto una grande craniotomia al fine di avere pieno accesso per mappare il linguaggio positivo e siti motori nell’emisfero dominante.
8. All’inizio della fase di risveglio, interrompere la sedazione (gli analgesici locali vengono applicati prima dell’incisione).
9. Rimuovere le vie respiratorie suplatlottiche una volta che il paziente riacquista conoscenza. Non c’è o minima sedazione durante la fase di veglia.
10. Utilizzare l’elettrocorticografia (ECoG) per monitorare le scariche post-scarico (scariche epilettifore subcliniche indotte dalla stimolazione corticale) per garantire che i livelli di DES siano fissati appena al di sotto della soglia di post-scarico. La procedura di mappatura DES inizia trovando la soglia di post-scarico e regolando l’ampiezza di stimolazione (nei passi di 0,5 milliamp).
11. Regolare l’ampiezza di stimolazione durante tutta la sessione di mappatura (da 2 a 15 mA) a discrezione del chirurgo che si cura. I pazienti visualizzano gli stimoli su un monitor e possono parlare e muovere gli avambracci e le mani.

5. Procedure per l’acquisizione di dati di livello di ricerca durante la mappatura della stimolazione elettrica diretta intraoperatoria

1. Esegui tutti i test cognitivi intraoperatori su un sistema hardware/software personalizzato chiamato “StrongView”, disponibile allwww.openbrainproject.org. L’impronta hardware è indipendente su un carrello di piccole dimensioni ed è dotata di una fonte di alimentazione a batteria di backup indipendente, altoparlanti, tastiera e display touch. La persona incaricata di eseguire il test cognitivo può avviare, arrestare e mettere in pausa la presentazione dello stimolo, mentre continua la registrazione (audio e video) durante il caso.
2. Utilizzare un sistema audio sul carrello in modo che un microfono direzionale che viene addestrato sulla bocca del paziente, che si alimenta attraverso uno splitter. Un canale che esce dalla barra di divisione passa attraverso un amplificatore e direttamente a un altoparlante. Ciò consente achirurghi e ricercatori di ascoltare facilmente le risposte del paziente contro il rumore di fondo della sala operatoria con zero ritardo percepibile (cioè eliminando gli effetti “eco”). Il secondo canale dallo splitter va al PC sul carrello mobile, dove è marcato con data e ora, registrato e memorizzato (questi file vengono utilizzati per l’analisi offline). StrongView ha anche un sistema audio separato (stand-alone) che consiste in un secondo microfono direzionale addestrato anche sul paziente, un microfono direzionale addestrato sui chirurghi, e un microfono ‘rumore’ in un angolo della sala operatoria per il tono sala di esempio per la sottrazione dai file audio principali. Questi tre canali audio si alimentano in un MIDI, e ad un secondo computer che registra ogni canale separatamente. Questo secondo sistema audio fornisce ridondanza in caso di guasto del sistema primario, tutte le risposte verbali del paziente saranno disponibili per l’analisi offline.
3. Collegare uno schermo ether disponibile in commercio All’ore utilizzando un morsetto DA tavolo OR. Attaccare i bracci articolatori (ad esempio, Manfrotto 244 Variable Friction Magic Arms) allo schermo etere L-bracket, e quelle braccia articolari supportano il monitor del paziente, i microfoni direzionali, la videocamera addestrata sul viso del paziente e un monitor consentire a un membro del team di ricerca o a un infermiere della sala operatoria di vedere facilmente ciò che il paziente vede mentre interagisce con il paziente.
4. Eseguire tutti i cavi necessari per gli schermi, microfoni e fotocamera lungo il braccio e proteggere da tubi di plastica fissati con Velcro.
   NOTA: Nessuna di queste apparecchiature deve essere sterilizzata in quanto è (solo mai) sul lato non sterile del campo (Figura 1). Questo modo di supportare le apparecchiature di presentazione e registrazione degli stimoli fornisce la massima flessibilità per tener conto della diversa ergonomia dei test cognitivi in base al posizionamento del paziente, che varia caso per caso, ma fornisce un’affidabilità e una piattaforma stabile su cui collegare le apparecchiature. Inoltre, e soprattutto, perché tutti i monitor, microfoni e telecamere sono collegati alla tabella OR tramite singolo dispositivo (ether schermo L-bracket), se il posizionamento del tavolo viene regolato durante il caso questo non influisce sulla configurazione di prova. (Si noti che la configurazione illustrata nella Figura 1 proviene da una configurazione di generazione precedente in cui un supporto montato sul pavimento supportava lo schermo del paziente, il microfono e la videocamera; il supporto montato sul pavimento è stato sostituito dal 2018 con lo schermo etere L-bracket). Inoltre, e soprattutto per la sicurezza del paziente, l’intera configurazione per i test cognitivi può essere suddivisa in meno di 20 secondi durante il caso nel caso in cui si presenti una situazione emergente che impone un accesso completo e senza ostacoli al paziente (ad es. vie aeree).
5. Il cuore di StrongView è un sistema software flessibile per i) che presenta stimoli (visivi, uditivi) ai pazienti e registra le risposte dei pazienti (verbale, risposta del pulsante, video), ii) registrando temporalmente tutti gli eventi sperimentalmente rilevanti e misure (stimolo su, ECoG, contatto con il cervello della sonda stimolatrice elettrica diretta, risposte del paziente); iii) e la comunicazione con i sistemi di navigazione cranica per ottenere la coordinata tridimensionale per ogni applicazione della stimolazione elettrica diretta. StrongView consente la ri-calibrazione on-line di variabili sperimentali come la durata dello stimolo, gli intervalli interstimolati, la randomizzazione, il numero di ripetizioni o blocchi di stimoli e il controllo dei canali video e audio del paziente. StrongView trasmette la videocamera del paziente, i dati ECoG online e lo stimolo che il paziente sta attualmente vedendo / ascoltando su un display desktop, che si specchia anche su un grande monitor che è nella linea di vista del chirurgo.
6. Collegare un fotodiode al monitor del paziente e alimentarlo in un canale aperto sull’amplificatore ECoG. Ciò fornisce una sincronizzazione temporale tra la presentazione di ogni stimolo ed ECoG per l’analisi offline.
7. Utilizzare hardware e software di navigazione cranica (presso l’Università di Rochester, BrainLab Inc., Monaco di Baviera, Germania) in tutti i casi dal team chirurgico per la navigazione cranica intraoperatoria basata sulla risonanza magnetica pre-operatoria. Si tratta di un sistema ottico costituito da un insieme di telecamere che visualizzano il campo operatorio e registrano la testa del paziente tramite una stella di registrazione fissa che è apposto al tavolo operatorio (vedi Figura 1).
   1. In particolare, dopo che il paziente è stato messo nel titolare del capo, ma prima del drappeggio, utilizzare la fisionomia facciale del paziente per registrare la testa del paziente alla risonanza magnetica preoperatoria. Ciò consente di portare la risonanza magnetica preoperatoria (funzionale e strutturale) in allineamento diretto con il cervello del paziente sul tavolo operatorio.
   2. Allegare una seconda stella di registrazione (molto più piccola) allo stimolatore bipolare (vedere la Figura 1) e utilizzare per registrare la lunghezza e la posizione dello stimolatore nel campo. Ciò consente al team di ricerca di acquisire la posizione precisa di ogni punto di stimolazione e i margini della resezione, rispetto alla risonanza magnetica preoperatoria. Come notato in precedenza, StrongView è collegato con il sistema di navigazione cranica (presso l’Università di Rochester, BrainLab, connessione tramite collegamento IGT) per consentire lo streaming in tempo reale (e la marcatura temporale) delle coordinate della mappatura diretta della stimolazione elettrica. StrongView è attualmente in fase di sviluppo per interfacciarsi con altri sistemi di navigazione cranica (ad esempio, Stryker).
      NOTA: saranno disponibili (accesso aperto) presso l’OpenBrainProject.org gli aspetti di StrongView che supportano l’amministrazione e la raccolta dei dati durante gli esperimenti cognitivi e fMRI, insieme a una libreria di test. Le versioni beta sono disponibili prima del rilascio completo contattando l’autore corrispondente. L’intera suite StrongView, che include sistemi hardware per l’integrazione con elettrocorticografia e software di navigazione cranica, è disponibile per medici e scienziati contattando l’autore corrispondente. Questi strumenti di acquisizione dei dati saranno in grado di accedere a una pipeline di post-elaborazione e a un consorzio di dati aperti, che sarà lanciato nel 2020 presso OpenBrainProject.org.

Representative Results

Discussion

Le conoscenze acquisite dall’esperienza di creazione del Programma di mappatura del cervello traslazionale presso l’Università di Rochester possono essere distillate in due elementi fondamentali. In primo luogo, sono stati stabiliti canali di comunicazione strutturati tra scienziati cognitivi, neuro-oncologi, neuropsicologi, epiptologi, neurofisiologi, neuro-anestesisti, neurochirurghi e i loro rispettivi tecnici e il supporto amministrativo. Ciò consente ai pazienti, compresi i pazienti tumorali urgenti di alto grado, di essere indirizzati per la valutazione pre-operatoria con il tempo sufficiente per trasformare le analisi ai chirurghi prima della procedura. La seconda componente fondamentale per il successo del Programma di mappatura del cervello è stata quella di piegare in opportunità di formazione per studenti universitari, laureati (MS, PhD) studenti di medicina, così come neurochirurgia, neurologia e neuroradiologia residenti e Compagni. La combinazione di questi due elementi serve a coinvolgere tutti i fornitori clinici con gli obiettivi scientifici del programma di mappatura del cervello e assicura che gli obiettivi scientifici di base siano intrecciati con l’obiettivo clinico di ottimizzare il risultato di ogni paziente.

Materials

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