Neuroscience

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

Published: August 12, 2019 doi: 10.3791/59592

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

Summary

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

Abstract

התוכנית מיפוי המוח טרנסלtional באוניברסיטת רוצ'סטר הוא מאמץ בין-תחומי המשלב מדע קוגניטיבי, נוירופיזיולוגיה, נוירוהרדמה, ונוירוכירורגיה. חולים שיש להם גידולים או רקמה epileptogenic בתחומי המוח רהוט נלמדים מראש עם MRI פונקציונלי מבניים, ו בשיתוף עם ישירה מיפוי גירוי חשמלי. לאחר ניתוח התוצאה העצבית הקוגניטיבית אמצעי דלק בסיסי לימודי מדעים על הגורמים המתווכים טובים לעומת התוצאה הגרועה לאחר הניתוחים, ואיך מיפוי המוח יכול להיות ממוטב נוסף כדי להבטיח את התוצאה הטובה ביותר עבור חולים עתידיים. במאמר זה, אנו מתארים את זרימת העבודה הבין-תחומית המאפשרת לצוות שלנו לענות על המטרות הסינגיסטיות של אופטימיזציה של תוצאות המטופל וקידום ההבנה המדעית של המוח האנושי.

Introduction

התערבויות נוירוכירורגית כדי להסיר גידולים במוח או רקמה epileptogenic סמוך לתחומי המוח התומכים פונקציות קוגניטיביות קריטי חייב לאזן את המטרה הקלינית של הניתוח (להסיר את הגידול ככל האפשר, או epileptogenic רקמות ככל הניתן) נגד נזק לרקמה בריאה שעלולה לגרום לפגיעות נוירוולוגית. בהקשר של ניתוח הגידול במוח, האיזון הזה הוא התייחס בתור האיזון התפקודי של onco. על הצד ' onco ' של האיזון, מנתחים רוצים להסיר כמה שיותר הגידול ככל האפשר, כמו שיעורי ' הסרת גידול גרוס סה ' מקושרים להישרדות ארוכה¹^,². על "פונקציונלי" צד, הסרת גידולים עלולים להזיק הקורטידית מצעים תת-קורטיקלית של הכרה; קשיים שלאחר הניתוח יכולים לכלול שפה, פעולה, חזון, שמיעה, מגע או תנועה, בהתאם למערכת העצבית (עם) המושפעים. המאזן onco-פונקציונלי חשוב באופן ביקורתי מכיוון התחלואה מוגברת קשורה אני) האיכות הנמוכה ביותר של החיים, ii) מוגברת לאחר הניתוח סיבוכים שיכולים להגדיל את התמותה (למשל, חולים שלא יכולים לזוז עוד בסיכון גבוה יותר של קרישי דם³^,⁴). המתח הגלום במאזן ' onco-פונקציונלי ' בקביעת ניתוח גידול במוח מתרגמת גם ניתוח אפילפסיה — שם האיזון הוא בין המטרה הקלינית של הסרת כל הרקמה כי הוא מייצר התקפים, בעוד לא הסרת רקמות התומכות בפונקציות קריטיות.

ברמה רחבה, נוירואנטומיה תפקודית היא מאוד סטריאוטיפית מן הפרט לפרט. עם זאת, יכול להיות מידה גבוהה של שינויים בודדים בדיוק (כלומר, מ"מ-mm) מיקום של פונקציות הקורטיקלית גבוה יותר. בנוסף, הוא מוכר בדרך כלל כי נוכחות של מחלות קליפת התחת או מחלה תת-קורטיקלית יכולה לדרבן התארגנות קורטיקלית, אם כי העקרונות הנוהגים בארגון משנה כזאת מובנים בצורה עלובה⁵. התערבויות נוירוכירורגית. ממשיכים מילימטר במילימטר זה קריטי למפות את המוח של כל מטופל, בפרוטרוט ועם רגישות ודיוק, על מנת להבין אילו אזורים באותו מטופל תומך בפונקציות החישה, הקוגניטיבית והמוטורית⁶.

התוכנית עבור מיפוי המוח טרנסלtional באוניברסיטת רוצ'סטר כבר תוכנן לענות על הצרכים של מיפוי המוח אישית בהגדרה של אימון גבוה באמצעות לשים פורש מנתחים אקדמיים מרובים. המטרות הסינגיסטיות של תוכנית מיפוי המוח הם אני) להשתמש בכלים של מדעי המוח הקוגניטיבית כדי לקדם נוירונומטין אישית, בצורה של המטופל ספציפי מפות המוח תפקודית, ו ii) להשתמש בהכנה הקלינית של התערבויות נוירוכירורגית לבדיקת השערות מכניסטיות על האופן בו מתפקדת המוח האנושי.

Protocol

הפעילויות המוצגות בסרטון ומתוארות בזאת במסגרת IRB גדול מ-מינימלי-סיכון באוניברסיטת רוצ'סטר במרכז הרפואי.

1. גיוס והתייצבות

להקים תוכנית גבוהה באמצעות לשים להערכה קוגניטיבית מראש ו-MRI הערכה לתפוס חולים מכל הספקים המפנה באופן מתוזמן ויעיל. לערב את הצוות הניהולי והקליני במאמץ הרחב.
הערה: צעד בטון שהוכח כיעיל היה הקמת רשימת דואר אלקטרוני קבוצתית שנשלחת באופן אוטומטי על ידי המנתח המטפל (או מישהו בצוות התמיכה שלהם) כאשר מטופל חדש מציג למרפאה אשר עשוי להיות מועמד לגיוס למוח תוכנית מיפוי.

2. מיפוי MRI לפני הניתוח

לרכוש נתוני MRI על סורק ה-MRI 3T עם סליל 64-channel הראש במרכז לדימות המוח המתקדם ונוירופיזיולוגיה (ידוע רשמית בשם ' מרכז רוצ'סטר לדימות המוח ') באוניברסיטת רוצ'סטר בית הספר לרפואה. השתמש ברצפים סטנדרטיים עבור MRI מודגש ו dti המאפשר דימות מוחי מלאה, כפי שמתואר בפרסומים קודמים⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²,¹³ ^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²² ^,²³^,²⁴^,²⁵.
קיבוע מוניטור, ולהקליט נשימה וקצב לב שנאסף במהלך כל fMRI לרגרסיה של רעש מבלבל²⁶^,²⁷.
הערה: במהלך 10 השנים האחרונות, פיתחנו ספריה של ניסויים MRI פונקציונלי למפות שפה (מדוברת, שמיעתי, מילים בודדות, משפטים שלמים), פונקציה מוטורית (מתוך האצבע החוצה, תנועות הלשון והרגל לפעולות ברמה גבוהה), מוסיקה יכולת, מתמטיקה וידע מספרי, ותפקוד חושי בסיסי (לדוגמה, מיפוי retinotopic למיפוי של עיבוד חזותי ברמה נמוכה¹¹^,¹⁴^,²⁴). כל הניסויים, החומרים וסקריפטים הניתוח זמינים בwww.openbrainproject.org.

3. בדיקות נוירופסיכולוגיות

שמור על עצמך במהלך כל הבדיקות הקוגניטיביות כדי להבטיח כי המטופלים הם נוחים, מובטחת באמצעות התקנה אופטימיזציה ארגונומית (איור 1) ועל ידי בניית הפסקות תכופות (כל 8 דקות) לתוך המבנה של כל הבדיקות.
יש את כל המטופלים הגידול נמוך כיתה להשלים את המבחנים הבאים 1 חודש לפני הניתוח, 1 חודש לאחר הניתוח, ו 6 חודשים לאחר הניתוח (בדיקות 12 ו -13 הושלמו רק בטרום הפעילות 6 חודשים נקודות זמן שלאחר הניתוח)²⁸^,²⁹ ^,³⁰^,³¹^,³².
1. דיבור ספונטני (גניבת עוגיות תמונה³³, סינדרלה סיפור³⁴^,³⁵^,³⁶).
2. שטף קטגוריות (פעולות, קטגוריות סמנטי, מילים המתחילות ב-F, A, S).
3. קריאה וחזרה של Word (שמות עצם, פעלים, תארים מסוימים, לא מילים, מתאימים לאורך ולתדר).
4. שמות אובייקטים של סנודגראס (n = 260³⁷).
5. שמות שמיעתי (n = 60³⁸).
6. השלמת משפט באיכות גבוהה (30 דקות).
7. סוללת זיהוי אובייקט של ברמינגהאם (BORB, כולל אורך | גודל | כיוון הדפסה | התאמת פערים | דמויות חופפות | מקוצר תצוגה | החלטת המציאות של האובייקט³⁹).
8. אפליה מינימלית של זוג שמיעתי (לדוגמה, pa vs. da, ga vs. ta³¹^,⁴⁰).
9. התאמת תמונה משפט (כולל^ב40הפיך).
10. שמות צבע ו פארנסוורת מונמכור גוון מיון⁴¹.
11. מבחן פנים קיימברידג '³⁰^,⁴².
12. מבחן למידה מילולית של קליפורניה (⁴³)
13. ווסלר IQ (⁴⁴^,⁴⁵^,⁴⁶). האמצעים המרכזיים להערכת תוצאת השפה הם בדיקות 4-6; אפיון יכולות רחבות יותר מבטיחה ליקויים בבדיקות מתן שמות אינם נובע מירידה כללית בביצועי⁴⁷.
  הערה: בעבר, השתמשנו בשילוב של פלטפורמות של מצגת תוכנה כדי לשלוט בהצגת הגירוי ובהקלטת התגובה במהלך בדיקות טרום ושלאחר הניתוח. אנחנו כרגע מעצב פלטפורמת הכנס-הפעל יחיד כדי לתמוך בכל בדיקות קוגניטיביות (טרום, פנים ולאחר הניתוח בדיקות) כמו גם הצגת גירוי והקלטת תגובה במהלך MRI פונקציונלי (ראה להלן לתיאור של השקפה של התמיכה^TM). עם זאת, יחד עם בדיקות נוירופסיכולוגיות מובנות יהיו זמינות להורדה (רישיון פתוח) ב-www.openbrainproject.org.

4. נוירוהרדמה וארגונומיה של מיפוי שפה פנים-אופרטיבית

השתמש בטכניקות הרדמה עבור כריתת גולגולת ערה⁴⁸^,⁴⁹^,⁵⁰; באוניברסיטת רוצ'סטר, בדרך כלל מתבצעות כריתת גולגולת ערה באמצעות גישה ישנה וישנה.
הימנע תרופות מראש כגון antiפרכוסים ו-נוגד את היכולות לפגוע בתפקוד הקוגניטיבי ולתרום להזיות הופעתה.
החלת צגים סטנדרטיים (אק ג, NIBP, הדופק אוקסימטריה) ולגרום הרדמה כללית עם ורידי פנטניל (0.5 מ"ג/ק"ג), לידוקאין (1-1.5 מ"ג/ק"ג) ו ההצעת (1-2 מ"ג/ק"ג).
השתמש בנתיב אוויר של supraglottic לאוורור מכני.
הצב את המטופל משמאל למטה או למחצה עם הראש מאובטח במסגרת מוצמדת; כפי שמתואר בסרטון, מיצוב המטופל תלוי במיקום הנגע ובחלון פתיחת הגולגולת המתוכנן, תוך התחשבות בסוגי הבדיקות הקוגניטיביות שהמטופל יתבקש לבצע פעם אחת במהלך הניתוח.
החל כאבים באתר הסיכה והחתך (30 מ ל 0.5% לידוקאין, 30 מ ל של 0.5% במישור Sensorcaine, 6 מ ל של נתרן ביקרבונט). במהלך תקופה זו, הצב את ציוד הבדיקה (צג קטן, מצלמות וידאו, מיקרופונים כיוונים).
לקבוע את גודל חלון פתיחת הגולגולת על ידי גורמים מרובים, אשר משתנים במשקל שלהם בהתאם לתוצאות של מיפוי קליני טרום הניתוח של המוח של המטופל, לימודי פונקציונלי מיפוי המוח, ואת התוכנית למיפוי פנים-אופרטיבית. במקרה שמתואר בסרטון, המנתח המטפל (ד ר פילצ'ר) בחר בפתיחת גולגולת גדולה כדי לקבל גישה מלאה למפות שפה חיובית ואתרים מוטוריים בחצי הכדור הדומיננטי.
בתחילת השלב הער, להפסיק את ההרדמה (משככי כאבים מקומיים מוחלים לפני החתך).
להסיר את דרכי הנשימה supraglottic ברגע המטופל חוזר ההכרה. אין הרדמה או מינימלית במהלך השלב הער.
השתמש electrocorticography (ECoG) כדי לנטר לאחר הפרשות (הפרשות אפילפטית קליניות הנגרמת על ידי גירוי קליפת הבית) כדי להבטיח כי רמות DES מוגדרות ממש מתחת לסף פריקה לאחר. הליך המיפוי של DES יוזם על-ידי מציאת הסף לאחר הפריקה, והתאמת משרעת הגירוי (בשלבים של .5 מיליאמפר).
להתאים משרעת גירוי במהלך הפעלת מיפוי (2 כדי 15 mA) על פי שיקול דעתה של המנתח המטפל. המטופלים מציגים גירוי בצג ויכולים לדבר ולהזיז את האמות והידיים.

5. הליכים לרכישת נתונים ברמת מחקר במהלך מיפוי גירויים חשמליים ישירים

הפעל את כל הבדיקות הקוגניטיביות הפנים על מערכת חומרה/תוכנה שנבנתה בהתאמה אישית, הזמינה ב-www.openbrainproject.org. טביעת הרגל של החומרה היא עצמית הכלול על עגלה קטנה, והוא לבוש עם סוללה גיבוי עצמאי מקור כוח, רמקולים, מקלדת ותצוגת מגע. האדם שהואשם בהפעלת הבדיקות הקוגניטיביות יכול להתחיל, לעצור ולהשהות את הצגת הגירוי, תוך הקלטה רציפה (שמע ווידאו) במהלך המקרה.
השתמש במערכת שמע על העגלה, כגון מיקרופון כווני המיומן על פיו של המטופל, הניזון ממפצל. ערוץ אחד יוצא מהמפצל עובר דרך מגבר וישיר לרמקול. זה מאפשר למנתחים וחוקרים לשמוע בקלות את התגובות של המטופל נגד רעש הרקע של חדר הניתוח עם השהיה אפס הניתן לביטול (כלומר, חיסול השפעות "הד"). הערוץ השני מהמפצל עובר למחשב בעגלה הניידת, היכן שהוא מוטבע בזמן, מוקלט ומאוחסן (קבצים אלה משמשים לניתוח לא מקוון). בנוסף, מערכת השמע העצמאית מורכבת ממיקרופון כווני שני המתמחה גם על המטופל, מיקרופון כווני התאמן על המנתחים, ומיקרופון ' רעש ' בפינה של חדר הניתוח כדי לדגום את הטון בחדר לחיסור מקבצי השמע העיקריים. שלושת ערוצי השמע מזינים ל-MIDI ולמחשב שני הרושם כל ערוץ בנפרד. מערכת שמע שנייה זו מספקת יתירות כאשר המערכת הראשית נכשלת, כל התגובות המילולית של המטופל יהיה זמין לניתוח לא מקוון.
הצמדת מסך אתר זמין מסחרית לתוך הטבלה ' חדר ההפעלה ' (OR) באמצעות מתפס טבלה OR. הצמד זרועות מידיים (למשל, manfrotto 244 משתנה החיכוך הקסם זרועות) למסך האתר למעלה, והזרועות המרופמות תומכות במוניטור המטופל, מיקרופונים כיוונים, מצלמת וידאו שהוכשרה על פניו של המטופל, ומוניטור עזר ל אפשר לחבר צוות מחקר או לאחות בחדר הניתוח לראות בקלות מה המטופל רואה במהלך האינטראקציה עם המטופל.
הפעל את כל הכבלים הדרושים עבור המסכים, מיקרופונים, ומצלמה לאורך הזרוע ולהגן על ידי אבובים פלסטיק מאובטח עם סקוטש.
הערה: אף אחד מהציוד אינו צריך להיות מעוקר כפי שהוא (רק אי פעם) בצד הלא סטרילי של השדה (איור 1). דרך זו של תמיכה מצגת גירוי ציוד ההקלטה מספק גמישות מירבית לקחת בחשבון את הארגונומיה השונות של בדיקות קוגניטיביות על פי מיצוב המטופל אשר משתנה מקרה במקרה, אך מספק מהימן ויציבה על מנת לחבר ציוד. כמו כן, וחשוב מכך, כיוון שכל הצגים, המיקרופונים והמצלמות מחוברים לטבלה OR באמצעות התקן יחיד (רשת האתר L-סוגר), אם מיקום הטבלה מותאם במקרה זה אינו משפיע על הגדרת הבדיקה. (שים לב שההתקנה המוצגת באיור 1 היא מכיוונון הדור הקודם בו תמך על המסך, המיקרופון ומצלמת הווידיאו; המעמד שנטען מהרצפה הוחלף מאז 2018 עם מסך האתר L-סוגר). כמו כן, והכי חשוב עבור בטיחות החולה, ההתקנה כולה לבדיקות קוגניטיביות ניתן לשבור בתוך פחות מ 20 שניות במהלך המקרה יש מצב מתהווה מהווה את עצמה המנדטים גישה מלאה ללא הפסקה של המטופל (למשל, אל המטופל דרכי הנשימה).
הלב של הנושא הוא מערכת תוכנה גמישה עבור i) הצגת גירויים (חזותי, שמיעתי) לחולים והקלטה תגובות המטופל (מילולית, תגובה לחצן, וידאו), ii) רישום באופן זמני כל האירועים הרלוונטיים הניסויים ו אמצעים (גירוי, ECoG, מגע עם המוח של בדיקה ישירה מגירוי חשמלי, תגובות המטופל); iii) ותקשורת עם מערכות ניווט הגולגולת כדי להשיג את הקואורדינטות תלת מימדי עבור כל יישום של גירוי חשמלי ישיר. היחידה מאפשרת כיול מחדש של משתנים ניסיוניים כגון משך הגירוי, בין גירוי-מרווחי, אקראיות, מספר חזרות או בלוקים של גירויים, ושליטה של המטופל ערוצי וידאו ושמע. הזרם הגדול הנחלים מצלמת וידאו החולה, נתונים ECoG מקוונים, ואת הגירוי כי המטופל כרגע לראות/שמיעה להציג שולחן העבודה, אשר גם שיקוף על צג גדול כי הוא בקו הראיה של המנתח.
חבר פוטודיודה לצג החולה והזנה לערוץ פתוח במגבר ECoG. זה מספק סנכרון זמני בין המצגת של כל גירוי ו-ECoG לניתוח לא מקוון.
השימוש בחומרה ניווט הגולגולת והתוכנה (באוניברסיטת רוצ'סטר, המוח מעבדה Inc., מינכן, גרמניה) בכל המקרים על ידי צוות כירורגי עבור ניווט פנים-אופרטיבית מבוסס על MRI מראש הפעיל. זוהי מערכת אופטית המורכבת מסדרה של מצלמות המראה את שדה ההפעלה ולרשום את ראשו של המטופל באמצעות כוכב רישום קבוע המוצמדת לטבלת ההפעלה (ראה איור 1).
1. באופן ספציפי, לאחר המטופל מוגדר הראש, אבל לפני החבטות, השתמש פיזיונומיה הפנים של המטופל לרשום את ראשו של המטופל ל-MRI הקדם. דבר זה מאפשר ל-MRI שלפני הניתוח (פונקציונלי ומבני) להיות מובא ליישור ישיר עם מוח המטופל על שולחן הניתוחים.
2. הצמד את כוכב הרישום השני (הרבה יותר קטן) אל הגירוי הדו (ראה איור 1) והשתמש ברישום האורך והמיקום של הגירוי בשדה. הדבר מאפשר לצוות המחקר לרכוש את המיקום המדויק של כל נקודת גירוי, כמו גם את שולי הניתוח, ביחס ל-MRI מראש. כפי שצוין לעיל, חברת המחקר מקושרת עם מערכת הניווט הגולגולתית (באוניברסיטת רוצ'סטר, מעבדת המוח, חיבור דרך הקישור IGT) כדי לאפשר זרימה בזמן אמת (ו החתמת זמן) של הקואורדינטות של מיפוי גירוי חשמלי ישיר. התחום מתפתח כעת לממשק עם מערכות ניווט גולגולתית אחרות (למשל, סטרייקר).
  הערה: היבטים של השקפה תומכת התומכים בניהול ואיסוף נתונים במהלך ניסויים קוגניטיביים וfMRI, יחד עם ספריית בדיקות, יהיו זמינים (גישה פתוחה) בOpenBrainProject.org. גירסאות ביתא זמינות לפני השחרור המלא על-ידי פנייה למחבר המתאים. חבילת התצוגה המלאה, הכוללת מערכות חומרה להשתלב עם תוכנת ניווט Electrocorticography ו הגולגולת, זמין לרופאים ומדענים על ידי פנייה למחבר המקביל. כלים אלה לרכישת נתונים יהיה שוטף עם צינור לאחר עיבוד וקונסורציום הנתונים הפתוחים, להיות השיקה ב 2020 ב OpenBrainProject.org.

Representative Results

איור 2, איור 3, ואיור 4 תוצאות הנציג של מיפוי פונקציונלי ומבני טרום הניתוח עבור שלושה חולים עם גידולים שהיו סמוכים אזורים רהוט של המוח. הממצאים המוצגים באיור 2, איור 3, ואיור 4 נועדו להמחשה (ולא סיכום ממצה) של סוגי המפות המופקים עבור כל מטופל. פרטים על המקרים המוצגים באיור 2, איור 3, ואיור 4 ניתן למצוא ב: איור 2 (צ'רנוף, Teghipco, Garcea, סימס, בלאהר, פול, טיארוס, סמית, היינד, פילכר, הון, בעיתונות⁵¹), איור 3 (צ'רנוף, סימס, סמית, פילצ'ר והון, 2019⁵²), ואיור 4 (גרמית ואח ', 2017¹⁶). תוצאה חשובה של גיוס ברציפות של חולים glioma לפרוטוקול אחיד הוא שזה עושה אפשרי ברמת הקבוצה מנתח כי להעריך את ההשפעה של גידולים במוח על תפקוד הרשת והארגון. כדוגמה לסוג זה של ניתוחים, איור 5 מציג תוצאות ממחקר האחרונות ¹⁴ שנמצאו כי גידולים בקליפת המוח השמאלי מאופנן תגובות עצביות ' כלים ' (קטן manipulable אובייקטים) באונה הרקתית, מופע של תופעה כללית יותר המכונה דיכוסיס דינמי⁵³.

איור 1. מבט כולל על ציוד המשמש לבדיקות קוגניטיביות מבצעיות ופנים-אופרטיביות. (A) למשל ההתקנה עבור גבוהה באמצעות בדיקות נוירופסיכולוגיות קוגניטיבי כפי מיושם על ידי התוכנית עבור מיפוי המוח Translational במחלקה של נוירוכירורגיה באוניברסיטת רוצ'סטר המרכז הרפואי. אלמנטים מרכזיים להבטיח כי כל המטופלים מגויס מסוגלים להשלים את כל הבדיקות המתוכננות כוללים: i) מקום למטופלים לשבת ולהשלים בדיקות כי הוא מתכוונן לחלוטין לגודל של כל מטופל, כולל כיסא שתוכנן במיוחד כדי להפחית עייפות, ו- ii) איתור בדיקות קוגניטיביות/התנהגותיות באופן פיזי בסמוך ל-MRI. רכיבים אלה מאפשרים למטופלים לבקר במתקן ולהשלים את ה-MRI הפונקציונלי והמבני שלהם בתוך אותה הפעלה כמו נתונים התנהגותיים ליבה נמדדים. המשתתפים משלימים יותר את הניסויים עם ביצועים טובים יותר אם הם נוחים, במיוחד לאוכלוסיות משתתפות מבוגרות יותר, שיכולות לגרום לישיבה לתקופות ממושכות לא נוחות. (ב) ציוד ששימש במהלך מיפוי פנימי. התמונה משמאל מראה מטופל לפני שהוא מכוסה (הזכות היא אחרי draping). לפני draping, צוות המדע הקוגניטיבי מגדיר את הציוד שלהם, כולל חליליות אודיו ווידאו של המטופל, צג ממוקם מול קו הראייה של המטופל, והצג השני ממוקם כך האדם עובד עם המטופל יכול בקלות לראות את הגירוי שבו החולה מחפש כעת (ראה "נוהל" לפרטים). (ג) מגירוי דו קוטבי עם כוכב רישום המחובר למיקומים מקליטים של גירוי פנים-אופרטיבית במרחב ה-MRI הקדם-מבצעי. בדרך כלל בשלב הניתוח שבו היתה השכבה הקרה של הדורא והחולה מתעורר מהרדמה כללית, ישנן מספר דקות בהן יש לרשום את הגירוי הדו בשדה. זה חייב להיעשות על ידי חבר צוות שהוא מקורצף למקרה (כלומר, השתתפות או מנתח תושב או טק/אחות שיחים). היא מושגת על ידי הצמדת כוכב רישום קטן לגירוי דו קוטבית ובעקבות ההוראות במערכת ניווט הגולגולת לרשום מכשיר חדש על המגרש. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2 . MRI פונקציונלי לפני הניתוח והדמיה זנסור (DTI) בחולה AH עם שמאל הקודקוד הקודקודית השמאלית שחדרו הקושת פסולוס. (A) מקדם ניתוח ה-MRI ושחזור תלת-ממדי של הקושת פאססיאולוס השמאלי ו glioma. הקושת פסיאולוס מוצג בכתום ב-5% סף עם הגידול המשוחזר בכחול. (ב) MRI פונקציונלי לפני הניתוח. המטופל השלים מספר מפגשים של MRI פונקציונלי שנועדו כל אחד למפות פונקציה שציפתה להיות סמוך לאזור של התערבות כירורגית. כל המפות מthresholded ב-רוזוולט. < 05 או יותר טוב בכחול הם voxels המוצגים תגובות עצביות דיפרנציאליות כאשר שמות כלים לעומת בעלי חיים; בקנה אחד עם מחקרים קודמים מהמעבדה שלנו באמצעות אותו גירוי, רשת חזקה מזוהה מעורבים premotor, הקודקודית, ואת האזורים הרקתית הצדדיים לרוחב⁷^,⁸^,⁹,¹⁰^, ¹⁴^,¹⁵^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²⁸. המטופל גם התבקש לבצע משימה מונה, שבה היה עליו לשפוט אילו מבין שני ענני הנקודות היו יותר נקודות; שני העננים של נקודות יכול להיות מספר דומה של נקודות (השוואה קשה, יחס = 0.8) או מספרים שונים מאוד של נקודות (השוואה קלה, יחס = 0.25). בירוק הם voxels התערוכה תגובות עצביות הדיפרנציאלי בעת ביצוע המשימה על גירויים יחס קשה (יחס = .8) לעומת גירוי קל (יחס = .25 ⁵⁴^,⁵⁵). המטופל גם התבקש להזיז את הידיים והרגליים (או להגמיש/להארכה או לסובב²⁵). באדום הם voxels שהוצגו תגובות עצביות דיפרנציאליות תנועות של יד ימין בהשוואה לתנועות של רגל ימין. לבסוף, המטופל התבקש ליצור פריטים רבים ככל שיוכל לחשוב בתוך 30 שניות מקטגוריות שונות (למשל, "דברים שאתה עושה במטבח", "בעלי חיים", מילים המתחילות ב-' F ', וכו '). בסגול הם voxels שהוצגו פעילות עצבית דיפרנציאלית עבור הפקה מילה גלויה לעומת קיבעון/מנוחה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3 . לפני הניתוח החומר הלבן tractography של Aslant בדרכי הקדמית וסיבים סמוכים בצורת u. ניסיון מוקדם בתוכנית מיפוי המוח טרנסלבותית (chernoff ואח ', 2017⁵⁶) עם מיפוי המוח בחולים עם gliomas סמוך aslant במערכת הקדמית הפגינו כי (אפילו חלקית) רוחבי של מסלול זה יכול להיות משויך בחוסר הקפדה בדיבור ספונטני, בעוד שחזרה על השפה המדוברת יכולה להישאר ללא פגע. הניסיון הקודם שימש כדי ליידע מיפוי טרום הניתוח של הaslant מערכת הקדמית בחולה AI¹¹. (א) פרוסות קוריאליות המציגות את הaslant בדרכי הקדמית (כחול-אור כחול) וסיבים בצורת (אדום-צהוב). הaslant בדרכי הקדמית עובר רק הקדמי והמדיאל glioma. (ב) עיבוד תלת ממדי של aslant בדרכי הקדמית (כחול) וגידול (אדום) מתוך פרספקטיבות מרובות. המחקרים האנטומיים טרום הניתוח (פאנלים A ו-B) הצביעו כי בסוף כריתת הגידול, זה יהיה אפשרי להגדיר את השוליים הקדמי של הגידול באמצעות מיפוי גירוי חשמלי ישיר. כך עיצבנו משימה חדשה המבוססת על הניסיון הקודם שלנו, במיוחד כדי לבדוק אם גירוי של הaslant בדרכי הקדמית שיבש הייצור משפט בגבולות של ביטויים דקדוקיים. (ג) גירוי חשמלי ישיר של מערכת הaslant הקדמית משבש את ייצור המשפט באופן מהותי בגבולות של ביטויים דקדוקיים. צילום המסך (פאנל C, שמאל) מן הווידאו מראה את המטופל, את הגירוי שבו הוא הוצג, היד של המנתח מחזיק את הגירוי דו-קוטבית במגע עם aslant מערכת חזיתית בשוליים הקדמי של הגידול, ואת המיקום ב ילתית ו משונן פרוסות של מיקום הגירוי הנוכחי (נקודה אדומה) ביחס aslant בדרכי הקדמית (כחול). משימתו של המטופל היתה לתאר את היחס המרחבי של צורת היעד ביחס למיקום של צורת התייחסות (למשפט המוצג, התשובה הנכונה תהיה: "הכיכר האדומה נמצאת מתחת ליהלום האדום"). מצאנו כי גירוי של הaslant בדרכי הקדמית שיבש הייצור משפט, ובאופן מהותי כך בתחילת ביטויים דקדוקיים (פאנל C, הגרף בזכות; עבור וידאו של הליך מיפוי הפנים במטופל זה, לראות www.openbrainproject.org). התבוננות זו מעודדת השערה הרומן על התפקיד של הaslant מערכת הקדמית בייצור משפטים: האילוצים Syntagmatic על אלמנטים מיקומיים (היקף) השערה¹¹. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4. לפני הניתוח MRI מבניים תפקודית ומיפוי גירוי חשמלי פנימי בתוך מוזיקאי מקצועי עם glioma באונה הטמפורלית הימני האחורי.(קצת) מיפוי fMRI לפני הניתוח של עיבוד חזותי ברמה גבוהה, הפקת שפות וידע כלי. הגידול, צהוב מוצל, היה באונה הרקתית הימנית, גלוי דרך הזמן הימני מעולה sulcus (sulcus מעט מורחב כדי להקל על הדמיה). בגלל הגידול היה ממוקם קרוב לעיבוד אזורי התנועה בקליפת הרקה לרוחב, אנו מותאמים לשפות MT/V5 על ידי השוואת הפעילות העצבית כאשר המטופל השתתפו במערכים של נקודות נעות לפעילות עצבית מעוררת על ידי נקודות נייחים; voxels המציגות תגובות עצביות דיפרנציאליות לתנועה בהשוואה לנקודות סטטיות מותווים על סולם הצבעים הסגול-לבן (אנחנו אסירי תודה Duje Tadin לקבלת סיוע בפיתוח זה מאתר פונקציונלי). באשר לכל המקרים האחרים שנחקרו בתוכנית למיפוי המוח הטרנסלtional (לדוגמה,איור 2,איור 3), voxels המציג תגובות עצביות דיפרנציאליות למתן שמות לתמונות נפוצות מושווה לקו הבסיס של הצפייה בגרסאות מקושקשות של תמונות זהות; הדבר מותווים על קנה המידה של הצבע הירוק-לבן. הניגודיות הזאת זיהתה את מתחם העורף הצדדי, הפיתול השני של האמצע/מעולה, וקליפת המוח המוטורית (הקשורה לפעילות מוטורית של דיבור). כמו גם באיור 2, voxels מציג תגובות עצביות הדיפרנציאליות כאשר שמות ' כלים ' נמצאו השמאלית הקודקודית הימנית העליונה, העליון הקודקודית/העורף קליפת המוח, ואת האחורי השמאלי באמצע/נחותים הזמני (סולם צבע כחול לבן). לבסוף, ושוב כמו באיור 2, המטופל התבקש להשלים את משימת ההפקה המילולית של המילה. Voxels הקשורים לדור המילה בהשוואה לקו הבסיס מנוחה מותווים על הצבע אדום-לבן בקנה המידה השמאלי הקדמי העליון (האזור של ברוקה), הרקתית העליונה/העליונות הנחותה קליפת, ואת מערכת הדיבור מנוע. (B) המטופל השלים ניסויים מרובים ב-MRI פונקציונלי במיוחד כדי למפות עיבוד מוסיקלי. בניסוי אחד, המודל לאחר עבודה. מוקדמת מהמעבדה של גרג היקוק⁵⁷, החולה שמע מנגינות פסנתר קצרות והיה צריך לזמזם את המנגינה בחזרה, או לשמוע משפטים קצרים ולחזור על המשפטים בחזרה. מותווים על המוח בסולם צבע אדום-סגול הם voxels שהוצגו פעילות עצבית דיפרנציאלית עבור מוזיקה מאשר לשפה. ארבע בוגרי בית הספר איסטמן למוסיקה השלימו את אותו ניסוי fMRI; הגבול של האזור המזוהה עבור אותו ניגודיות תפקודית בפקדים הבריאים התואמים מותווים בחלוקה לרמות של ירוק. בנוסף, 10 מטופלים אחרים נוירוכירורגיה השלימו את אותו ניסוי, גם בשלב טרום הניתוח של הטיפול שלהם. בעוד המטרה הפרודית ב 10 המטופלים היה לזהות אזורים תגובה לשפה (הניגוד של השפה > מוסיקה), את הניגודיות של המוסיקה > שפה מזהה אזור דומה מאוד של פיתול כישור הזמני הימני העליון (גבולות של פונקציונלי אזור מ 10 שליטה חולים נוירוכירורגיה נמשכים כחול בהיר). (C) Tractography לפני הניתוח על הנתונים dti המציגה את הקרינה האקוסטית הנכון קושת אלומה ביחס הגידול של AE החולה (5% הסף, מצופה בתמונה יליד T2 משוקלל). (D) במהלך הניתוח שלו, החולה AE ביצע את אותה משימה כמו במהלך fMRI שבו היה עליו להאזין למלודיות פסנתר קצרות ולזמזם אותם בחזרה, או משפט קצר ולחזור על זה בחזרה. זה נמצא כי גירוי חשמלי ישיר הימני האחורי מעולה ביצועי הזמן שיבשו בפעילות החזרה כאשר התבצע על מנגינות (עבור כמה ניסויים), אבל לא להשפיע על ביצועים (על כל הניסויים) עבור אותה משימה חזרה בוצע על-פני משפטים (ראה www.openbrainproject.org לקטעי וידאו של מיפוי מוסיקה תוך-אופרטיבית).אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5 . הדגמה של קהילות ספציפיות לתחום: ניתוח היחס של מיקום הנגע וגירוי-מעורר פעילות עצבית ברחבי קבוצה של חולים glioma למדו טרום הניתוח בתוכנית עבור המוח Translational. תוצאה חשובה של ניהול קבוצה משותפת של MRI פונקציונלי ולימודים התנהגותיים לכל המטופלים שעוברים את התוכנית למיפוי המוח Translational באוניברסיטת רוצ'סטר המרכז הרפואי הוא הזדמנות לבצע את רמת הקבוצה ניתוחים בקבוצות גדולות יותר של מטופלים שנחקרו ברציפות. לדוגמה, איור 5 מציג את התוצאות של מבחן של השערת המדע הבסיסי כי תגובות עצביות ' כלים ' באונה הטמפורלית מאופנן באינטרנט על ידי תשומות מקליפת המוח. אם השערה זו נכונה, אז נגעים (גידולים) בקליפת הקודקוד צריך לשנות את התגובות העצביות באונה הטמפורלית כדי ' כלים ', ושונות על פני חולים בפעילות עצבית כדי ' כלים ' באונה הטמפורלית צריך להיות מתואם עם נוכחות של נגעים ( גידולים) בקליפת הקודקוד. (א) נגעים הקודקוד קליפת המוח צפויים ברמת הקבוצה (רגרסיה לוגיסטית) מפני שונות על פני חולים בתגובות עצביות הפיתול האמצעי המדילי על המשטח הגחוני של האונה הטמפורלית. (ב) תגובות עצביות כלים בפיתול כישורי המדיאלי צפויים ברמת הקבוצה (רגרסיה לוגיסטית) מפני שונות אם הנגע/הגידול כרוך הקדמי הפנימי sulcus (aips). הממצאים המסוכמים פאנלים A ו-B מייצגים מופע של קהילות דינמיות⁵³, במקרה זה ' קהילות דינמיות ' ספציפיות לתחום, משום שהקשר של מיקום נגע לפעילות עצבית מאופנן על-ידי סוג הגירוי המעובד ( i.e., היחס נוכח כלים, ולא עבור מקומות, פנים או בעלי חיים)-לפרטים מלאים ראה Garcea ועמיתים¹⁴. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

הידע שנרכש מהחוויה של הקמת התוכנית למיפוי המוח טרנסלtional באוניברסיטת רוצ'סטר יכול להיות מזוקק לתוך שני יסודות הליבה. ראשון, ערוצים מובנים של תקשורת הוקמו בקרב מדענים קוגניטיביים, נוירוקולוגים, נוירופסיכולוגים, epileptologists, נוירופיזיולוגיה, נוירו מרדימים, מנתחים נוירולוגים ותמיכה בהתאמה שלהם טכנאים ותמיכה ניהולית. זה מאפשר למטופלים, כולל דחוף בדרגה גבוהה חולים הגידול, להיות התייחס הערכה טרום הניתוח עם זמן מספיק כדי להפוך ניתוחים סביב למנתחים לפני ההליך. המרכיב השני הקריטי להצלחת התוכנית מיפוי המוח כבר לקפל הזדמנויות הדרכה לסטודנטים לתואר ראשון, בוגר (MS, PhD) סטודנטים, סטודנטים לרפואה, כמו גם נוירוכירורגיה, נוירולוגיה ותושבים נוירולוגיה ו חורים. השילוב של שני אלמנטים אלה לשמש לעסוק בכל הספקים הקליניים עם המטרות המדעיות של תוכנית מיפוי המוח, ומבטיח כי מטרות המדע הבסיסי הם שזורים עם המטרה הקלינית של אופטימיזציה של התוצאה של כל מטופל.

Disclosures

פטנט זמני (בארה ב. הזמנית פטנט מספר 62/917258) הוגשה 11/30/18 עבור "StongView: מערכת חומרה/תוכנה משולבת כדי להקל על בדיקות קוגניטיביות במהלך ניתוח המוח ער לתמוך ניתוחים בזמן אמת בשירות של חיזוי התוצאה של החולה. "

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי NIH מענקים R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535, ו NSF להעניק BCS-1349042 כדי BZM, ועל ידי אוניברסיטת מרכז רוצ'סטר עבור מלגת הכשרה למדעי המדע של מדעי העין (NIH הכשרה 5T32EY007125-24) כדי FEG. אנו אסירי תודה לקית ' פרקינס על עבודתו בפיתוח המרכז למחקר ויזואלי, שנתמך על-ידי מענק הליבה P30EY00131 בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת רוצ'סטר. התוכנית עבור מיפוי המוח Translational באוניברסיטת רוצ'סטר הוקמה, בין השאר, עם תמיכה של נורמן וארלין Leenhouts, עם מענק של ווילמות סרטן המכון לד"ר. קווין וולטר וברדפורד הון. מידע על התוכנית למיפוי המוח טרנסלtional באוניברסיטת רוצ'סטר המרכז הרפואי ניתן למצוא ב: www.tbm.urmc.edu.