Summary
Denne artikel giver et overblik over en multimodal Brain Mapping program designet til at identificere regioner i hjernen, der understøtter kritiske kognitive funktioner i individuelle Neurokirurgi patienter.
Abstract
Den translationelle Brain Mapping program på University of Rochester er en tværfaglig indsats, der integrerer kognitiv videnskab, neurofysiologi, neuroanæstesi, og Neurokirurgi. Patienter, der har tumorer eller epileptogenic væv i veltalende hjerneområder er undersøgt præoperativt med funktionelle og strukturelle MRI, og intraoperativt med direkte elektrisk stimulation kortlægning. Post operative neurale og kognitive resultater måler brændstof grundlæggende videnskabelige undersøgelser om de faktorer, der mægle godt versus dårligt resultat efter operationen, og hvordan hjernen kortlægning kan optimeres yderligere for at sikre det bedste resultat for fremtidige patienter. I denne artikel beskriver vi det tværfaglige workflow, der gør det muligt for vores team at opfylde de synergistiske mål om at optimere patient resultatet og fremme den videnskabelige forståelse af den menneskelige hjerne.
Introduction
Neurokirurgiske indgreb for at fjerne hjernetumorer eller epileptogenic væv støder op til hjernen områder, der understøtter kritiske kognitive funktioner skal afbalancere det kliniske mål for operationen (fjerne så meget tumor, eller epileptogenic væv som muligt) mod skade på sundt væv, der kan forårsage Neuro logiske underskud. I forbindelse med hjernen tumor kirurgi, denne balance omtales som den onco-funktionelle balance. På den ' onco ' side af balancen, kirurger ønsker at fjerne så meget af tumoren som muligt, som satserne for ' brutto total tumor resektion ' er knyttet til længere overlevelse1,2. På den ' funktionelle ' side, fjernelse af tumorer kan skade kortikale og subkortikale substrater af kognition; postoperative vanskeligheder kan involvere sprog, handling, vision, hørelse, berøring eller bevægelse, afhængigt af det eller de neurale system (er), som berøres. Den onco-funktionelle balance er kritisk vigtig, fordi øget sygelighed er forbundet med i) lavere livskvalitet, II) øgede postoperative komplikationer, der kan øge dødeligheden (f. eks. patienter, der ikke længere kan bevæge med en højere risiko for blodpropper3,4). Spændingen iboende i ' onco-funktionelle ' balance i indstillingen af hjernen tumor kirurgi oversætter såvel til epilepsi kirurgi-der balancen er mellem det kliniske mål om at fjerne alle væv, der genererer anfald, mens ikke fjerne væv der understøtter kritiske funktioner.
På et bredt niveau, funktionel Neuro anatomi er meget stereotyp fra individ til individ. Der kan dog være en høj grad af individuel variation i den præcise (dvs. mm til mm) placering af højere kortikale funktioner. Desuden er det almindeligt anerkendt, at tilstedeværelsen af kortikale eller subkortikale patologi kan anspore kortikale reorganisation, selv om de principper, der drev en sådan reorganisation er dårligt forstået5. Neuro kirurgiske indgreb fortsætte millimeter af millimeter. Det er derfor afgørende at kort holde hver patients hjerne, i detaljer og med følsomhed og præcision, for at forstå, hvilke regioner i denne specifikke patient støtte, som sensoriske, kognitive og motoriske funktioner6.
Programmet for Translationel Brain mapping på University of Rochester er blevet udviklet til at opfylde behovene for personlig hjerne kortlægning i fastsættelsen af en høj gennem-Put praksis spænder over flere akademiske kirurger. De synergistiske mål i hjernen Mapping program er at i) bruge værktøjerne i kognitiv neurovidenskab til at fremme personlig neuromedicin, i form af patient-specifikke funktionelle hjernen kort, og II) bruge den kliniske forberedelse af neurokirurgiske indgreb for at teste mekanistiske hypoteser om, hvordan den menneskelige hjernefunktioner.
Protocol
De aktiviteter, der er vist i videoen og beskrevet heri falder inden for en større-end-minimal-risiko IRB på University of Rochester Medical Center.
1. ansættelse
- Etablere et højt gennem-Put program for præ-operative kognitiv og MRI-baseret vurdering til at fange patienter fra alle henvisende udbydere på en rettidig og effektiv måde. At involvere det administrative og kliniske personale i den bredere indsats.
Bemærk: et konkret skridt, der har vist sig effektiv var etableringen af en gruppe e-mail-liste, der automatisk sendes af den behandlende kirurg (eller en person på deres støttepersonale), når en ny patient præsenterer til klinikken, der kan være en kandidat til rekruttering i hjernen Mapping program.
2. præ-operative MRI kortlægning
- Få Mr-data på en 3T MRI-scanner med en 64-kanals hoved spole i Center for Advanced Brain Imaging og Neuro fysiologi (formelt kendt som "Rochester Center for brain imaging") på University of Rochester Medical School. Brug standard sekvenser for fed MRI og DTI, der tillader fuld hjernescanning, som beskrevet i tidligere publikationer7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.
- Overvågning fiksering, og rekord respiration og puls indsamlet under alle fMRI til regression af støj konfunderer26,27.
Bemærk: i løbet af de seneste 10 år har vi udviklet et bibliotek af funktionelle MRI eksperimenter til at kort sprog (talte, auditive, enkelte ord, hele sætninger), motorisk funktion (fra den intransitive finger, tunge og mundbevægelser til højt niveau transitive handlinger), musik evne, matematik og nummer viden, og grundlæggende sensorisk funktion (f. eks. retinotopic mapping til kort af lav niveau visuel behandling11,14,24). Alle eksperimenter, materialer og analyse scripts er tilgængelige på www.openbrainproject.org.
3. Neuropsykologisk testning
- Vær forsigtig under alle kognitive tests for at sikre, at patienterne er komfortable, sikres ved hjælp af en ergonomisk optimeret opsætning (figur 1) og ved at bygge hyppige pauser (hver 8 min) i strukturen af alle tests.
- Har alle lav kvalitet tumor patienter fuldføre følgende tests 1 måned før operationen, 1 måned efter operationen, og 6 måneder efter operationen (test 12 og 13 er kun afsluttet i den præ-operative og 6 måneder postoperative tidspunkter)28,29 ,30,31,32.
- Spontan tale (cookie tyveri billede33, Askepot Story34,35,36).
- Kategori Fluency (handlinger, semantiske kategorier, ord, der starter med F, A, S).
- Ord læsning og gentagelse (navneord, verber, adjektiver, non-Words, matchet på længde og hyppighed).
- Navngivning af Snodgrass-objekt (n = 26037).
- Auditiv navngivning (n = 6038).
- Høj-Cloze punktum fuldførelse (30 min).
- Birmingham objekt anerkendelse batteri (BORB, herunder længde | Størrelse | Orientering | Gap matching | Overlappende tal | Foreshorede visninger | Objekt virkeligheds beslutning39).
- Auditiv minimal par diskrimination (f. eks. PA vs. da, GA vs. ta31,40).
- Sætning billede matching (herunder reversible passiver40).
- Farve navngivning og Farnsworth Munsell Hue sortering41.
- Cambridge Face test30,42.
- Californien verbal læring test (43)
- Weshler IQ (44,45,46). De vigtigste foranstaltninger til evaluering af sprog resultatet er test 4-6; karakterisering af bredere evner sikrer, at funktionsnedsættelser på navngivnings tests ikke skyldes generel ydelses nedgang47.
Bemærk: tidligere har vi brugt en kombination af software præsentations platforme til at styre stimulus præsentation og respons optagelse under præ-og postoperative test. Vi designer i øjeblikket en enkelt plug-and-Play-platform til at understøtte alle kognitive tests (præ, intra-og postoperative tests) samt stimulus præsentation og respons optagelse under funktionel MRI (se nedenfor for beskrivelse af StrongViewTM ). StrongView, sammen med indbyggede neuropsykologiske tests, vil være tilgængelig for download (åben licens) på www.openbrainproject.org.
4. neuroanæstesi og ergonomi af intraoperativt sprog kortlægning
- Brug bedøvelsesteknikker til vågen craniotomier48,49,50; på University of Rochester, er vågen craniotomier typisk udføres ved hjælp af en søvn-vågen-sovende tilgang.
- Undgå præmedicinering såsom antikonvulsiva og angstdæmpende, da de kan forringe kognitiv funktion og bidrage til fremkomsten delirium.
- Anvend standard monitorer (EKG, NIBP, Pulse oximetry) og inducere generel anæstesi med intravenøs fentanyl (0,5 mg/kg), lidocain (1-1,5 mg/kg) og propofol (1-2 mg/kg).
- Brug en supraglottiske luftvejs luftveje til mekanisk ventilation.
- Placer patienten sideværts eller semi-lateralt med hovedet sikret i en fastgjort ramme; som beskrevet i videoen, afhænger patientens positionering af placeringen af læsionen og den planlagte kraniotomi vindue, samtidig med at der tages hensyn til, at typer af kognitive test patienten vil blive bedt om at udføre en gang vågen under operationen.
- Påfør analgesi på stiften og incisionstedet (30 mL 0,5% lidocain, 30 mL 0,5% Sensorcaine plain, 6 mL natriumbicarbonat). I denne periode, placere testudstyr (lille skærm, videokameraer, retningsbestemte mikrofoner).
- Bestem størrelsen af kraniotomi vindue ved flere faktorer, som varierer i deres vægtning i henhold til resultaterne af præ-operative kliniske kortlægning af patientens hjerne, funktionelle hjerne kortlægning undersøgelser, og planen for intra-operative kortlægning. I det tilfælde, der er beskrevet i videoen, den behandlende kirurg (Dr. Pilcher) valgte en stor kraniotomi for at få fuld adgang til kort positive sprog og motor steder i den dominerende halvkugle.
- I begyndelsen af vågen-fase, afbryde sedation (lokale analgetika anvendes før incision).
- Fjern supraglottiske luftvejs luftvejene, når patienten genvinder bevidstheden. Der er ingen eller minimal sedation i vågen fase.
- Brug elektro kortikografi (ECoG) til at overvåge efter-udledninger (subkliniske epileptiforme udledninger induceret af kortikale stimulation) for at sikre, at DES niveauer er sat til lige under efter-udledning tærskel. DES mapping procedure initierer ved at finde efter-udledning tærskel, og justere stimulation amplitude (i trin af. 5 milliamp).
- Justér stimulations amplitude i løbet af kortlægnings sessionen (2 til 15 mA) efter den behandlende kirurgs skøn. Patienter ser stimuli på en skærm og kan tale og flytte deres underarme og hænder.
5. procedurer for erhvervelse af forskning-grade data under intraoperativ direkte elektrisk stimulation kortlægning
- Kør alle intraoperativ kognitive tests på et specialbygget hardware/software system kaldet ' strongview ', som findes på www.openbrainproject.org. Hardware fodaftryk er selvstændig i en lille vogn, og er udstyret med en uafhængig backup batteristrøm kilde, højttalere, tastatur og touch display. Den person, der er anklaget for at køre den kognitive test kan starte, stoppe og pause stimulus præsentation, mens løbende optagelse (lyd og video) i løbet af sagen.
- Brug et lydsystem på vognen, således at en retningsbestemt mikrofon, der er uddannet på patientens mund, som feeds gennem en splitter. En kanal, der kommer ud af splitter, går gennem en forstærker og direkte til en højttaler. Dette gør det muligt for kirurger og forskere nemt at høre patientens respons mod baggrundsstøjen i operationsstuen med nul mærkbar forsinkelse (dvs. eliminere "ECHO"-effekter). Den anden kanal fra splitter går til pc'en på mobil vognen, hvor det er tidsstemplet, indspillet og opbevaret (disse filer bruges til offline analyse). StrongView har også en separat (stand-alone) lydsystem, der består af en anden retningsbestemt mikrofon også uddannet på patienten, en retningsbestemt mikrofon uddannet på kirurger, og en ' støj ' mikrofon i et hjørne af operationsstuen til at prøverummet tone for subtraktion fra de vigtigste lydfiler. Disse tre lydkanaler feed til en MIDI, og til en anden computer, der registrerer hver kanal separat. Dette andet lydsystem giver redundans hvis det primære system mislykkes, vil alle mundtlige svar fra patienten være tilgængelige for offline analyse.
- Fastgør en kommercielt tilgængelig ether-skærm L-beslag til operationsstuen (eller) ved hjælp af en-eller bord klemme. Fastgør artikulerende arme (f. eks. Manfrotto 244 variable friktion Magic Arms) til ether-skærmen L-beslag, og dem, der artikulerer arme, støtter patientmonitoren, retningsbestemte mikrofoner, videokamera, der er uddannet på patientens ansigt, og en hjælpe Monitor til at Lad et forskerteam medlem eller sygeplejerske i operationsstuen nemt se, hvad patienten ser, mens du interagerer med patienten.
- Kør alle nødvendige kabler til skærmene, mikrofoner og kamera langs armen og Beskyt med plastik slanger sikret med velcro.
Bemærk: intet af dette udstyr skal steriliseres, da det (kun nogensinde) er på den ikke-sterile side af feltet (figur 1). Denne måde at støtte stimulus præsentation og respons kontroludstyr giver maksimal fleksibilitet til at tage hensyn til de forskellige ergonomi af kognitiv testning i henhold til patientens positionering, som varierer fra sag til sag, men giver en pålidelig og stabil platform, hvorpå udstyret skal monteres. Også, og vigtigere, fordi alle skærme, mikrofoner og kameraer er fastgjort til eller bord via en enkelt enhed (ether skærm L-beslag), hvis placeringen af bordet er justeret i løbet af sagen dette påvirker ikke test opsætningen. (Bemærk, at opsætningen vist i figur 1 er fra en tidligere generation opsætning, hvor en gulv-monteret stativ understøttet patientens skærm, mikrofon og videokamera; denne gulvmonterede stander er blevet udskiftet siden 2018 med Etherskærmen L-beslag). Også, og vigtigere for patientsikkerhed, kan hele opsætningen for kognitiv testning opdeles på mindre end 20 sekunder i tilfælde, hvis en emergent situation præsentere sig selv, at mandater fuld og uhindret adgang til patienten (f. eks. til patientens luftvejene). - Hjertet af StrongView er et fleksibelt software system til i) , der præsenterer stimuli (visuel, auditiv) til patienter og registrerer patientens respons (verbal, knap respons, video), II) timeligt registrerer alle eksperimentelt relevante begivenheder og foranstaltninger (stimulus på, ECoG, kontakt med hjernen af direkte elektrisk stimulator sonde, patientrespons); III) og kommunikation med kranielle navigationssystemer for at opnå den 3 dimensionelle koordinat for hver anvendelse af direkte elektrisk stimulation. StrongView tillader on-line re-kalibrering af eksperimentelle variabler såsom stimulus varighed, Inter-stimulus-intervaller, randomisering, antallet af gentagelser eller blokke af stimuli, og kontrol af patientens video og audiokanaler. StrongView streams patientens videokamera, online ECoG data, og stimulus, at patienten i øjeblikket ser/hørelse til en desktop display, som også spejles på en stor skærm, der er i den linje af synet af kirurgen.
- Fastgør en fotodiode til patientmonitoren, og Indlever den i en åben kanal på ECoG-forstærkeren. Dette giver en tidsmæssig synkronisering mellem præsentationen af hver stimulus og ECoG for offline analyse.
- Brug kranie navigation hardware og software (på University of Rochester, brainlab Inc., München, Tyskland) i alle tilfælde af det kirurgiske team for intra-operative kranie navigation baseret på præ-operative MRI. Dette er et optisk system bestående af et sæt kameraer, der ser drifts feltet og registrerer patientens hoved via en fast registrerings stjerne, der er anbragt på operationsbordet (Se figur 1).
- Specifikt, efter at patienten er indstillet i headholderen, men før Drapering, bruge patientens facial fysiognomy til at registrere patientens hoved til den præoperative MRI. Dette gør det muligt for præ-operative MRI (funktionelle og strukturelle) at blive bragt i direkte overensstemmelse med patientens hjerne på operationsbordet.
- Vedhæft en anden (meget mindre) registrering stjerne til bipolar stimulator (Se figur 1) og bruge til at registrere stimulatoren længde og position i marken. Dette gør det muligt for forskerholdet at erhverve den nøjagtige placering af hvert punkt af stimulation samt marginer af resektion, i forhold til præ-operative MRI. Som nævnt ovenfor, StrongView er forbundet med kraniet navigationssystem (på University of Rochester, BrainLab, forbindelse via IGT link) for at give mulighed for realtid streaming (og tidsstempling) af koordinaterne for direkte elektrisk stimulation kortlægning. StrongView er i øjeblikket ved at blive udviklet til at interface med andre kranielle navigationssystemer (f. eks Stryker).
Bemærk: aspekter af StrongView, der understøtter administration og dataindsamling under kognitive og fMRI-eksperimenter, vil sammen med et bibliotek af tests være tilgængelige (åben adgang) på OpenBrainProject.org. Beta versioner er tilgængelige før den fulde udgivelse ved at kontakte den tilsvarende forfatter. Hele strongview-suiten, som omfatter hardware systemer, der kan integreres med elektro kortikografi og kranie navigationssoftware, er tilgængelig for klinikere og videnskabsfolk ved at kontakte den tilsvarende forfatter. Disse værktøjer til indsamling af data vil være i flydende sammen med en post-processing pipeline og et åbent data konsortium, der skal lanceres i 2020 på OpenBrainProject.org.
Representative Results
Figur 2, figur 3, og figur 4 præsenterer repræsentative resultater af præ-operative funktionelle og strukturel kortlægning for tre patienter med tumorer, der støder op til veltalende regioner i hjernen. De resultater, der er vist i figur 2, figur 3, og figur 4 er beregnet til at være illustrative (snarere end en udtømmende sammenfatning) af de typer af kort, som genereres for hver patient. Nærmere oplysninger om de tilfælde, der præsenteres i figur 2, figur 3, og figur 4 findes i: figur 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, i pressen51), figur 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher og Mahon, 201952) og figur 4 (garcea et al., 201716). En vigtig konsekvens af på hinanden følgende rekruttering af gliom patienter i en ensartet protokol er, at det gør muligt gruppe-niveau analyser, der evaluerer effekten af hjernetumorer på netværksfunktion og organisation. Som et eksempel på denne type analyser, figur 5 præsenterer resultater fra en nylig undersøgelse 14 , der fandt, at tumorer i venstre parietal cortex moduleret neurale svar til ' værktøjer ' (små manipulerbare objekter) i den tidsmæssige lap, en forekomst af en mere generelt fænomen omtales som dynamisk diaschesis53.
Figur 1. Oversigt over udstyr, der anvendes til ekstra operative og intra-operative kognitive tests. (A) eksempel setup for høj gennem-Put kognitiv neuropsykologiske test som implementeret af programmet for Translationel hjerne kortlægning i Department of neurosurgery på University of Rochester Medical Center. Nøgleelementer til at sikre, at alle rekrutterede patienter er i stand til at gennemføre alle planlagte tests omfatter: i) et sted, hvor patienterne kan sidde og fuldføre testning, som er fuldt justerbar for hver patients størrelse, herunder en stol, der er specielt designet til at reducere og II) lokalisering af kognitiv/adfærdsmæssig testning, som fysisk støder op til MRI. Disse elementer giver patienterne mulighed for at besøge faciliteten og fuldføre deres funktionelle og strukturelle MRI inden for samme session, som de centrale adfærdsmæssige data måles. Deltagerne fuldføre flere forsøg med bedre ydeevne, hvis de er komfortable, især for ældre deltager populationer med andre komorbiditeter, der kan gøre siddende i længere perioder ubehageligt. B) udstyr, der anvendes ved intraoperativt kortlægning. Billedet til venstre viser en patient, før det er draperet (højre er efter Drapering). Før Drapering opsætter det kognitive videnskabs team deres udstyr, herunder lyd-og videooptagere af patienten, en skærm, der er placeret foran patientens synsvidde, og en anden skærm placeret, så den person, der arbejder med patienten, nemt kan Se den stimulus, som patienten kigger på i øjeblikket (Se ' procedure ' for detaljer). (C) bipolar stimulator med registrering stjerne knyttet til rekord placering af intra-operative stimulation i PRÆOPERATIVE MRI DICOM plads. Normalt på det punkt i operationen, hvor Dura er blevet trukket tilbage, og patienten bliver vågnet fra generel anæstesi, der er et par minutter til at registrere den bipolar stimulator til marken. Dette skal gøres af et teammedlem, der er skrubbet i sagen (dvs. enten deltager eller bosiddende kirurg eller en krat Tech/sygeplejerske). Det opnås ved at vedhæfte en lille registrering stjerne til bipolar stimulator og følge instruktionerne i kranie navigationssystemet for at registrere et nyt instrument på banen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 . Præ-operative funktionelle MRI og diffusion tensor Imaging (DTI) i patient Ah med en venstre ringere parietal gliom, der infiltrerede den bueformede fasciculus. (A) præ-operative T1 MRI og 3D rekonstruktion af venstre bueformede fasciculus og gliom. Den bueformede fasciculus er vist i orange ved en 5% tærskel med tumoren rekonstrueret i blåt. B) præoperativ funktionel MRI. Patienten gennemførte flere sessioner af funktionelle MRI, der hver var designet til at kort en funktion, der var forventet at være støder op til det område af kirurgisk indgreb. Alle kort er thresholded på FDR q <. 05 eller bedre. I blåt er voxels, der udviser differentiale neurale svar, når navngivning værktøjer sammenlignet med dyr; i overensstemmelse med tidligere undersøgelser fra vores laboratorium med de samme stimuli identificeres et robust netværk, der involverer premotor, parietal og laterale og ventrale tidsmæssige områder7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Patienten blev også bedt om at udføre en numerosity opgave, hvor han var nødt til at bedømme, hvilke af to skyer af prikker havde flere prikker; de to skyer af prikker kunne enten have et lignende antal prikker (hård sammenligning, ratio = 0,8) eller meget forskellige antal prikker (let sammenligning, ratio = 0,25). I grøn er voxels, der udviser differentiale neurale svar, når de udfører opgaven over hårde forhold stimuli (ratio = .8) sammenlignet med nemme stimuli (ratio = .25 54,55). Patienten blev også bedt om at flytte sine hænder og fødder (enten Flex/forlængelse eller Roter25). I rødt er voxels, der udviste differentiale neurale reaktioner på bevægelser af højre hånd i forhold til bevægelser af højre fod. Endelig blev patienten bedt om at generere så mange elementer, som han kunne tænke på i 30 sekunder fra forskellige kategorier (fx ' ting du gør i køkkenet ', ' dyr ', ord, der starter med ' F ', osv.). I lilla er voxels, der udstillet differentiale neurale aktivitet for åbenlys ord produktion i forhold til fiksering/hvile. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 . Præ-operative hvide stof tractography af frontal Aslant tarmkanalen og tilstødende u-formede fibre. Tidligere erfaring i programmet for Translationel hjerne kortlægning (Chernoff et al., 201756) med hjerne kortlægning hos patienter med gliomer ved siden af frontal-aslant-kanalen viste, at (selv delvis) transektion af denne pathway kan forbindes med dysfluer i spontan tale, mens gentagelse af talte sprog kan forblive intakt. Denne tidligere erfaring blev brugt til at informere præ-operative kortlægning af frontal aslant tarmkanalen i patient AI11. (A) koronale skiver, der viser den frontale aslant-kanal (blålyseblå) og du-formede fibre (rød-gul). Den frontale aslant-tarmkanalen passerer bare forreste og mediale til glioma. (B) 3D-gengivelse af frontal-aslant-tarmkanalen (blå) og tumor (rød) fra flere perspektiver. De præ-operative anatomiske undersøgelser (paneler A og B) indikerede, at i slutningen af tumor resektion, ville det være muligt at definere den forreste margin af tumor ved hjælp af direkte elektrisk stimulation kortlægning. Vi har således designet en ny sprog opgave baseret på vores tidligere erfaring, specifikt for at teste, om stimulering af frontal aslant-kanalen forstyrrede sætnings produktionen ved grænserne for grammatiske sætninger. C) direkte elektrisk stimulation af den frontale aslant-kanal forstyrrer sætnings produktionen differentielt ved grænserne for grammatiske sætninger. Skærmbilledet (panel C, venstre) fra videoen viser patienten, den stimulus, hvormed han blev præsenteret, kirurgens hånd holder bipolar stimulator i kontakt med frontal aslant tarmkanalen ved den forreste margin af tumoren, og placeringen i koronal og sagittale skiver af den aktuelle stimulation placering (rød prik) i forhold til frontal aslant tarmkanalen (blå). Patientens opgave var at beskrive målfigurens rumlige relation i forhold til placeringen af en reference form (for det viste forsøg ville det korrekte svar være: "den røde firkant er under den røde diamant"). Vi fandt, at stimulering af den frontal aslant tarmkanalen forstyrret sætning produktion, og differentielt så i starten af nye grammatiske sætninger (panel C, graf til højre; for video af den intraoperativ kortlægnings procedure hos denne patient, se www.openbrainproject.org). denne observation motiverer en ny hypotese om rollen som frontal aslant-kanalen i sætnings produktion: de Syntagmatic begrænsninger på positionelle elementer (SCOPE) hypotese11. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. Præ-operative funktionelle og strukturelle MRI og intraoperativ direkte elektrisk stimulation kortlægning i en professionel musiker med en gliom i højre posterior temporale lap.(A) Præoperativ fMRI-kortlægning af visuel behandling på højt niveau, sprog produktion og værktøjs viden. Tumoren, skygget gul, var i den rigtige temporale lap, synlig gennem den rigtige overlegne temporale sulcus (sulci lidt udvidet for at lette visualisering). Fordi tumoren var placeret tæt på motion behandling områder i lateral Temporal cortex, vi lokaliseret MT/V5 ved at sammenligne neurale aktivitet, når patienten deltog i arrays af bevægelige prikker til neurale aktivitet fremkaldt af stationære prikker; voxels udviser differens neurale respons for bevægelse i forhold til statiske prikker er afbildet på den lilla-hvide farveskala (vi er taknemmelige for Duje Tadin for at hjælpe med at udvikle denne funktionelle Localizer). Som for alle andre tilfælde undersøgt i programmet for Translationel hjerne kortlægning (f. eks.Figur 2,Figur 3), voxels udviser differentiale neurale svar til navngivning af almindelige billeder sammenlignes med en baseline for visning fase-scrambled versioner af de samme billeder; Dette afbildes på den grøn-hvide farveskala. Denne kontrast identificerede bilateral lateral occipital Complex, bilateral Middle/Superior Temporal gyrus, og motorisk cortex (forbundet med tale motorisk aktivitet). Også som iFigur 2, voxels udviser differentiale neurale svar, når navngivning ' værktøjer ' blev fundet i venstre ringere parietal lobule, bilateral Superior parietal/dorsal occipital cortex, og venstre posterior midterste/ringere Temporal gyrus (blå-hvid farveskala). Endelig, og igen som iFigur 2, blev patienten bedt om at udfylde en verbal flydende ord produktion opgave. Voxels forbundet med Word generation sammenlignet med en hvilende baseline er afbildet på den rød-hvide farveskala og blev fundet i den venstre ringere frontal gyrus (Broca's område), overlegen Temporal/ringere parietal cortex, og talen motorsystem. (B) Patienten har gennemført flere funktionelle MRI-eksperimenter, som er præ operativt specifikt til kort behandling af musik. I et eksperiment, modelleret efter tidligere arbejde fra Greg Hickok Lab57, patienten hørte korte klaver melodier og måtte Nynne melodien tilbage, eller hørte korte sætninger og var nødt til at gentage sætningerne tilbage. Plottet på hjernen på den rødlilla farveskala er voxels, der udstillet differential neurale aktivitet for musik end for sprog. Fire Eastman School of Music graduate studerende afsluttet det samme fMRI eksperiment; grænsen for den region, der identificeres for den samme funktionelle kontrast i de matchede, sunde Kontroller, afbildes i grøn kontur. Derudover afsluttede 10 andre Neurokirurgi-patienter det samme eksperiment, også i den præoperative fase af deres behandling. Mens det nærgående mål i disse 10 patienter var at identificere sprog-Responsive områder (thorugh kontrasten af sprog > musik), den kontrast af musik > sprog identificerer en meget lignende region af den rigtige overlegne Temporal gyrus (grænser for den funktionelle region fra 10 kontrol neuro kirurgi patienter er trukket i lyseblå). (C) Præ-operative probabilistisk tractography over DTI data viser de rigtige akustiske stråler og bueformede fasciculus i forhold til patientens AE tumor (5% tærskel, overlagt på indfødte T2-vægtet billede). (D) Under sin operation udførte patient AE den samme opgave som under fMRI, hvor han måtte lytte til korte klaver melodier og Nynne dem tilbage, eller en kort sætning og gentage den igen. Det blev konstateret, at direkte elektrisk stimulation til højre posterior superior Temporal gyrus forstyrrede ydeevnen i gentagelses opgaven, når den blev udført over melodier (for nogle forsøg), men påvirkede ikke ydeevnen (på nogen forsøg) for den samme gentagelsesopgave udført i løbet af sætninger (Se www.openbrainproject.org for videoer af intraoperativ musik kortlægning).Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5 . Demonstration af domæne specifik diaschesis: analyse af forholdet mellem læsions placering og stimulus-fremkaldte neurale aktiviteter på tværs af en gruppe af gliom-patienter studerede præ-operativt i programmet for Translationel hjerne. En vigtig konsekvens af at administrere et fælles sæt af funktionelle MRI og adfærdsmæssige undersøgelser til alle patienter, der går gennem programmet for Translationel hjerne kortlægning på University of Rochester Medical Center er mulighed for at udføre gruppe-niveau analyser af større sæt af fortløbende undersøgt patienter. Som et eksempel viser figur 5 resultaterne af en test af den grundlæggende videnskabelige hypotese, at neurale reaktioner på "Tools" i Temporal lap er moduleret online ved input fra parietal cortex. Hvis denne hypotese er korrekt, så læsioner (tumorer) i parietal cortex bør ændre neurale reaktioner i den tidsmæssige lap til ' værktøjer ', og varians på tværs af patienter i neurale aktivitet til ' værktøjer ' i den tidsmæssige lap bør korreleres med tilstedeværelsen af læsioner ( tumorer) i parietal cortex. (A) læsioner til parietal cortex er forudsagt på gruppeniveau (logistisk regression) fra varians på tværs af patienter i neurale reaktioner i den mediale fusiform gyrus på den ventrale overflade af den tidsmæssige lap. (B) neurale reaktioner på værktøjer i den mediale fusiform gyrus forudsiges på gruppeniveau (logistisk regression) fra varians i, om læsion/tumor involverer den forreste intraparietal sulcus (aip'er). Resultaterne opsummeret i panel A og B repræsenterer et tilfælde af dynamisk diaschesis53, i dette tilfælde ' domæne-specifik ' dynamisk diaschesis, fordi forholdet mellem læsions placering til neurale aktivitet er moduteret af den type stimulus, der behandles ( dvs., at relationen er til stede for værktøjer, og ikke for steder, ansigt eller dyr)-for alle detaljer se Garcea og kolleger14. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Den viden, der er opnået ved at etablere programmet for Translationel hjerne kortlægning ved universitetet i Rochester, kan destilleres i to kerneelementer. Først blev der etableret strukturerede kommunikationskanaler blandt kognitive videnskabsfolk, Neuro-onkologer, Neuro psykologer, epileptologer, Neuro fysiologer, Neuro-anæstesiologer, neurokirurger og deres respektive støtte teknikere og administrativ støtte. Dette giver patienter, herunder akut høj-grade tumor patienter, der skal henvises til præ-operative evaluering med tilstrækkelig tid til at vende analyser rundt til kirurger forud for proceduren. Den anden komponent afgørende for succesen af hjernen kortlægning program har været at folde i uddannelsesmuligheder for bachelor studerende, Graduate (MS, PhD) studerende, medicinske studerende, samt neurosurgery, neurologi og neuroradiology beboere og Stipendiater. Kombinationen af disse to elementer tjener til at engagere alle kliniske udbydere med de videnskabelige mål for hjernen kortlægning program, og sikrer, at grundlæggende videnskabelige mål er sammenflettet med det kliniske mål om at optimere udfaldet af hver patient.
Disclosures
Et foreløbigt patent (U.S. foreløbig Patent nummer 62/917258) blev indgivet 11/30/18 for "StongView: en integreret hardware/software-system til at lette kognitiv testning under vågen hjernekirurgi og til at støtte real-time analyser i tjenesten af at forudsige patientens udfald. "
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af NIH Grants R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535 og NSF Grant BCS-1349042 til BZM, og af et universitet i Rochester Center for Visual Science predoktor Training Fellowship (NIH uddannelse Grant 5T32EY007125-24) til FEG. Vi er taknemmelige for Keith Parkins for hans arbejde med udviklingen af StrongView, som blev støttet af Core Grant P30EY00131 til Center for visuel videnskab ved University of Rochester Medical School. Programmet for Translationel hjerne kortlægning ved University of Rochester blev etableret, delvis, med støtte fra Norman og Arlene Leenhouts, og med et stipendium fra Wilmot Cancer Institute til DRs. Kevin Walter og Bradford Mahon. Oplysninger om programmet for Translationel hjerne kortlægning på University of Rochester Medical Center kan findes på: www.tbm.urmc.edu.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| NA | NA | NA |
References
- Brown, T. J. Association of the extent of resection with survival in glioblastoma: A systematic review and meta-analysis. JAMA Oncology. 2, 1460-1469 (2016).
- Bloch, O. Impact of extent of resection for recurrent glioblastoma on overall survival. Journal of Neurosurgery. 117, 1032 (2012).
- McGirt, M. J. Association of surgically acquired motor and language deficits on overall survival after resection of glioblastoma multiforme. Neurosurgery. 65, 463-470 (2009).
- Rahman, M. The effects of new or worsened postoperative neurological deficits on survival of patients with glioblastoma. Journal of Neurosurgery. 127, 123-131 (2017).
- Herbet, G., Moritz-Gasser, S., Lemaitre, A. L., Almairac, F., Duffau, H. Functional compensation of the left inferior longitudinal fasciculus for picture naming. Cognitive Neuropsychology. , 1-18 (2018).
- Rofes, A. Language processing from the perspective of electrical stimulation mapping. Cognitive Neuropsychology. , 1-23 (2018).
- Almeida, J., Fintzi, A. R., Mahon, B. Z. Tool manipulation knowledge is retrieved by way of the ventral visual object processing pathway. Journal of Cognitive Neuroscience. 49, 2334-2344 (2013).
- Chen, Q., Garcea, F. E., Almeida, J., Mahon, B. Z. Connectivity-based constraints on category-specificity in the ventral object processing pathway. Neuropsychologia. 105, 184-196 (2017).
- Chen, Q., Garcea, F. E., Jacobs, R. A., Mahon, B. Z. Abstract Representations of Object-Directed Action in the Left Inferior Parietal Lobule. Cerebral Cortex. 28, 2162-2174 (2018).
- Chen, Q., Garcea, F. E., Mahon, B. Z. The Representation of Object-Directed Action and Function Knowledge in the Human Brain. Cerebral Cortex. 26, 1609-1618 (2016).
- Chernoff, B., Sims, M., Smith, S., Pilcher, W., Mahon, B. Direct electrical stimulation (DES) of the left Frontal Aslant Tract disrupts sentence planning without affecting articulation. Cognitive Neuropsychology. , (In Press).
- Erdogan, G., Chen, Q., Garcea, F. E., Mahon, B. Z., Jacobs, R. A. Multisensory Part-based Representations of Objects in Human Lateral Occipital Cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 28, 869-881 (2016).
- Fintzi, A. R., Mahon, B. Z. A bimodal tuning curve for spatial frequency across left and right human orbital frontal cortex during object recognition. Cerebral Cortex. 24, 1311-1318 (2014).
- Garcea, F. E. Domain-Specific Diaschisis: Lesions to Parietal Action Areas Modulate Neural Responses to Tools in the Ventral Stream. Cerebral Cortex. , (2018).
- Garcea, F. E., Chen, Q., Vargas, R., Narayan, D. A., Mahon, B. Z. Task- and domain-specific modulation of functional connectivity in the ventral and dorsal object-processing pathways. Brain Structure and Function. 223, 2589-2607 (2018).
- Garcea, F. E. Direct Electrical Stimulation in the Human Brain Disrupts Melody Processing. Current Biology. 27, 2684-2691 (2017).
- Garcea, F. E., Kristensen, S., Almeida, J., Mahon, B. Z. Resilience to the contralateral visual field bias as a window into object representations. Journal of Cognitive Neuroscience. 81, 14-23 (2016).
- Garcea, F. E., Mahon, B. Z. Parcellation of left parietal tool representations by functional connectivity. Neuropsychologia. 60, 131-143 (2014).
- Kersey, A. J., Clark, T. S., Lussier, C. A., Mahon, B. Z., Cantlon, J. F. Development of Tool Representations in the Dorsal and Ventral Visual Object Processing Pathways. Cerebral Cortex. 26, 3135-3145 (2016).
- Kristensen, S., Garcea, F. E., Mahon, B. Z., Almeida, J. Temporal Frequency Tuning Reveals Interactions between the Dorsal and Ventral Visual Streams. Journal of Cognitive Neuroscience. 28, 1295-1302 (2016).
- Lee, D., Mahon, B. Z., Almeida, J. Action at a distance on object-related ventral temporal representations. Journal of Cognitive Neuroscience. 117, 157-167 (2019).
- Mahon, B. Z., Kumar, N., Almeida, J. Spatial frequency tuning reveals interactions between the dorsal and ventral visual systems. Journal of Cognitive Neuroscience. 25, 862-871 (2013).
- Paul, D. A. White matter changes linked to visual recovery after nerve decompression. Science Translational Medicine. 6, 1-11 (2014).
- Schneider, C. L. Survival of retinal ganglion cells after damage to the occipital lobe in humans is activity dependent. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society. 286, 20182733 (2019).
- Shay, E. A., Chen, Q., Garcea, F. E., Mahon, B. Z. Decoding intransitive actions in primary motor cortex using fMRI: toward a componential theory of 'action primitives' in motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 10, 13-19 (2019).
- Gotts, S. J. Two distinct forms of functional lateralization in the human brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, E3435-E3444 (2013).
- Saad, Z. S. Correcting brain-wide correlation differences in resting-state FMRI. Brain Connect. 3, 339-352 (2013).
- Mahon, B. Z. Action-related properties shape object representations in the ventral stream. Neuron. 55, 507-520 (2007).
- Negri, G. A. L. What is the role of motor simulation in action and object recognition? Evidence from apraxia. Cognitive Neuropsychology. 24, 795-816 (2007).
- Stasenko, A., Garcea, F. E., Dombovy, M., Mahon, B. Z. When concepts lose their color: a case of selective loss of knowledge of object-color. Journal of Cognitive Neuroscience. 58, 217-238 (2014).
- Stasenko, A. A causal test of the motor theory of speech perception: a case of impaired speech production and spared speech perception. Cognitive Neuropsychology. 32, 38-57 (2015).
- Garcea, F. E., Dombovy, M., Mahon, B. Z. Preserved tool knowledge in the context of impaired action knowledge: implications for models of semantic memory. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 1-18 (2013).
- Draper, I. T. The accessment of aphasia and related disorders. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry. 36, 894-895 (1973).
- Catani, M. A novel frontal pathway underlies verbal fluency in primary progressive aphasia. Brain. 136, 2619-2628 (2013).
- Mesulam, M. M., Wieneke, C., Thompson, C., Rogalski, E., Weintraub, S. Quantitative classification of primary progressive aphasia at early and mild impairment stages. Brain. 135, 1537-1553 (2012).
- Rogalski, E. Progression of language decline and cortical atrophy in subtypes of primary progressive aphasia. Neurology. 76, 1804-1810 (2011).
- Snodgrass, J. G., Vanderwart, M. A standardized set of 260 pictures: norms for name agreement, image agreement, familiarity, and visual complexity. Journal of Experimental Psychology: Human Learning and Memory. 6, 174-215 (1980).
- Hamberger, M. J., Seidel, W. T. Auditory and visual naming tests: Normative and patient data for accuracy, response time, and tip-of-the-tongue. Journal of the International Neuropsychological Society. 9, 479-489 (2003).
- Riddoch, M., Humphreys, J., Glyn, W. Birmingham object recognition battery. , Psychology Press. (1993).
- Kay, J., Lesser, R., Coltheart, M. Psycholinguistic assessments of language processing in aphasia (PALPA). , (1992).
- Farnsworth, D. The Farnsworth-Munsell 100-hue and dichotomous tests for color vision. Journal of the Optical Society of America. 33, 568-578 (1943).
- Duchaine, B., Nakayama, K. The cambridge face memory test: results for neurologically intact individuals and an investigation of its validity using inverted face stimuli and prosopagnosic participants. Neuropsychologia. 44, 576-585 (2006).
- Gorno-Tempini, M. L. Cognition and anatomy in three variants of primary progressive aphasia. Annals of Neurology. 55, 335-346 (2004).
- Weiss, L., Saklofske, D., Coalson, D., Raiford, S. WAIS-IV clinical use and interpretation: scientist-practitioner perspectives. Practical Resources for the Mental Health Professional. , (2010).
- Canizares, S. Reliability and clinical usefulness of the short-forms of the Wechsler memory scale (revised) in patients with epilepsy. Epilepsy Research. 41, 97-106 (2000).
- Wechsler, D. The measurement and appraisal of adult intelligence. , 4th, Williams & Wilkins. (1958).
- Caramazza, A. The logic of neuropsychological research and the problem of patient classification in aphasia. Brain and Language. 21, 9-20 (1984).
- Sanai, N., Mirzadeh, Z., Berger, M. S. Functional outcome after language mapping for glioma resection. New England Journal of Medicine. 358, 18-27 (2008).
- Ojemann, G. Individual variability in cortical localization of language. Journal of Neurosurgery. 50, 164-169 (1979).
- Rofes, A., de Aguiar, V., Miceli, G. A minimal standardization setting for language mapping tests: an Italian example. Neurological Sciences. 36, 1113-1119 (2015).
- Chernoff, B. L., Teghipco, A., Garcea, F. E., Sims, M. H., Belkhir, R., Paul, D. A., Tivarus, M. E., Smith, S. O., Hintz, E., Pilcher, W. H., Mahon, B. Z. Reorganized language network connectivity after left arcuate fasciculus resection: A case study. Cortex. , (in press).
- Chernoff, B. L., Sims, M. H., Smith, S. O., Pilcher, W. H., Mahon, B. Z. Direct electrical stimulation of the left frontal aslant tract disrupts sentence planning without affecting articulation. Cognitive Neuropsychology. 36, (2019).
- Price, C. J., Warburton, E. A., Moore, C. J., Frackowiak, R. S., Friston, K. J. Dynamic diaschisis: anatomically remote and context-sensitive human brain lesions. Journal of Cognitive Neuroscience. 13, 419-429 (2001).
- Kersey, A. J., Cantlon, J. F. Neural Tuning to Numerosity Relates to Perceptual Tuning in 3-6-Year-Old Children. Journal of Neuroscience. 37, 512-522 (2017).
- Kersey, A. J., Cantlon, J. F. Primitive Concepts of Number and the Developing Human Brain. Language Learning and Development. 13, 191-214 (2017).
- Chernoff, B. L., Teghipco, A., Garcea, F. E., Sims, M. H., Paul, D. A., Tivarus, M. E., Smith, S. O., Pilcher, W. H., Mahon, B. Z. A Role for the Frontal Aslant Tract in Speech Planning: A Neurosurgical Case Study. Journal of Cognitive Neuroscience. 30 (5), 752-769 (2018).
- Hickok, G., Buchsbaum, B., Humphries, C., Muftuler, T. Auditory-motor interaction revealed by fMRI: speech, music, and working memory in area Spt. Journal of Cognitive Neuroscience. 15, 673-682 (2003).
