Artykuł metodologiczny

Projekt badania dla powtarzalnej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej w celu mapowania kory mowy

DOI:

10.3791/64492

⸱

24 marca 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna z nawigacją jest wysoce wydajnym nieinwazyjnym narzędziem do mapowania obszarów korowych związanych z mową. Pomaga w projektowaniu operacji mózgu i przyspiesza bezpośrednią stymulację kory mózgowej przeprowadzaną podczas operacji. W tym raporcie opisano, jak niezawodnie wykonać mapowanie kory mowy na potrzeby oceny przedoperacyjnej i badań.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obszary korowe zaangażowane w ludzką mowę powinny być rzetelnie scharakteryzowane przed operacją guzów mózgu lub padaczki lekoopornej. Funkcjonalne mapowanie obszarów językowych do podejmowania decyzji chirurgicznych jest zwykle wykonywane inwazyjnie za pomocą elektrycznej bezpośredniej stymulacji kory mózgowej (DCS), która służy do identyfikacji organizacji kluczowych struktur korowych i podkorowych u każdego pacjenta. Dokładne nieinwazyjne mapowanie przedoperacyjne pomaga w planowaniu chirurgicznym, skraca czas, koszty i ryzyko na sali operacyjnej oraz stanowi alternatywę dla pacjentów, którzy nie nadają się do kraniotomii na jawie. Nieinwazyjne metody obrazowania, takie jak MRI, fMRI, MEG i PET, są obecnie stosowane w projektowaniu i planowaniu przedoperacyjnym. Chociaż obrazowanie anatomiczne i funkcjonalne może zidentyfikować obszary mózgu zaangażowane w mowę, nie może określić, czy te regiony są krytyczne dla mowy. Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) nieinwazyjnie pobudza populacje neuronów korowych za pomocą indukcji pola elektrycznego w mózgu. Stosowany w trybie powtarzalnym (rTMS) w celu stymulacji miejsca korowego związanego z mową, może powodować błędy związane z mową analogiczne do tych wywołanych przez śródoperacyjny DCS. rTMS w połączeniu z neuronawigacją (nrTMS) umożliwia neurochirurgom przedoperacyjną ocenę, gdzie występują te błędy oraz zaplanowanie DCS i operacji w celu zachowania funkcji językowych. Szczegółowy protokół jest dostępny tutaj dla nieinwazyjnego mapowania kory mowy (SCM) przy użyciu nrTMS. Proponowany protokół może być modyfikowany tak, aby jak najlepiej odpowiadał wymaganiom pacjenta i miejsca. Może być również stosowany do badań sieci kory językowej u zdrowych osób lub u pacjentów z chorobami, które nie podlegają operacji.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Podczas operacji neurochirurgicznej spowodowanej chorobą mózgu (np. epilepsją lub nowotworem), zakres resekcji musi być zoptymalizowany, aby zachować obszary mózgu, które wspierają kluczowe funkcje. Obszary istotne dla integralności pacjenta i jakości życia, takie jak obszary związane z językiem, powinny zostać scharakteryzowane przed usunięciem tkanki mózgowej. Zazwyczaj nie można ich zidentyfikować indywidualnie na podstawie anatomicznych punktów orientacyjnych1. Funkcjonalne mapowanie obszarów językowych do podejmowania decyzji chirurgicznych odbywa się zwykle inwazyjnie za pomocą elektrycznej bezpośredniej stymulacji kory mózgowej (DCS), która umożliwia neurochirurgowi zrozumienie organizacji kluczowych struktur korowych i podkorowych u każdego pacjenta2. Chociaż DCS podczas operacji czuwania jest uważany za złoty standard mapowania kory mózgowej funkcji mowy, jest ograniczony przez swoją inwazyjność, wyzwania metodologiczne i wysoki stres, jaki wywołuje zarówno u pacjenta, jak i zespołu chirurgicznego. Protokół ten opisuje nieinwazyjne mapowanie kory mowy (SCM) przy użyciu nawigowanej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (navigated TMS lub nTMS). Dokładne, nieinwazyjne mapowanie pomaga w planowaniu operacji oraz skraca czas, koszty i zmniejsza ryzyko na sali operacyjnej. Stanowi również alternatywę dla tych pacjentów, którzy nie nadają się do kraniotomii na jawie3.

Nieinwazyjne metody obrazowania już przyniosły znaczne korzyści w planowaniu przedoperacyjnym. Anatomiczne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) ma kluczowe znaczenie dla lokalizacji guzów i uszkodzeń mózgu; w neuronavigation4 i w nawigowanym mapowaniu TMS5, prowadzi operatora do interesujących go miejsc w korze mózgowej. Traktografia MRI oparta na dyfuzji (dMRI) dostarcza szczegółowych informacji na temat dróg włókien istoty białej, które łączą obszary korowe5,6. W ciągu ostatniej dekady techniki obrazowania funkcjonalnego, w szczególności funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) i magnetoencefalografia (MEG), były coraz częściej stosowane do przedoperacyjnego mapowania kory motorycznej i mowy (SCM)2,8,9. Każda z tych metod przynosi korzyści w procedurze mapowania przedoperacyjnego i może na przykład dostarczyć informacji na temat funkcjonalnie powiązanych regionów poza konwencjonalnymi obszarami językowymi (obszary Broki i Wernickego). fMRI jest najczęściej stosowaną metodą1 ze względu na jej wysoką dostępność; został porównany z DCS w lokalizacji obszarów związanych z mową ze zmiennymi wynikami2,10. Jednakże, chociaż obrazowanie funkcjonalne może zidentyfikować zaangażowane obszary mózgu, nie może określić, czy regiony te są krytyczne dla zachowania funkcji.

Navigated repetitive TMS (nrTMS) jest obecnie używany jako alternatywa dla wyżej wymienionych metod przedoperacyjnego nieinwazyjnego SCM11,12. nrTMS SCM jest szczególnie skuteczny w identyfikowaniu obszarów korowych związanych z mową w obrębie dolnego zakrętu czołowego (IFG), górnego zakrętu skroniowego (STG) i zakrętu nadbrzeżnego (SMG)11,13. Zaletą tej metody jest to, że analiza offline błędów wywołanych przez stymulację pozwala analizatorowi nie być świadomym miejsca stymulacji. W związku z tym możliwe jest osądzenie błędu bez uzyskania a priori informacji o znaczeniu miejsca korowego dla sieci mowy. Jest to możliwe dzięki nagraniu wideo, które pozwala analizatorowi rozróżnić subtelne różnice w błędach, takich jak parafazja semantyczna i fonologiczna, bardziej niezawodnie niż podczas rzeczywistego badania11,12. Podejście nrTMS SCM przewyższa obecnie wydajność samego mapowania mowy MEG lub fMRI10,14, a dodatkowe informacje funkcjonalne lub anatomiczne mogą być wykorzystane do precyzyjnego dostrojenia procedury nrTMS. Wykazano, że mapowanie przedoperacyjne za pomocą nrTMS skraca czas operacji i zmniejsza wymagany rozmiar kraniotomii oraz uszkodzenia kory elokwentnej15. Skraca czas hospitalizacji i umożliwia bardziej rozległe usunięcie tkanki nowotworowej, zwiększając w ten sposób wskaźniki przeżywalności pacjentów15. nrTMS został zwalidowany pod kątem śródoperacyjnego mapowania DCS; w szczególności czułość nrTMS w SCM jest wysoka, ale jego swoistość pozostaje niska, z nadmierną liczbą wyników fałszywie dodatnich w porównaniu z DCS13,16.

Obecnie, przedoperacyjne nieinwazyjne SCM z nrTMS może pomóc w wyborze pacjenta do operacji, pomóc w projektowaniu operacji i przyspieszyć DCS przeprowadzany podczas operacji17. W tym miejscu znajduje się szczegółowy opis tego, w jaki sposób można wykonać nrTMS SCM w celu uzyskania wiarygodnych wyników specyficznych dla mowy. Po zdobyciu praktycznego doświadczenia, sugerowany protokół może zostać dostosowany tak, aby jak najlepiej odpowiadał wymaganiom pacjenta i miejsca. Protokół może być dalej rozszerzony na niektóre cele, takie jak produkcja mowy (zatrzymanie mowy)18,19 lub funkcje wizualne i poznawcze20.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie zostało zatwierdzone przez Okręg Szpitalny w Helsinkach i komisję etyki Uusimaa. Przed zabiegiem uzyskano świadomą zgodę na udział w badaniu od każdego uczestnika.

1. Przygotowanie obrazów strukturalnych

  1. Zapisz strukturalny rezonans magnetyczny całej głowy o wysokiej rozdzielczości T1 dla każdego pacjenta (najlepiej z odstępem 0 mm i grubością warstwy 1 mm). Zdobądź obrazy zgodnie z instrukcjami systemu neuronawigacji.
  2. Prześlij obrazy MR do systemu nawigacyjnego w preferowanym formacie (zazwyczaj DICOM lub NifTI).
  3. Przejrzyj obrazy MR i sprawdź, czy nie ma błędów (np. rozmytych punktów kardynalnych, zakłóceń szumu lub nieprawidłowych przemieszczeń w rekonstrukcji modelu 3D).
  4. Znajdź punkty kardynalne (tj. środek grzbietu w każdym płatku ucha i nasiona) w osiowej, strzałkowej i koronalnej płaszczyźnie MRI, zaznacz je, naciskając funkcję krzyżyka w płaszczyznach i wybierz dokładne miejsce, klikając lewy przycisk myszy. Następnie naciśnij myszką przycisk "dodaj punkty orientacyjne".
  5. Wstaw parcelacje obszarów mózgu będących przedmiotem zainteresowania (np. wskazane za pomocą innych metod funkcjonalnych [MEG, fMRI, PET] lub na podstawie baz danych MRI lub atlasów)21. Wybierz funkcję "nakład obrazu".

2. Przygotowanie do neuronawigacji

  1. Sprawdź, czy osoba badana nie ma żadnych metalowych przedmiotów (np. kolczyków) w okolicy głowy i szyi i upewnij się, że nie ma bezwzględnych przeciwwskazań, takich jak metalowe klipsy wewnątrzczaszkowe.
  2. Umieść pacjenta na fotelu pacjenta. Dostosuj krzesło tak, aby fotografowana osoba siedziała wygodnie, z rozluźnioną szyją, rękami i nogami. Dostosuj wysokość fotela tak, aby operator mógł wygodnie stymulować całą badaną półkulę.
  3. Umieść head tracker tak, aby był stabilizowany podczas sesji stymulacji (za pomocą naklejki lub paska) i nie blokował swobodnego przesuwania cewki TMS nad głową, zwłaszcza nad obszarami skroniowymi. Tracker może być umieszczony nieco po prawej stronie czoła, jeśli stymulowana jest lewa półkula i odwrotnie, jeśli stymulowana jest prawa półkula, aby zapewnić stymulację przednich obszarów płata czołowego.
  4. Zarejestruj głowę pacjenta do zrekonstruowanego za pomocą rezonansu magnetycznego modelu głowy 3D. Za pomocą pisaka do digitalizacji na głowie uczestnika zaznacz punkty kardynalne (nasiona, punkty przeduszne), które zostały wybrane na rezonansie magnetycznym. Digitalizacja dodatkowych punktów na całej powierzchni czaszki, aby zmniejszyć końcowy błąd rejestracji. Umieść pióro cyfrowe nad każdym podświetlonym miejscem na modelu głowy 3D i naciśnij lewy pedał, gdy miejsce zacznie migać na ekranie nawigatora.
  5. Zatwierdź rejestrację, nawet jeśli ogólny błąd jest akceptowalny (poniżej 4 mm). Dotknij głowy fotografowanej osoby końcówką pióra cyfrowego. Dokładnie sprawdź wzrokowo, czy pióro znajduje się w analogicznym miejscu na powierzchni modelu opartego na rezonansie magnetycznym 3D. Jeśli jego położenie nie odpowiada punktowi w rezonansie magnetycznym, powtórz kroki 2.1-2.4.
  6. Upewnij się, że zarówno badany, jak i operator noszą ochronniki słuchu przed rozpoczęciem stymulacji.

3. Definiowanie gorącego punktu i progu motorycznego dla stymulacji M1

  1. Do określenia spoczynkowego progu motorycznego (rMT) należy wybrać dystalny mięsień ręki (np. abductor pollicis brevis [APB]) z prawej ręki.
    NUTA. Próg motoryczny służy do określenia początkowej intensywności stymulacji, która może być następnie zmieniana, jak wyjaśniono poniżej. W ten sposób do tego celu można wykorzystać dowolny dystalny mięsień ręki.
  2. Umieść jednorazową elektrodę żelową (średnica: ~30 mm) nad prawym APB (brzuch mięśnia), a drugą na środku kciuka (ścięgna). Umieść elektrodę uziemiającą w pobliżu nadgarstka (lub postępuj zgodnie z wytycznymi producenta).
  3. Podłącz elektrody do wzmacniacza elektromiografii (EMG) i sprawdź, czy APB jest w spoczynku, obserwując ciągły sygnał EMG. Zmień pozycję ręki, jeśli nagrany mięsień nie może być łatwo rozluźniony.
  4. Znajdź gorący punkt kory mózgowej, aby określić próg motoryczny APB. Zaczynając od obszaru pokrętła ręcznego silnika22, dostarcz kilka impulsów TMS i kontynuuj, przesuwając i obracając cewkę, aż pojawią się potencjały wywołane silnikiem APB (MEP).
    UWAGA: Zazwyczaj reprezentacje motoryczne kciuka znajdują się prostopadle do bocznej ścianki gałki ręcznej.
    1. Wybierz intensywność TMS, która wywołuje MEP około 200-500 μV. Zoptymalizuj położenie i orientację cewki, nieznacznie zmieniając jej kąt, aby przywołać maksymalne MEP.
  5. Zapisz optymalną lokalizację cewki w oprogramowaniu do neuronawigacji, klikając prawym przyciskiem myszy numer impulsu odpowiadający miejscu gorącego punktu i wybierając opcję powtórzenia bodźca. Powtórz bodźce i zastosuj algorytm automatycznego polowania na progi23, klikając prawym przyciskiem myszy na gorący punkt i wybierając opcję progu motorycznego z oprogramowania do neuronawigacji.
  6. Jeśli te opcje nie są dostępne, zastosuj zasadę, że impuls TMS musi wywołać 10 MEPs (≥50 μV) z 20 prób24.

4. Podstawowe nazewnictwo obrazów

  1. Zapoznaj temat z obrazami przed zadaniem nazewnictwa obiektów linii bazowej11,12. Wydrukuj obrazy (lub pokaż je w formacie cyfrowym) i pozwól badanemu ćwiczyć przed rozpoczęciem sesji (badany może również ćwiczyć w domu).
    1. Używaj odpowiednio ustandaryzowanych, znormalizowanych obrazów kolorowych (np. z Banku Standardowych Bodźców25; Rysunek uzupełniający 1).
    2. Używaj tylko obrazów, które są często spotykane w codziennym środowisku, mają minimalną liczbę synonimów i mają wysoką zgodność nazw.
  2. Jeśli to możliwe, przymocuj akcelerometr do skóry nad krtanią i strunami głosowymi, aby zarejestrować początek mowy, jak wyjaśniono w Vitikainen et al.26.
  3. Pokaż obrazki osobie badanej jeden po drugiej i poproś ją, aby nazwała je na głos bez stymulacji.
    1. Zaprezentuj obrazy fotografowanej osobie na ekranie umieszczonym w odległości 0,5-1 m.
    2. Użyj czasu wyświetlania 700-1,000 ms na obraz.
  4. Dostosuj interwał między obrazami (IPI), aby zadanie było nieco trudne dla każdego obiektu (np. zacznij od 2,500 ms i wahaj się w zakresie 1,500-4,000 ms).
    1. Jeśli podczas zadania nazewnictwa linii bazowej wystąpi wiele błędów, zwiększ IPI w krokach co 200–300 ms. Jeśli zadanie jest zbyt łatwe, zmniejszaj IPI w krokach co 200-300 ms.
  5. W przypadku rzeczywistej sesji mapowania mowy za pomocą nrTMS należy pominąć obrazy, które podczas testów podstawowych nie zostały odpowiednio przeszkolone, nie zostały poprawnie nazwane, nie nazwane jasno, nie wyartykułowane poprawnie, nazwane z opóźnieniem lub wahaniem lub wydawały się trudne dla badanego.
  6. Uruchom zadanie nazewnictwa linii bazowej trzy razy i powtórz kroki 4.3-4.5, jeśli wydajność nie jest zadowalająca.

5. Mapowanie kory mowy

  1. Zmieniaj intensywność stymulacji, zwiększając/zmniejszając ją w krokach co 1% mocy wyjściowej stymulatora, tak aby każdy obszar docelowy otrzymywał to samo indukowane pole elektryczne (pole E), jak określono dla rMT mięśni dłoni w punkcie zapalnym korowej motoryki ręki. Zazwyczaj w przypadku celów ciemieniowych należy zastosować większe intensywności niż w przypadku celów czołowo-skroniowych, aby osiągnąć podobne korowe pola E, jak w przypadku hotspotu rMT.
    1. Zmniejsz intensywność podczas stymulacji struktur korowych znajdujących się bliżej powierzchni głowy (pole E powyżej predefiniowanego pola E rMT).
  2. Przed rozpoczęciem stymulacji sprawdź, czy indukowane wartości pola E są w przybliżeniu podobne (z różnicą 2-3 V/m) w różnych obszarach związanych z mową w obu półkulach.
    1. W razie potrzeby dostosuj głębokość kory mózgowej (głębokość obierania).
    2. Upewnij się, że środek cewki nie znajduje się w powietrzu.
  3. Zacznij od domyślnego interwału obrazu do TMS (PTI) wynoszącego 300 ms lub użyj PTI 0-400 ms; preferowany jest PTI powyżej 150 ms, aby zoptymalizować nakładanie się stymulacji z przetwarzaniem języka.
  4. Zacznij od pięciu impulsów z częstotliwością stymulacji 5 Hz. Zacznij od obszaru kory mózgowej niezwiązanego z przetwarzaniem mowy, aby pacjent przyzwyczaił się do odczucia wywołanego stymulacją. Następnie przesuń cewkę do oczekiwanych obszarów związanych z mową.
  5. Utrzymuj cewkę w tej samej pozycji, aż ciąg impulsów się skończy i zostanie zakończone nazywanie obiektu.
  6. Skoncentruj się na wydajności obiektu zgodnie z poniższym opisem.
    1. Jeśli nie zostanie zaobserwowany żaden błąd, przejdź do następnego locus.
    2. Jeśli zaobserwuje się błąd, a nawet wahanie, kontynuuj stymulację tego miejsca przez dodatkowe dwa do trzech pociągów nrTMS, a następnie przejdź dalej. Należy pamiętać o witrynie w celu ewentualnej późniejszej ponownej stymulacji.
    3. Dokonuj niewielkich korekt cewki po wykryciu nawet niewielkiego błędu (np. drobne wahanie lub głośniejszy głos podczas nazewnictwa z powodu zwiększonego wysiłku), aby sprowokować wyraźniejsze błędy.
    4. Unikaj powtarzania stymulacji w tym samym miejscu przez więcej niż pięć kolejnych pociągów. Kontynuuj z innymi miejscami korowymi i wróć do tego miejsca później.
    5. Jeśli powtarzające się błędy pojawią się w kilku stymulowanych miejscach, podnieś cewkę w powietrze nad skórę głowy i sprawdź, czy błędy nadal występują.
    6. Jeśli błędy nadal występują, zrób sobie przerwę i poczekaj, aż nazewnictwo powróci do normy.
      NUTA. Powtarzające się błędy w nazewnictwie niezwiązane ze stymulacją mogą być powszechne, jeśli obszary związane z mową są dotknięte guzem lub inną zmianą.
    7. Stymuluj w blokach przez 7-10 minut (maksymalnie) bez przerwy i rób 2-5 minut przerwy pomiędzy.
      UWAGA: Błędy stają się częstsze przy długich stymulacjach i gdy badany jest zmęczony.
  7. Stymuluj wszystkie możliwie powiązane obszary anatomiczne (np. IFG, STG, SMG, środkowy zakręt skroniowy, przedśrodkowy, postcentralny i kątowy oraz korę przedczołową), aby uzyskać jak najwięcej odpowiedzi kontrolnych.
  8. Jeśli jest to możliwe i/lub wspierane klinicznie, stymuluj obie półkule. Dokładnie stymuluj wewnątrz i wokół obszaru guza lub szacowanej lokalizacji zmiany, nawet jeśli te obszary nie należą do klasycznych obszarów związanych z mową (dla pacjentów z nowotworami i padaczką).
    1. Zbadaj obszary kory mózgowej, które znajdują się z dala od miejsca uszkodzenia, aby zidentyfikować możliwe przesunięcia przestrzenne w obszarach językowych spowodowane zmianami plastycznymi lub efektem masy, szczególnie u pacjentów z dużymi zmianami.
  9. Zmniejsz intensywność TMS w krokach co 2%-5% maksymalnej mocy wyjściowej stymulatora, jeśli mapowanie wywołuje ból lub dyskomfort.
  10. Przerwij pomiar, jeśli wywołany ból lub dyskomfort nie są tolerowane przez badanego.

6. Strategia, gdy nie występują błędy w nazewnictwie

  1. Zakończ stymulację i zmień parametry stymulacji.
  2. Zmniejszaj IPI w krokach co 200 ms od wartości domyślnej (np. z 2,500 ms do 2,300 ms).
  3. Zmień częstotliwość dostarczania impulsu z 5 Hz na 7 Hz. Zmień odstęp między wystąpieniem prezentowanego obrazu a rTMS (obecnie nie ma zgody co do tego, czy należy go zwiększyć, czy zmniejszyć). Zwiększ intensywność stymulacji (bez wywoływania dyskomfortu).

7. Analiza off-line wywołanych błędów nazewnictwa

  1. Współpracuj z ekspertem (np. neuropsychologiem), który powinien optymalnie być obecny na sali operacyjnej.
  2. Dokładnie sprawdź wywołane błędy nazewnictwa, obserwując położenie cewki i możliwe zakłócenia bólu z nagrań wideo.
  3. Klasyfikuj błędy według Corina et al.27 (np. anomia, parafazja semantyczna i fonologiczna, błędy wykonania).
    1. Jeśli określony rodzaj błędu powtarza się w podstawowym filmie wideo, nie traktuj go jako błędu podczas analizowania filmów z sesji stymulacji.
  4. Jeśli obiekt jest nazwany na cześć pociągu rTMS, potraktuj to jako opóźnienie lub brak błędu; sprawdź również, czy obiekt nie odczuwa dyskomfortu podczas dostarczania impulsu.
  5. Jeśli badany nie może nazwać danego obiektu, mimo że język, wargi i szczęki się poruszają, zarejestruj błąd braku odpowiedzi.
  6. Jeśli obraz ma inną nazwę w każdej sesji, odrzuć go.
  7. Jeśli nie masz pewności, kontroluj wydajność sąsiedniego miejsca stymulacji lub efekt stymulacji drugiej półkuli za pomocą tego samego obrazu.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zastosowano nawigacyjny system przezczaszkowej stymulacji magnetycznej ze zintegrowanymi ekranami i kamerami. Rysunek 1A-C podkreśla różne błędy nazewnictwa wywołane przez TMS w jednym temacie podczas zadania na różnych PTI (180 ms, 200 ms i 215 ms). Wpływ czasu impulsów TMS na liczbę wywoływanych błędów jest oczywisty. Innymi słowy, zmiany w wydajności związane z TMS zostały wykryte w różnych obszarach przy różnych PTI. Liczba błędów różniła się w zależności od czasu impulsów TMS nawet w tych samych miejscach korowych, zgodnie z badaniami MEG wykazującymi zmienność czasu aktywacji w różnych obszarach kory mózgowej związanych z mową28. Porównanie wyników między pozaoperacyjnym mapowaniem DCS a nrTMS ze stałym PTI po 300 ms u pacjenta z nieuleczalną padaczką pokazano na Rycina 2. Dane pochodzą z poprzedniej publikacji dotyczącej padaczki29.

figure-results-1
Rysunek 1: Wyniki nrTMS SCM zilustrowane na modelu 3D opartym na MRI od zdrowego ochotnika. (A) PTI 180 ms. (B) PTI 200 ms. (C) PTI 215ms. Oprócz głównych obszarów związanych z mową, stymulowany był przeduzupełniający obszar motoryczny (pre-SMA) zgodnie z opisem w protokole (krok 5.7). Większość błędów została wywołana w klasycznych obszarach mowy (IFG, STG, SMG), ale także wzdłuż ścieżki łączącej obszar pre-SMA i obszar Broki (zielone plamy w pobliżu linii środkowej w A i B). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Porównanie wyników między pozaoperacyjnym mapowaniem DCS a nrTMS ze stałym PTI po 300 ms u pacjenta z nieuleczalną padaczką. (A) Pozaoperacyjne mapowanie siatki w wieku 13 lat. Żółte kulki reprezentują wszystkie elektrody na korze mózgowej. Pokazano miejsca stymulacji elektrodami (2-5 mA), które indukowały reakcje motoryczne ręki i ust (zielone kółka), zatrzymanie nazywania (anomia; czerwone kółka) i przerywanie powtarzania zdań (różowe kółka). (B) nrTMS SCM tego samego pacjenta w wieku 15 lat. Pokazano miejsca anomii wywołanych przez nrTMS (czerwone kropki), parafazji semantycznych i fonologicznych (żółte kropki) oraz wahań (białe kropki). Obszary z wysoce powtarzalną i niezawodną indukcją błędów są zakreślone. Dane do tego obrazu pochodzą z badania Lehtinen et al.29. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek uzupełniający 1: Przykłady obrazów przedstawionych w eksperymencie nrTMS SCM (w nawiasach po fińsku). (A) Wieszak (Henkari). (b) Nożyczki (Sakset). (C) Truskawka (Mansikka). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym miejscu przedstawiono protokół dla nrTMS SCM, który umożliwia praktycznie kompletne nieinwazyjne mapowanie korowe najważniejszych węzłów sieci mowy i języka. Jego główną zaletą jest to, że może nieinwazyjnie symulować mapowanie DCS podczas kraniotomii w stanie czuwania30 lub pozaoperacyjnie29 (patrz ryc. 2). Co więcej, może być stosowany w badaniach sieci kory językowej w zdrowych populacjach31 oraz u pacjentów z chorobami, które nie podlegająoperacji32. nrTMS dla SCM może być również stosowany do opracowywania strategii neurorehabilitacji, takich jak wybór celu (np. po udarze). Indukcja plastyczności w reprezentacjach kory mózgowej związanej z mową przez DCS przed operacją została zbadana33 w celu zwiększenia zakresu resekcji34. Należy zbadać możliwości nrTMS SCM w tego typu badaniach.

W prezentowanych wynikach stosunkowo duży obszar, w tym obszary związane z mową klasyczną i stan przed-SMA, był wielokrotnie stymulowany w trzech różnych PTI. Każdy PTI wykazywał inną czułość i swoistość na błędy, ale także wykazywał dobrze znaną zmienność odpowiedzi w nieinwazyjnych stymulacjach mózgu35. Najwięcej błędów zostało wywołanych przez stymulację IFG, STG, pre-SMA i wzdłuż czołowego odcinka skośnego36. Podkreśla to potęgę nrTMS SCM; W szczególności, w porównaniu z DCS, stymulacja może być dość elastycznie ukierunkowana na kilka obszarów. Zaobserwowaliśmy, że zmiana PTI i nagrywanie wielu sesji nie przyspiesza wyraźnie czasów reakcji26,29, co wiązałoby się z efektem uczenia się.

Protokół podkreśla różne parametry, które mogą mieć wpływ na dokładność nrTMS SCM. Wyniki mogą być wrażliwe na wybory dokonane przez operatora TMS; Niniejszy artykuł ma na celu dostarczenie standardowych wytycznych z dobrze przetestowanymi parametrami stymulacji. Wysoka specyficzność wynika z odpowiedniego doboru kilku różnych parametrów, m.in. ISI, PTI, lokalizacji cewki i częstotliwości rTMS. Parametry te wpływają na specyficzność wywołanych błędów, które odzwierciedlają funkcje w leżących u ich podstaw obszarach kory mózgowej; Dobór parametrów musi opierać się na aktualnej wiedzy z zakresu neurobiologii języka.

Obrazy do zadania nazewnictwa powinny być tak dobrane, aby same w sobie nie powodowały błędnego nazewnictwa (Rysunek uzupełniający 1). W tym przypadku obrazy zostały wybrane ze znormalizowanego banku obrazów i kontrolowane pod kątem różnych parametrów nazewnictwa25,37. Na przykład pula obrazów została ograniczona do przedmiotów o podobnej złożoności i częstotliwości w codziennym użyciu, a także do wysokiej zgodności nazw. Wybór obrazów może się różnić w zależności od potrzeb każdego ośrodka chirurgicznego38, badanej populacji39, języka ojczystego badanego40,41 i wykorzystanego zadania42. Jak przedstawiono w protokole, wybór obrazu bazowego jest ostatecznie zindywidualizowany dla każdego tematu, ponieważ nazewnictwo na miejscu jest subiektywne.

Częstotliwość stymulacji musi być określona indywidualnie, ponieważ może ona determinować rozkład błędów podczas przezczaszkowej magnetycznej stymulacji mózgu43. Prezentowany wybór, 4-8 Hz, opiera się na pracy rTMS autorstwa Epsteina i wsp.44. Początkowa częstotliwość stymulacji jest ustawiona na 5 Hz. Jeśli nie zostaną wykryte żadne błędy, częstotliwość stymulacji zwiększa się do 7 Hz. Wyższe częstotliwości mogą zmniejszyć ból wywołany przez nrTMS i zwiększyć swoistość błędów nazewnictwa45. Wyższe częstotliwości mają również tę zaletę, że ograniczają impulsy do krótkiego i bardziej określonego przedziału czasowego. Mogą one jednak wpływać na funkcje związane np. z wykonywaniem funkcji motorycznych mowy44,46, które nie są głównym celem niniejszego protokołu.

Zaleca się zmianę PTI w zakresie 150-400 ms. Jest to ważne okno czasowe dla wyszukiwania słów podczas zadania nazywania obiektów28,47. Protokół ma na celu ukierunkowanie na specyficzność mowy poprzez unikanie zakłóceń w podstawowym przetwarzaniu wzrokowym, które występują w ciągu pierwszych 150 ms po prezentacji obrazu i mogą wpływać na nazywanie obiektów, ale nie są związane z produkcją mowy. Zalecana górna granica PTI opiera się na typowych opóźnieniach odpowiedzi w nazywaniu obrazów u tego samego obiektu 28,48 i można oczekiwać indywidualnych różnic w optymalnych wartościach między obiektami (patrz rysunek 1). Idealnie byłoby, gdyby wybór PTI opierał się na spersonalizowanych środkach, chociaż może to być logistycznie wymagające w warunkach klinicznych. Protokoły Szpitala Uniwersyteckiego w Helsinkach zwykle zaczynają się od PTI 300 ms. Przydatna może być również zmiana PTI w zależności od stymulowanego obszaru 12,13,49, na co wskazują kilka badań językowych 28,47,50. Niemniej jednak, PTI poza wyżej wymienionym oknem mogą również powodować błędy w nazewnictwie, które są przydatne do oceny przedoperacyjnej (w celu zapoznania się z badaniem porównawczym, patrz Krieg i wsp.49 przy użyciu PTI 0-300 ms).

Korowa sieć mowy jest szeroko rozpowszechniona i różni się u poszczególnych osób, szczególnie u pacjentów z nowotworami i padaczką 29,30,39. nrTMS wywołuje zaburzenia językowe z dużą zmiennością u poszczególnych osób, analogiczną do tych obserwowanych podczas stymulacji kraniotomii po przebudzeniu27,51. Informacje uzyskane z fMRI50, DTI 52,53,54 i MEG 55 mogą ukierunkować użytkownika nTMS i skutkować procedurą, która jest dostosowana do każdej osoby, a tym samym jest bardziej szczegółowa i dokładna. Celem nrTMS SCM jest zwiększenie swoistości, zmniejszenie liczby osób niereagujących, niezawodne prowadzenie DCS lub zastąpienie go, gdy zasoby i warunki nie pozwalają na jego wykonanie przez zespół wysoce wyspecjalizowanych ekspertów. W przyszłości multilocus TMS (mTMS) może być stosowany w procedurze stymulacji różnych części kory mózgowej bez fizycznego przesuwania cewki stymulacyjnej56.

Obecny protokół może być wykonywany z kilkoma rodzajami zadań nazywania42,57 lub innymi zadaniami poznawczymi (obliczenia, podejmowanie decyzji itp.)58. Nagranie wideo może ujawnić kluczowe cechy wykonania zadania (np. grymasy osoby badanej wskazujące, że nie dochodzi do zatrzymania mowy motorycznej), które mogą pozostać niezauważone podczas stymulacji. Konfiguracja pozwala również na zadawanie pytania badanemu o doświadczenia i odczucia wywołane przez nrTMS poprzez wspólne oglądanie nagrania wideo. Może to pomóc w odróżnieniu błędów spowodowanych bólem od prawdziwych skutków nrTMS. Wreszcie, protokół może być łatwo modyfikowany do różnych grup badanych (np. osób dwujęzycznych31) i do potrzeb każdego zespołu chirurgicznego lub badawczego.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

P.L. był konsultantem Nexstim Ltd. w zakresie mapowania kory motorycznej i mowy.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pantelis Lioumis otrzymał wsparcie od HUS VTR grant (TYH2022224), Salla Autti od Päivikki and Sakari Sohlberg Foundation, a Hanna Renvall przez Fundację Paulo i Akademię Fińską (grant 321460).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Neurologiczne elektrody powierzchnioweAmbu A/SAmbu Neuroline Ground
Neurologiczne elektrody powierzchnioweAmbu A/SAmbu Neuroline 720
Analizator błędów mowy off-lineNexstim LtdNexSpeech 2.1.0
Elektroda powierzchniowa dla pojedynczego pacjentaAmbu A/SAmbu Neuroline 700
StymulatorNexstim LtdNBS 4.3

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Nawigowana powtarzalna stymulacja magnetyczna przezczaszkowa TMSmapowanie j zykowebezpo rednia stymulacja koryprzedoperacyjne mapowanie m zguprotok zadania nazywaniaczno funkcjonalnaklasyfikacja b d wneuronawigacjasie j zykowa

Powiązane artykuły