Summary
Dit artikel biedt een overzicht van een multimodale Brain Mapping programma ontworpen om regio's van de hersenen die kritische cognitieve functies in individuele Neurochirurgie patiënten ondersteunen identificeren.
Abstract
De translationele Brain Mapping programma aan de Universiteit van Rochester is een interdisciplinaire inspanning die cognitieve wetenschap integreert, neurofysiologie, neuroanesthesie, en neurochirurgie. Patiënten met tumoren of epileptogenic weefsel in eloquente hersengebieden worden preoperatief bestudeerd met functionele en structurele MRI, en intraoperatief met directe elektrische stimulatie mapping. Postoperatieve neurale en cognitieve uitkomst meet de basiswetenschappen studies over de factoren die goed versus slecht resultaat bemiddelend na de operatie, en hoe hersen mapping verder kan worden geoptimaliseerd om het beste resultaat voor toekomstige patiënten te garanderen. In dit artikel beschrijven we de interdisciplinaire workflow waarmee ons team de synergetische doelstellingen van het optimaliseren van het resultaat van de patiënt en het bevorderen van wetenschappelijk inzicht in het menselijk brein kan bereiken.
Introduction
Neurochirurgische ingrepen te verwijderen van hersentumoren of epileptogenic weefsel grenzend aan hersengebieden die ondersteuning bieden voor kritische cognitieve functies moet evenwicht het klinische doel van de operatie (verwijderen zoveel tumor, of epileptogenic weefsel mogelijk) tegen schade aan gezond weefsel die neurologische tekorten kan veroorzaken. In de context van hersentumor chirurgie, dit evenwicht wordt aangeduid als de onco-functionele balans. Op de ' onco ' kant van de balans willen chirurgen zoveel mogelijk van de tumor verwijderen, omdat de percentages van ' bruto totale tumorresectie ' gekoppeld zijn aan een langere overleving1,2. Aan de ' functionele ' kant, verwijdering van tumoren kan corticale en subcorticale substraten van cognitie beschadigen; post-operatieve moeilijkheden kunnen betrekking hebben op taal, actie, visie, gehoor, aanraking of beweging, afhankelijk van het getroffen zenuwstelsel (en). De onco-functionele balans is van cruciaal belang omdat verhoogde morbiditeit wordt geassocieerd met i) lagere kwaliteit van leven, II) verhoogde postoperatieve complicaties die de sterfte kunnen verhogen (bijv. patiënten die niet meer kunnen bewegen zijn bij een hoger risico op bloedstolsels3,4). De spanning die inherent is aan de ' onco-functionele ' balans in de setting van hersentumor chirurgie vertaalt zich ook naar epilepsie chirurgie — daar is het evenwicht tussen de klinische doelstelling van het verwijderen van alle weefsel dat aanvallen genereert, terwijl het niet verwijderen van weefsel die kritieke functies ondersteunt.
Op een breed niveau, functionele neuroanatomie is zeer stereotype van individu tot individu. Er kan echter een hoge mate van individuele variabiliteit zijn in de precieze (d.w.z. mm tot mm) locatie van hogere corticale functies. Bovendien wordt algemeen erkend dat de aanwezigheid van corticale of subcorticale pathologie corticale reorganisatie kan stimuleren, hoewel de principes die deze reorganisatie stimuleren slecht worden begrepen5. Neurochirurgische ingrepen gaan millimeter door millimeter. Het is dus van cruciaal belang om de hersenen van elke patiënt in detail en met gevoeligheid en precisie in kaart te brengen, om te begrijpen welke regio's in die specifieke patiënt ondersteunen welke sensorische, cognitieve en motorische functies6.
Het programma voor translationele hersen toewijzing aan de Universiteit van Rochester is ontworpen om te voldoen aan de behoeften van gepersonaliseerde hersen mapping in de setting van een hoge door-put-praktijk die meerdere academische chirurgen omspant. De synergetische doelstellingen van de hersenen mapping programma zijn om i) gebruik maken van de instrumenten van cognitieve neurowetenschappen om gepersonaliseerde neuro geneeskunde, in de vorm van patiënt-specifieke functionele hersen kaarten, en II) gebruik maken van de klinische voorbereiding van neurochirurgische ingrepen om mechanistische hypotheses te testen over hoe het menselijk brein functioneert.
Protocol
De activiteiten die in de video worden weergegeven en hierin worden beschreven, vallen binnen een IRB met een groter dan minimaal risico aan de Universiteit van Rochester Medical Center.
1. werving en selectie
- Het opzetten van een hoog door-put programma voor pre-operatieve cognitieve en MRI-gebaseerde beoordeling om patiënten van alle verwijzende aanbieders tijdig en efficiënt te vangen. Betrek het administratief en klinisch personeel bij de bredere inspanning.
Opmerking: een concrete stap die effectief is gebleken, was de oprichting van een groep e-maillijst die automatisch wordt verzonden door de behandelende chirurg (of iemand op hun ondersteunend personeel) wanneer een nieuwe patiënt zich presenteert aan een kliniek die een kandidaat kan zijn voor werving in de hersenen Toewijzingsprogramma.
2. pre-operatieve MRI-mapping
- Verkrijg MRI-gegevens op een 3T MRI-scanner met een 64-kanaals Head Coil in het centrum voor geavanceerde hersen beeldvorming en neurofysiologie (formeel bekend als het ' Rochester Center for Brain Imaging ') aan de University of Rochester Medical School. Gebruik standaard sequenties voor gedurfde MRI en DTI die volledige hersen beeldvorming mogelijk maken, zoals beschreven in voorgaande publicaties7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.
- Monitor fixatie, en record ademhaling en hartslag verzameld tijdens alle fMRI voor regressie van lawaai overtreft alle26,27.
Opmerking: in de afgelopen 10 jaar hebben we een bibliotheek met functionele MRI-experimenten ontwikkeld om de taal (gesproken, auditief, enkele woorden, hele zinnen), motorische functie (van intransitieve vinger-, tong-en voetbewegingen tot transitieve acties op hoog niveau), muziek vermogen, wiskunde en getalkennis, en basis sensorische functie (bijv. retinotopische mapping naar kaart van laag niveau visuele verwerking11,14,24). Alle experimenten, materialen en analyse scripts zijn beschikbaar op www.openbrainproject.org.
3. neuropsychologische testen
- Wees voorzichtig tijdens alle cognitieve testen om ervoor te zorgen dat patiënten comfortabel zijn, verzekerd met behulp van een ergonomisch geoptimaliseerde Setup (Figuur 1) en door regelmatig pauzes (elke 8 min) in de structuur van alle tests te bouwen.
- Hebben alle lage graad tumor patiënten voltooien de volgende tests 1 maand voor de operatie, 1 maand na de operatie, en 6 maanden na de operatie (tests 12 en 13 worden alleen uitgevoerd op de pre-operatieve en 6 maanden na de operatieve tijdpunten)28,29 ,30,31,32.
- Spontane toespraak (cookie Theft foto33, Cinderella Story34,35,36).
- Categorie vloeiendheid (acties, semantische categorieën, woorden beginnend met F, A, S).
- Woord lezen en herhaling (zelfstandig naamwoorden, werkwoorden, bijvoeglijke naamwoorden, niet-woord, afgestemd op lengte en frequentie).
- Snodgrass-object naamgeving (n = 26037).
- Auditieve naamgeving (n = 6038).
- High-Cloze zin voltooiing (30 min).
- Birmingham-object herkenning batterij (BORB, inclusief lengte | Grootte | Oriëntatie | Kloof matching | Overlappende figuren | Ingekorte overzichten | Object Reality-besluit39).
- Auditieve minimale paar discriminatie (bijv. pa vs. da, Ga vs. ta31,40).
- Zin Picture matching (inclusief omkeerbare passives40).
- Kleur naamgeving en Farnsworth Munsell Hue sortering41.
- Cambridge face test30,42.
- California verbale leer test (43)
- Weshler IQ (44,45,46). De belangrijkste maatregelen voor het evalueren van de taal uitkomst zijn tests 4-6; het karakteriseren van bredere vaardigheden zorgt ervoor dat beperkingen op naamgevings tests niet te wijten zijn aan algemene prestatieafname47.
Opmerking: in het verleden hebben we een combinatie van software presentatie platforms gebruikt om de stimulans presentatie en respons opname te regelen tijdens pre-en postoperatieve testen. We zijn momenteel bezig met het ontwerpen van een enkel plug-and-Play platform ter ondersteuning van alle cognitieve testen (pre, intra-en post-operatieve testen), evenals stimulus presentatie en respons opname tijdens functionele MRI (zie hieronder voor de beschrijving van StrongViewTM ). Strong View, samen met ingebouwde neuropsychologische tests, is beschikbaar voor download (Open License) op www.openbrainproject.org.
4. neuroanesthesie en ergonomie van intraoperatieve taal mapping
- Gebruik anesthetische technieken voor wakker craniotomieën48,49,50; aan de Universiteit van Rochester, wakker craniotomieën worden meestal uitgevoerd met behulp van een slaap-wakker-slaap-aanpak.
- Vermijd premedicatie zoals Anticonvulsiva en anxiolytica als ze kunnen afbreuk doen aan de cognitieve functie en bijdragen tot de opkomst delirium.
- Breng standaard monitoren (EKG, NIBP, Pulse oximetrie) en induceren narcose met intraveneuze fentanyl (0,5 mg/kg), lidocaïne (1-1.5 mg/kg) en propofol (1-2 mg/kg).
- Gebruik een supraglottic Luchtweg voor mechanische ventilatie.
- Plaats de patiënt lateraal of semi-lateraal met het hoofd vastgezet in een vastgemaakt frame; zoals beschreven in de video, patiënt positionering is afhankelijk van de locatie van de laesie en de geplande craniotomie venster, terwijl ook rekening houdend met de soorten cognitieve testen van de patiënt zal worden gevraagd om uit te voeren eenmaal wakker tijdens de operatie.
- Breng analgesie aan op de pen en incisieplaats (30 mL 0,5% lidocaïne, 30 mL 0,5% Sensorcaïne vlakte, 6 mL natriumbicarbonaat). Plaats tijdens deze periode de testapparatuur (kleine monitor, videocamera's, directionele microfoons).
- Bepaal de grootte van de craniotomie venster door meerdere factoren, die variëren in hun weging volgens de resultaten van pre-operatieve klinische mapping van de hersenen van de patiënt, functionele hersenen mapping studies, en het plan voor intra-operatieve mapping. In het geval beschreven in de video, de behandelende chirurg (Dr. Pilcher) koos voor een grote craniotomie om volledige toegang tot de kaart van de positieve taal en motor sites in de dominante halfrond.
- Aan het begin van de wakker-fase, stop sedatie (lokale analgetica worden toegepast voorafgaand aan incisie).
- Verwijder de supraglottic luchtweg zodra de patiënt opnieuw bewustzijn krijgt. Er is geen of minimale sedatie tijdens de wakker fase.
- Gebruik elektro corticografie (ECoG) om na lozingen te controleren (subklinische epileptiforme lozingen geïnduceerd door corticale stimulatie) om ervoor te zorgen dat DES-niveaus worden ingesteld op net onder de drempel voor na ontlading. De DES mapping procedure initieert door het vinden van de drempel na ontlading, en het aanpassen van stimulatie amplitude (in stappen van. 5 milliamp).
- Pas de stimulatie amplitude tijdens de toewijzings sessie (2 tot 15 mA) aan naar goeddunken van de behandelende chirurg. Patiënten zien stimuli op een monitor en kunnen hun onderarmen en handen spreken en bewegen.
5. procedures voor het verkrijgen van gegevens van onderzoeksniveau tijdens intraoperatieve directe elektrische stimulatie
- Voer alle intraoperatieve cognitieve testen uit op een op maat gemaakt hardware-/softwaresysteem genaamd ' StrongView ', beschikbaar op www.openbrainproject.org. De hardwarevoetafdruk is op zichzelf staand op een kleine kar en is uitgerust met een onafhankelijke back-up batterijvoeding, luidsprekers, toetsenbord en aanraakscherm. De persoon belast met het uitvoeren van de cognitieve testen kan starten, stoppen en onderbreken stimulus presentatie, terwijl continu opnemen (audio en video) tijdens het geval.
- Gebruik een audiosysteem op de kar, zodat een directionele microfoon die is getraind op de mond van de patiënt, die via een splitter voedt. Een kanaal dat uit de splitter komt, gaat door een versterker en rechtstreeks naar een speaker. Hierdoor kunnen chirurgen en onderzoekers gemakkelijk de reacties van de patiënt horen tegen het achtergrondgeluid van de operatiekamer met nul waarneembare vertraging (d.w.z. het elimineren van ' echo ' effecten). Het tweede kanaal van de splitter gaat naar de PC in de mobiele winkelwagen, waar het tijd-gestempeld, opgenomen en opgeslagen (deze bestanden worden gebruikt voor offline analyse). Strong View heeft ook een afzonderlijk (zelfstandig) audiosysteem dat bestaat uit een tweede directionele microfoon die ook op de patiënt is getraind, een directionele microfoon die is getraind op de chirurgen en een ' ruis ' microfoon in een hoek van de operatiekamer om de kamertoon te proeven voor het aftrekken van de belangrijkste audiobestanden. Deze drie audiokanalen voeden naar een MIDI, en naar een tweede computer die elk kanaal afzonderlijk registreert. Dit tweede audiosysteem biedt redundantie als het primaire systeem defect is, zullen alle mondelinge reacties van de patiënt beschikbaar zijn voor offline analyse.
- Bevestig een in de handel verkrijgbare ether-scherm L-beugel aan de operatiekamer (of) met behulp van een of Tafelklem. Bevestig scharnierende armen (bijv. Manfrotto 244 variabele wrijving Magic Arms) aan de ether scherm L-beugel, en deze articulerende armen ondersteunen de patiëntmonitor, directionele microfoons, videocamera getraind op het gezicht van de patiënt, en een hulp monitor om laat een lid van het onderzoeksteam of een operatiekamer verpleegkundige gemakkelijk zien wat de patiënt ziet tijdens de interactie met de patiënt.
- Voer alle benodigde kabels uit voor de schermen, microfoons en camera langs de arm en bescherm door kunststof buizen die zijn vastgezet met klittenband.
Opmerking: geen van deze apparatuur moet worden gesteriliseerd omdat deze (alleen ooit) op de niet-steriele kant van het veld (Figuur 1) is. Deze manier van ondersteunende apparatuur voor het opnemen van stimuli en respons systemen biedt maximale flexibiliteit om rekening te houden met de verschillende ergonomie van cognitieve tests volgens de positionering van de patiënt, die per geval varieert, maar biedt toch een betrouwbare en een stabiel platform waarop apparatuur moet worden bevestigd. Ook, en belangrijker nog, omdat alle monitoren, microfoons en camera's zijn aangesloten op de of tafel via een enkel apparaat (ether scherm L-beugel), als de positionering van de tabel wordt aangepast tijdens het geval dit heeft geen invloed op de test Setup. (Merk op dat de in Figuur 1 getoonde instellingen afkomstig zijn van een eerdere generatie Setup waarin een op de vloer gemonteerde standaard het patiëntenscherm, de microfoon en de videocamera ondersteunt; die vloergemonteerde standaard is vervangen sinds 2018 met de ether scherm L-beugel). Ook, en belangrijk voor patiëntveiligheid, kan de volledige opzet voor cognitieve tests worden afgebroken in minder dan 20 seconden in het geval moet een opkomende situatie zich presenteren die volledige en onbelemmerde toegang tot de patiënt verplicht (bijv. aan de patiënt luchtweg). - Het hart van Strong View is een flexibel software systeem voor i) het presenteren van stimuli (visueel, auditief) aan patiënten en het opnemen van patiënt Reacties (verbaal, knop respons, video), II) het tijdelijk registreren van alle experimenteel relevante gebeurtenissen en maatregelen (stimulus op, ECoG, contact met de hersenen van directe elektrische stimulator sonde, patiënt reacties); III) en communicatie met craniale navigatiesystemen om de 3-dimensionale coördinaat te verkrijgen voor elke toepassing van directe elektrische stimulatie. StrongView maakt on-line herkalibratie van experimentele variabelen mogelijk, zoals stimulus duur, Inter-stimulus-intervallen, randomisatie, aantal herhalingen of blokken van stimuli, en controle van de patiënt video en audiokanalen. Strong View streamt de videocamera van de patiënt, de online ECoG-gegevens en de stimulans die de patiënt momenteel ziet/hoort op een desktop scherm, dat ook wordt gespiegeld op een grote monitor die zich in de zichtlijn van de chirurg bevindt.
- Bevestig een fotodiode aan de patiëntmonitor en voer in een open kanaal op de ECoG-versterker. Dit biedt een tijdelijke synchronisatie tussen de presentatie van elke stimulus en ECoG voor offline analyse.
- Gebruik craniale Navigation hardware and software (aan de Universiteit van Rochester, BrainLab Inc., München, Duitsland) in alle gevallen door het chirurgische team voor intra-operatieve craniale navigatie op basis van pre-operatieve MRI. Dit is een optisch systeem dat bestaat uit een set camera's die het werkveld bekijken en het hoofd van de patiënt registreren via een vaste registratie ster die op de bedienings tafel is bevestigd (Zie Figuur 1).
- Specifiek, nadat de patiënt is ingesteld in de hoofd houder, maar voor het draperen, gebruik de Facial fysionomie van de patiënt om het hoofd van de patiënt te registreren om de preoperatieve MRI. Hierdoor kan pre-operatieve MRI (functioneel en structureel) in directe afstemming met de hersenen van de patiënt op de operatietafel worden gebracht.
- Bevestig een tweede (veel kleinere) registratie ster aan de bipolaire stimulator (Zie Figuur 1) en gebruik om de lengte en positie van de stimulator in het veld te registreren. Dit stelt het onderzoeksteam in staat om de precieze locatie van elk punt van stimulatie en de marges van de resectie te verwerven, ten opzichte van pre-operatieve MRI. Zoals hierboven vermeld, is Strong View verbonden met het craniale navigatiesysteem (aan de Universiteit van Rochester, BrainLab, verbinding via IGT link) om real-time streaming (en tijdstempel) van de coördinaten van directe elektrische stimulatie mapping mogelijk te maken. Strong View wordt momenteel ontwikkeld om te kunnen samengaan met andere craniale navigatiesystemen (bijv. Stryker).
Opmerking: aspecten van StrongView die ondersteuning bieden voor administratie en gegevensverzameling tijdens cognitieve en fMRI-experimenten, samen met een bibliotheek met tests, zullen beschikbaar zijn (Open Access) op OpenBrainProject.org. Bètaversies zijn beschikbaar vóór de volledige release door contact op te nemen met de betreffende auteur. De volledige Strong view suite, die hardwaresystemen omvat om te integreren met elektro Corticografie en craniale navigatiesoftware, is beschikbaar voor clinici en wetenschappers door contact op te nemen met de betreffende auteur. Deze tools voor het verzamelen van gegevens zullen samengaan met een nabewerkings pijplijn en een open data consortium, om te worden gelanceerd in 2020 op OpenBrainProject.org.
Representative Results
Figuur 2, Figuur 3en Figuur 4 presenteren representatieve resultaten van pre-operatieve functionele en structurele mapping voor drie patiënten met tumoren die naast eloquente hersengebieden stonden. De in Figuur 2, figuur 3en Figuur 4 getoonde bevindingen zijn bedoeld als illustratief (in plaats van een uitputtende samenvatting) van de soorten kaarten die voor elke patiënt worden gegenereerd. Nadere bijzonderheden over de in Figuur 2, figuur 3, en Figuur 4 gepresenteerde gevallen zijn te vinden in: Figuur 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, hintz, Pilcher, Mahon, in Press51), Figuur 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher en Mahon, 201952) en Figuur 4 (garcea et al., 201716). Een belangrijk gevolg van opeenvolgende rekrutering van glioom-patiënten tot een uniform protocol is dat het mogelijke analyses op groepsniveau mogelijk maakt die het effect van hersentumoren op de netwerkfunctie en-organisatie evalueren. Als een voorbeeld van dit soort analyses, Figuur 5 presenteert resultaten van een recente studie 14 die ontdekte dat tumoren in de linker pariëtale cortex neurale reacties gemoduleerd naar ' tools ' (kleine losse objecten) in de temporale kwal, een instantie van een meer algemeen fenomeen aangeduid als dynamische diaschesis53.
Figuur 1. Overzicht van apparatuur die wordt gebruikt voor extra operatieve en intra-operatieve cognitieve testen. (A) voorbeeld Setup voor hoge door-put cognitieve neuropsychologische testen zoals uitgevoerd door het programma voor translationele hersenen mapping in het departement van Neurochirurgie aan de Universiteit van Rochester Medical Center. Belangrijke elementen om ervoor te zorgen dat alle gerekruteerde patiënten in staat zijn om alle geplande tests te voltooien zijn: i) een plek voor patiënten om te zitten en te voltooien testen die volledig aanpasbaar is aan de grootte van elke patiënt, inclusief een stoel die speciaal is ontworpen om vermoeidheid, en II) lokaliseren van cognitieve/gedragstesten fysiek grenzend aan de MRI. Deze elementen stellen patiënten in staat om de faciliteit te bezoeken en hun functionele en structurele MRI te voltooien binnen dezelfde sessie als kern gedragsgegevens worden gemeten. Deelnemers completeren meer proeven met betere prestaties als ze comfortabel zijn, vooral voor oudere deelnemers aan de bevolking met andere comorbiditeiten die het zitten voor langere periodes ongemakkelijk kunnen maken. B) apparatuur die tijdens de intraoperatieve toewijzing wordt gebruikt. De afbeelding links toont een patiënt voordat hij gedrapeerd wordt (rechts is na draperen). Voor het draperen, het cognitieve Science team stelt hun apparatuur, met inbegrip van audio-en videorecorders van de patiënt, een monitor gepositioneerd voor de gezichtslijn van de patiënt, en een tweede monitor gepositioneerd zodat de persoon die werkt met de patiënt gemakkelijk kan Zie de stimulans waarop de patiënt op dit moment op zoek is (Zie ' procedure ' voor meer informatie). C) bipolaire stimulator met registratie ster bevestigd om locaties van intra-operatieve stimulatie in de PREOPERATIEVE MRI DICOM-ruimte te registreren. Meestal op het punt in de operatie waarbij de Dura is teruggetrokken en de patiënt wordt wakker van algemene anesthesie, zijn er een paar minuten om de bipolaire stimulator aan het veld te registreren. Dit moet gedaan worden door een teamlid dat in de zaak wordt geschombarsd (d.w.z. Als u aanwezig bent of een chirurg of een scrub-tech/verpleegkundige heeft). Het wordt bereikt door een kleine registratie ster aan de bipolaire stimulator te bevestigen en de instructies in het craniale navigatiesysteem te volgen om een nieuw instrument op het veld te registreren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2 . Pre-operatieve functionele MRI en diffusie tensor Imaging (DTI) in patiënt AH met een linker inferieure parietale glioom die de arcuate Fasciculus infiltreerde. A) pre-OPERATIEVE T1 MRI en 3D reconstructie van de linker arcuate Fasciculus en glioom. De arcuate Fasciculus wordt in oranje weergegeven bij een 5%-drempel met de in blauw gereconstrueerde tumor. (B) pre-OPERATIEVE functionele MRI. De patiënt voltooide verschillende sessies van functionele MRI die elk ontworpen waren om een functie aan te maken die naar verwachting grenst aan het gebied van chirurgische interventie. Alle kaarten zijn thresholded op FDR q <. 05 of beter. In het blauw zijn voxels die differentiële neurale responsen vertonen bij het benoemen van gereedschappen in vergelijking met dieren; in lijn met eerdere onderzoeken van ons laboratorium met dezelfde stimuli, wordt een robuust netwerk geïdentificeerd met premotorische, pariëtale en laterale en ventrale temporele gebieden7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. De patiënt werd ook gevraagd om een numerieke taak uit te voeren waarin hij moest oordelen welke van de twee wolken van stippen meer stippen had; de twee wolken van stippen kunnen ofwel een vergelijkbaar aantal stippen hebben (harde vergelijking, ratio = 0,8) of zeer verschillende aantallen stippen (eenvoudige vergelijking, ratio = 0,25). In het groen zijn voxels die differentiële neurale responsen vertonen bij het uitvoeren van de taak over harde ratio stimuli (ratio = .8) in vergelijking met eenvoudige stimuli (ratio = .25 54,55). De patiënt werd ook gevraagd om zijn handen en voeten te bewegen (Flex/extension of25roteren). In het rood zijn voxels die differentiële neurale responsen vertoonden op bewegingen van de rechterhand in vergelijking met bewegingen van de rechter voet. Ten slotte werd de patiënt gevraagd om zoveel items te genereren als hij kon bedenken in 30 seconden uit verschillende categorieën (bijvoorbeeld ' dingen die je doet in de keuken ', ' dieren ', woorden die beginnen met ' F ', enz.). In het paars zijn voxels die differentiële neurale activiteit vertoonden voor overt-woord productie in vergelijking met fixatie/rust. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3 . Pre-operatieve witte stof tractografie van de frontale Aslant tractus en aangrenzende u-vormige vezels. Eerdere ervaring in het programma voor translationele hersen toewijzing (Chernoff et al., 201756) met hersen mapping bij patiënten met gliomen grenzend aan de frontale Aslant tractus toonde aan dat (zelfs gedeeltelijke) transectie van dit traject kan worden geassocieerd met disfluenties in spontane spraak, terwijl herhaling van gesproken taal intact kan blijven. Die voorafgaande ervaring werd gebruikt om de pre-operatieve mapping van het frontale Aslant tractus bij patiënt AI11te informeren. A) coronale plakjes met het frontale Aslant tracé (blauw-licht blauw) en u-vormige vezels (rood-geel). De frontale Aslant tractus passeert net voorste en mediale naar het glioom. (B) 3D-rendering van frontale Aslant tractus (blauw) en tumor (rood) vanuit meerdere perspectieven. De pre-operatieve anatomische studies (panelen A en B) gaven aan dat aan het einde van de tumorresectie het mogelijk zou zijn om de voorste marge van tumor te definiëren met behulp van directe elektrische stimulatie mapping. We hebben dus een nieuwe taal taak ontworpen op basis van onze eerdere ervaring, met name om te testen of stimulatie van de frontale Aslant tractus verstoorde productie op de grenzen van grammaticale zinnen verstoord. C) directe elektrische stimulatie van het frontale Aslant tractus verstoort de productie van zinnen differentieel op de grenzen van de grammaticale uitdrukkingen. De screenshot (panel C, links) van de video toont de patiënt, de stimulus waarmee hij werd gepresenteerd, de hand van de chirurg die de bipolaire stimulator in contact met de frontale Aslant tractus in de voorste marge van de tumor, en de locatie in coronale en sagittale schijfjes van de huidige stimulatie locatie (rode stip) ten opzichte van het frontale Aslant tractus (blauw). De taak van de patiënt was om de ruimtelijke relatie van de doel vorm te beschrijven ten opzichte van de locatie van een verwijzings vorm (voor de getoonde proef zou het juiste antwoord zijn: "het Rode plein ligt onder de rode ruit"). We vonden dat stimulatie van de frontale Aslant tractus verstoorde productie van zinnen, en differentieel zo aan het begin van nieuwe grammaticale zinnen (panel C, grafiek rechts; voor video van de intraoperatieve mapping procedure bij deze patiënt, zie www.openbrainproject.org). deze observatie motiveert een nieuwe hypothese over de rol van het frontale Aslant tractus in de productie van zinnen: de Syntagmatic beperkingen op positionele elementen (SCOPE) hypothese11. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4. Pre-operatieve functionele en structurele MRI en intraoperatieve directe elektrische stimulatie mapping in een professionele muzikant met een glioom in de juiste posterieure temporale kwab.(A) Pre-operatieve fMRI-mapping van visuele verwerking op hoog niveau, taalproductie en gereedschaps kennis. De tumor, gearceerd geel, was in de juiste temporale kwal, zichtbaar door de rechter superieure temporale Sulcus (sulci iets uitgebreid om visualisatie te vergemakkelijken). Omdat de tumor zich dicht bij de bewegings verwerkings gebieden in de laterale temporale cortex bevindt, hebben we MT/V5 gelokaliseerd door de neurale activiteit te vergelijken toen de patiënt deelnam aan arrays van bewegende stippen naar neurale activiteit die door stationaire stippen werden opgewekt; voxels die differentiële neurale responsen vertonen voor beweging in vergelijking met statische stippen worden getekend op de paars-witte kleur schaal (we zijn Duje Tadin dankbaar voor hulp bij het ontwikkelen van deze functionele localizer). Zoals voor alle andere gevallen bestudeerd in het programma voor translationele hersen mapping (bijv.Figuur 2,Figuur 3), voxels die differentiële neurale responsen vertonen voor het benoemen van veelvoorkomende afbeeldingen worden vergeleken met een baseline van het bekijken van fasegecodeerde versies van dezelfde afbeeldingen; Dit wordt getekend op de groen-witte kleur schaal. Dat contrast geïdentificeerd bilaterale laterale occipitale complex, bilaterale midden/superieure temporale gyrus, en motorische cortex (geassocieerd met spraak motorische activiteit). Ook als inFiguur 2, voxels vertonen differentiële neurale reacties bij het benoemen van ' hulpmiddelen ' werden gevonden in de linker inferieure pariëtale lobule, bilaterale superieure pariëtale/dorsale occipitale cortex, en de linker posterieure midden/inferieure temporele gyrus (blauw-witte kleur schaal). Eindelijk, en weer als inFiguur 2, de patiënt werd gevraagd om een mondelinge vloeiendheid woord productietaak te voltooien. Voxels in verband met het genereren van Word in vergelijking met een rust basislijn worden uitgezet op de rood-witte kleur schaal en werden gevonden in de linker inferieure frontale gyrus (Broca gebied), superieure temporale/inferieure pariëtale cortex, en de spraak motorsysteem. (B) De patiënt voltooide meerdere functionele MRI-experimenten die pre-operatief specifiek zijn voor het toewijzen van muziek verwerking. In een experiment, gemodelleerd naar eerdere werken van Greg Hickok Lab57, de patiënt hoorde korte piano melodieën en moest de melodie terug te neuriën, of gehoord korte zinnen en moest de zinnen terug te herhalen. Getekend op de hersenen op de rood-paarse kleur schaal zijn voxels die differentiële neurale activiteit voor muziek tentoongesteld dan voor taal. Vier Eastman School of Music graduate students voltooide hetzelfde fMRI-experiment; de rand van de regio die voor hetzelfde functionele contrast in de overeenkomende gezonde besturingselementen is geïdentificeerd, wordt in een groene omtrek uitgezet. Bovendien voltooiden 10 andere Neurochirurgie patiënten hetzelfde experiment, ook in de preoperatieve fase van hun behandeling. Hoewel het proximale doel in die 10 patiënten was om taal-responsieve gebieden te identificeren (thorugh het contrast van taal > muziek), identificeert het contrast van muziek > taal een zeer vergelijkbaar gebied van de juiste superieure temporele gyrus (grenzen van de functionele regio van de 10 controle Neurochirurgie patiënten worden getekend in licht blauw). (C) Pre-operatieve probabilistische tractografie over DTI-gegevens met de juiste akoestische radiaties en arcuate Fasciculus in relatie tot de tumor van de patiënt AE (5%-drempel, overgelegd op native T2-gewogen afbeelding). (D) Tijdens zijn chirurgische ingreep voerde de patiënt AE dezelfde taak uit als tijdens fMRI, waarin hij naar korte piano melodieën moest luisteren en ze terugneuriën, of een korte zin en herhaal. Bleek dat directe elektrische stimulatie naar de rechter posterieure superieure temporale gyrus verstoorde prestaties in de herhalings taak wanneer uitgevoerd over melodieën (voor sommige proeven), maar heeft geen invloed op de prestaties (op alle proeven) voor dezelfde herhaling taak uitgevoerd over zinnen (zie www.openbrainproject.org voor Video's van intraoperatieve muziek mapping).Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5 . Demonstratie van domeinspecifieke diaschesis: analyse van de relatie van laesie locatie en stimulus-opgewekt neurale activiteit over een groep van glioom patiënten bestudeerde pre-operatief in het programma voor translationele hersenen. Een belangrijk gevolg van het toedienen van een gemeenschappelijke reeks functionele MRI-en gedrags studies aan alle patiënten die het programma voor translationele hersen toewijzing aan de Universiteit van Rochester Medical Center doorlopen, is de mogelijkheid om groepsniveau uit te voeren analyses op grotere sets van opeenvolgend bestudeerde patiënten. Als voorbeeld, afbeelding 5 toont de resultaten van een test van de basiswetenschap hypothese dat neurale reacties op ' tools ' in de temporale LOB zijn gemoduleerd online door ingangen uit de pariëtale cortex. Als die hypothese juist is, dan moeten laesies (tumoren) in de pariëtale cortex de neurale responsen in de temporale kwin veranderen in ' tools ', en de variantie tussen patiënten in neurale activiteit op ' hulpmiddelen ' in de temporale kwal moet worden gecorreleerd met de aanwezigheid van laesies ( tumoren) in de pariëtale cortex. A) laesies van de pariëtale cortex worden voorspeld op het groepeerniveau (logistieke regressie) van variantie tussen patiënten in neurale responsen in de mediale fusiforme gyrus op het ventrale oppervlak van de temporele kwal. (B) neurale reacties op hulpmiddelen in de mediale fusiform gyrus worden voorspeld op het groepeerniveau (logistieke regressie) van variantie in de vraag of laesie/tumor de anterieure Intraparietale Sulcus (aip's) omvat. De bevindingen samengevat in de deelvensters A en B vormen een instantie van dynamische diaschesis53, in dit geval "domeinspecifieke" dynamische diaschesis, omdat de relatie van laesie locatie tot neurale activiteit wordt gemoduleerd door het type Stimulus dat wordt verwerkt ( dat wil zeggen, de relatie is aanwezig voor gereedschap, en niet voor plaatsen, gezicht of dieren)-voor alle details zie Garcea en collega's14. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Discussion
De kennis opgedaan met de ervaring van het opzetten van het programma voor translationele hersen toewijzing aan de Universiteit van Rochester kan worden gedestilleerd in twee kernelementen. Eerst werden gestructureerde communicatiekanalen tot stand gebracht onder cognitieve wetenschappers, neuro-oncologen, neuro psychologen, epileptologen, neuro fysiologen, neuro-anesthesist, neurochirurgen en hun respectieve ondersteunende technici en administratieve ondersteuning. Hierdoor kunnen patiënten, waaronder dringende hoogwaardige tumor patiënten, worden doorverwezen naar pre-operatieve evaluatie met voldoende tijd om analyses om te zetten in chirurgen voorafgaand aan de procedure. De tweede component essentieel voor het succes van de hersenen mapping programma is te vouwen in opleidingsmogelijkheden voor undergraduate studenten, Graduate (MS, PhD) studenten, medische studenten, evenals Neurochirurgie, neurologie en Neuroradiologie bewoners en Fellows. De combinatie van deze twee elementen dient om alle klinische aanbieders te betrekken bij de wetenschappelijke doelstellingen van het brein toewijzingsprogramma, en zorgt ervoor dat de fundamentele wetenschaps doelstellingen verweven zijn met het klinische doel van het optimaliseren van de uitkomst van elke patiënt.
Disclosures
Een voorlopig octrooi (U.S. voorlopig octrooi nummer 62/917258) werd ingediend 11/30/18 voor "StongView: een geïntegreerde hardware/software systeem ter vergemakkelijking van cognitieve testen tijdens wakker hersenchirurgie en ter ondersteuning van real-time analyses in de dienst van de uitkomst van de patiënt te voorspellen. "
Acknowledgments
Dit werk werd gesteund door NIH grants R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535, en NSF Grant BCS-1349042 aan BZM, en door een universiteit van Rochester Center for Visual Science predoctorale opleiding Fellowship (NIH training Grant 5T32EY007125-24) aan FEG. We zijn Keith Parkins dankbaar voor zijn werk aan de ontwikkeling van Strong View, dat werd gesteund door core Grant P30EY00131 aan het Center for Visual Science aan de University of Rochester Medical School. Het programma voor translationele hersen toewijzing aan de Universiteit van Rochester werd gedeeltelijk opgericht met steun van Norman en Arlene Leenhouts, en met een subsidie van het Wilmot Cancer Institute aan drs. Kevin Walter en Bradford Mahon. Informatie over het programma voor translationele hersen toewijzing aan de Universiteit van Rochester Medical Center kan worden gevonden op: 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).
