Summary
Denna artikel ger en översikt av en multimodala hjärnan kartläggning program för att identifiera regioner i hjärnan som stöder kritiska kognitiva funktioner i enskilda neurokirurgi patienter.
Abstract
Det translationella hjärn kartläggnings programmet vid University of Rochester är ett tvärvetenskapligt arbete som integrerar kognitiv vetenskap, neurofysiologi, neuroanestesi och neurokirurgi. Patienter som har tumörer eller hämmade vävnad i vältaliga hjärnområden studeras preoperativt med funktionell och strukturell MRI, och intraoperativt med direkt elektrisk stimulering kartläggning. Postoperativa neurala och kognitiva resultatåtgärder bränsle grundforskning studier om de faktorer som förmedlar bra kontra dåligt resultat efter operationen, och hur hjärn kartläggning kan optimeras ytterligare för att säkerställa det bästa resultatet för framtida patienter. I den här artikeln beskriver vi det tvärvetenskapliga arbetsflödet som gör att vårt team kan uppfylla de synergistiska målen att optimera patientens utfall och främja vetenskaplig förståelse för den mänskliga hjärnan.
Introduction
Neurokirurgiska ingrepp för att ta bort hjärntumörer eller hämmade vävnad intill hjärnområden som stöder kritiska kognitiva funktioner måste balansera det kliniska målet för operationen (ta bort så mycket tumör, eller hämmade vävnad som möjligt) mot skador på frisk vävnad som kan orsaka neurologiska underskott. I samband med hjärntumör kirurgi, denna balans kallas Onco-funktionell balans. På "Onco" sidan av balansen, kirurger vill ta bort så mycket av tumören som möjligt, som satser av "brutto totala tumörresektion" är kopplade till längre överlevnad1,2. På "funktionell" sida, avlägsnande av tumörer kan skada kortikala och subkortikala substrat för kognition; postoperativa svårigheter kan innebära språk, handling, syn, hörsel, beröring eller rörelse, beroende på neurala system (s) påverkas. Den Onco-funktionella balansen är oerhört viktigt eftersom ökad morbiditet är förknippad med i) lägre livskvalitet, II) ökade postoperativa komplikationer som kan öka dödligheten (t. ex. patienter som inte längre kan röra sig högre risk för blodproppar3,4). Spänningen inneboende i "Onco-funktionella" balans i fastställandet av hjärntumör kirurgi översätter också till epilepsi kirurgi-där balansen är mellan det kliniska målet att ta bort all vävnad som genererar kramper, samtidigt inte ta bort vävnad som stöder kritiska funktioner.
På en bred nivå, funktionell neuroanatomi är mycket stereotypa från individ till individ. Det kan dock finnas en hög grad av individuell variation i den exakta (dvs mm till mm) placeringen av högre kortikala funktioner. Dessutom är det allmänt erkänt att närvaron av kortikal eller subkortikal patologi kan sporra kortikala omorganisation, även om de principer som driver en sådan omorganisation är dåligt förstådda5. Neurokirurgiska ingrepp fortsätter millimeter med millimeter. Det är därför kritiskt att kartlägga varje patients hjärna, i detalj och med känslighet och precision, för att förstå vilka regioner i den specifika patient supporten som sensoriska, kognitiva och motoriska funktioner6.
Programmet för translationella hjärn kartor vid University of Rochester har utformats för att tillgodose behoven av personlig hjärnavbildning i inställningen av en hög genom-put praxis som spänner över flera akademiska kirurger. De synergistiska målen för hjärn kartläggnings programmet är att i) använda verktygen för kognitiv neurovetenskap för att främja personlig neuromedicin, i form av patientspecifika funktionella hjärn kartor, och II) använda den kliniska beredningen av neurokirurgiska ingrepp för att testa mekanistiska hypoteser om hur den mänskliga hjärnan fungerar.
Protocol
De aktiviteter som visas i videon och beskrivs häri faller inom en större än minimal risk IRB vid University of Rochester Medical Center.
1. rekrytering
- Etablera en hög genom-put program för preoperativ kognitiv och MRI-baserad bedömning att fånga patienter från alla remitterande leverantörer i tid och effektivt sätt. Involvera den administrativa och kliniska Personalen i den bredare insatsen.
Anmärkning: ett konkret steg som har visat sig vara effektiva var inrättandet av en grupp e-postlista som automatiskt skickas av den behandlande kirurgen (eller någon på deras stödpersonal) när en ny patient presenterar för kliniken som kan vara en kandidat för rekrytering till hjärnan Kartläggnings program.
2. preoperativ MRT-mappning
- Förvärva MRI-data på en 3T MRI-skanner med en 64-kanals Head Coil i centrum för avancerad hjärnavbildning och neurofysiologi (formellt kallat Rochester Center for Brain Imaging) vid University of Rochester Medical School. Använd standardsekvenser för fet MRI och DTI möjliggör full hjärnavbildning, som beskrivs i tidigare publikationer7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.
- Övervaka fixering och registrera andning och hjärtfrekvens som samlats in under alla fMRI för regression av buller blandar ihop26,27.
Obs: under de senaste 10 åren har vi utvecklat ett bibliotek av funktionella MRI experiment för att kartlägga språk (talat, auditiv, enstaka ord, hela meningar), motorisk funktion (från intransitiva finger, tunga och fotrörelser till hög nivå transitiva åtgärder), musik förmåga, matematik och tal kunskap samt grundläggande sensorisk funktion (t. ex. retinotopisk mappning till karta över visuell bearbetning på låg nivå11,14,24). Alla experiment, material och analys skript finns på www.openbrainproject.org.
3. neuropsykologiska tester
- Var försiktig under alla kognitiva tester för att säkerställa att patienterna är bekväma, säkerställas med hjälp av en ergonomiskt optimerad inställning (figur 1) och genom att bygga frekventa raster (var 8 min) i strukturen av alla tester.
- Har alla låggradig tumör patienter slutföra följande tester 1 månad före operationen, 1 månad efter operationen, och 6 månader efter operationen (tester 12 och 13 är klar endast på pre-operativ och 6 månader postoperativa tidpunkter)28,29 ,30,31,32.
- Spontan tal (cookie stöld bild33, Cinderella Story34,35,36).
- Kategori flyt (åtgärder, semantiska kategorier, ord som börjar på F, A, S).
- Ord läsning och repetition (substantiv, verb, adjektiv, icke-ord, matchade på längd och frekvens).
- Namngivning av Snodgrass-objekt (n = 26037).
- Auditiv namngivning (n = 6038).
- Hög-cloze meningen avslutad (30 min).
- Birmingham Object erkännande batteri (BORB, inklusive längd | Storlek | Orientering | Gap matchning | Överlappande siffror | Förförkortade visningar | Objekt Reality beslut39).
- Auditiv minimal par diskriminering (t. ex . pa vs. da, ga vs. ta31,40).
- Meningen bild matchning (inklusive reversibla passiv40).
- Färg namngivning och Farnsworth Munsell Hue sortering41.
- Cambridge Face test30,42.
- California verbal inlärning test (43)
- Weshler IQ (44,45,46). De viktigaste åtgärderna för att utvärdera språk resultat är tester 4-6; karakterisera bredare förmågor säkerställer försämringar på namngivning tester beror inte på allmän prestandanedgång47.
Obs: förr i tiden har vi använt en kombination av programvara presentationsplattformar för att styra stimulans presentation och svar inspelning under pre-och postoperativ testning. Vi designar för närvarande en enda plug-and-Play-plattform för att stödja alla kognitiva tester (pre, intra-och postoperativ testning) samt stimulans presentation och respons inspelning under funktionell MRI (se nedan för beskrivning av StrongViewTM ). StrongView, tillsammans med inbyggda neuropsykologiska tester, kommer att finnas tillgänglig för nedladdning (Open License) på www.openbrainproject.org.
4. neuroanestesi och ergonomi för intraoperativ språk mappning
- Använda bedövningsmedel tekniker för vaken kraniotomier48,49,50; vid University of Rochester, är vaken kraniotomier typiskt utförs med hjälp av en sovande-vaken-sovande förhållningssätt.
- Undvik premedicinering såsom antiepileptika och ångestdämpande eftersom de kan försämra kognitiv funktion och bidra till uppkomsten delirium.
- Applicera standard monitorer (EKG, NIBP, pulsoximetri) och inducera generell anestesi med intravenös fentanyl (0,5 mg/kg), lidokain (1-1,5 mg/kg) och propofol (1-2 mg/kg).
- Använd en supraglottisk luftvägarna för mekanisk ventilation.
- Placera patienten i sidled eller semi-lateralt med huvudet säkrade i en fäst ram; som beskrivs i videon, patientens positionering beror på placeringen av lesionen och den planerade kraniotomi fönstret, samtidigt också med hänsyn till att typer av kognitiva tester patienten kommer att bli ombedd att utföra en gång vaken under operationen.
- Applicera analgesi på stiftet och snittstället (30 mL 0,5% lidokain, 30 mL 0,5% Sensorcaine Plain, 6 mL natriumbikarbonat). Under denna period, placera testutrustning (liten bildskärm, videokameror, riktnings mikrofoner).
- Bestäm storleken på kraniotomi fönster av flera faktorer, som varierar i deras viktning enligt resultaten av preoperativ klinisk kartläggning av patientens hjärna, funktionella hjärnan kartläggning studier, och planen för Intra-operativ kartläggning. I det fall som beskrivs i videon, den behandlande kirurgen (Dr Pilcher) valde en stor kraniotomi för att få full tillgång till karta positiva språk och motor platser i den dominerande halvklotet.
- I början av vaken-fas, avbryta sedering (lokala analgetika appliceras före snitt).
- Ta bort supraglottisk luftvägarna när patienten återfår medvetandet. Det finns ingen eller minimal sedering under den vakna fasen.
- Använd elektrokortikografi (ECoG) för att övervaka efter utsläpp (subkliniska epileptiforma utsläpp induceras av kortikal stimulering) för att säkerställa att DES-nivåerna är inställda på strax under tröskelvärdet för efter utsläpp. Processen för DES-mappning initieras genom att hitta tröskeln för efter urladdning och justera stimulationsamplitud (i steg om. 5 milliamp).
- Justera stimulering amplitud under hela kartsessionen (2 till 15 mA) efter bedömning av den behandlande kirurgen. Patienter se stimuli på en bildskärm och kan tala och flytta sina underarmar och händer.
5. förfaranden för att förvärva forsknings-grade data under intraoperativ direkt elektrisk stimulering kartläggning
- Kör alla Intraoperativa kognitiva tester på en specialbyggd hårdvara/mjukvara system som kallas "StrongView", finns på www.openbrainproject.org. Hårdvaran fotavtryck är fristående på en liten vagn, och är utrustad med en oberoende backup batteriström källa, högtalare, tangentbord och pekskärm. Den person som debiteras med att köra kognitiv testning kan starta, stoppa och pausa stimulus presentation, medan kontinuerligt inspelning (ljud och video) under målet.
- Använd ett ljudsystem på vagnen så att en riktad mikrofon som är utbildad på patientens mun, som matar genom en splitter. En kanal som kommer ut från splitter går igenom en förstärkare och direkt till en högtalare. Detta gör det möjligt för kirurger och forskare att enkelt höra patientens svar mot bakgrundsljudet i operationssalen med nollmärkbar fördröjning (dvs. eliminera "echo"-effekter). Den andra kanalen från splitter går till datorn på den mobila vagnen, där det är tidsstämplat, registreras och lagras (dessa filer används för offline-analys). StrongView har också en separat (fristående) ljudsystem som består av en andra riktad mikrofon också utbildad på patienten, en riktad mikrofon utbildad på kirurgerna, och en "brus" mikrofon i ett hörn av operationssalen för att prova rummet tonen för subtraktion från de viktigaste ljudfilerna. Dessa tre ljudkanaler matas till en MIDI, och till en andra dator som registrerar varje kanal separat. Detta andra ljudsystem ger redundans om det primära systemet misslyckas, alla muntliga svar av patienten kommer att vara tillgängliga för offline-analys.
- Anslut ett kommersiellt tillgängligt eterskärm L-fäste till operationsrummet (eller) tabellen med hjälp av en eller tabell klämma. Fäst artikulära armar (t. ex. Manfrotto 244 variabel friktion magiska armar) till etern skärmen L-fäste, och de artikulera armarna stödja patient Monitor, riktade mikrofoner, videokamera utbildad på patientens ansikte, och en extra Monitor för att Låt en forskargrupp medlem eller operationssalen sjuksköterska att enkelt se vad patienten ser när de interagerar med patienten.
- Kör alla nödvändiga kablar för skärmar, mikrofoner och kamera längs armen och skydda genom plastslangar säkrade med kardborreband.
Anmärkning: ingen av denna utrustning behöver steriliseras som den är (endast någonsin) på den icke-sterila sidan av fältet (figur 1). Detta sätt att stödja stimulans presentation och svar inspelningsutrustning ger maximal flexibilitet att ta hänsyn till den olika ergonomin i kognitiva tester enligt patientens positionering som varierar från fall till fall, men ger en tillförlitlig och en stabil plattform för att fästa utrustning. Också, och viktigare, eftersom alla bildskärmar, mikrofoner och kameror är knutna till eller bord via en enhet (eter skärm L-fäste), om placeringen av tabellen justeras under det fall detta inte påverkar test setup. (Observera att installationen som visas i figur 1 är från en tidigare generations installation där ett golvmonterat stativ har stöd för patientens skärm, mikrofon och videokamera; det golvmonterade stativet har ersatts sedan 2018 med Eterskärmen L-fäste). Också, och viktigt för patientsäkerhet, hela installationen för kognitiva tester kan brytas ned på mindre än 20 sekunder under målet bör en framväxande situation presentera sig som mandat full och obehindrad tillgång till patienten (t. ex. till patientens luftvägarna). - Hjärtat i StrongView är ett flexibelt mjukvarusystem för i) presentera stimuli (visuell, auditiv) till patienter och registrera patientens svar (verbal, knapp svar, video), II) temporally registrera alla experimentellt relevanta händelser och åtgärder (stimulans på, ECoG, kontakt med hjärnan av direkt elektrisk stimulator sond, patientens svar); III) och kommunikation med kraniala navigationssystem för att få 3 dimensionell koordinat för varje tillämpning av direkt elektrisk stimulering. StrongView möjliggör on-line omkalibrering av experimentella variabler såsom stimulus duration, Inter-stimulus-intervaller, randomisering, antal repetitioner eller block av stimuli, och kontroll av patientens video-och ljudkanaler. StrongView strömmar patientens videokamera, online ECoG data, och den stimulans som patienten för närvarande ser/höra till en stationär display, som också speglas på en stor bildskärm som är i siktlinjen av kirurgen.
- Anslut en fotodiod till patient monitorn och mata in i en öppen kanal på ECoG-förstärkaren. Detta ger en tidsmässig synkronisering mellan presentationen av varje stimulus och ECoG för offlineanalys.
- Använd kraniala Navigation hårdvara och mjukvara (vid University of Rochester, Brainlab Inc., München, Tyskland) i samtliga fall av det kirurgiska teamet för intra-operativa kraniell navigering baserad på preoperativ MRT. Detta är ett optiskt system som består av en uppsättning kameror som visar användningsområdet och registrerar patientens huvud via en fast registrerings stjärna som fästs på operationsbordet (se figur 1).
- Specifikt, efter att patienten är inställd i huvud hållaren, men innan draperier, använda ansiktet fysionomi av patienten att registrera patientens huvud till preoperativ MRT. Detta gör att preoperativ MRT (funktionell och strukturell) kan bringas i direkt linje med patientens hjärna på operationsbordet.
- Bifoga en andra (mycket mindre) registrering stjärna till bipolär stimulator (se figur 1) och använda för att registrera stimulator längd och position i fältet. Detta gör det möjligt för forskargruppen att förvärva den exakta placeringen av varje punkt av stimulering samt marginalerna i resektion, i förhållande till preoperativ MRT. Som nämnts ovan, strongview är ansluten med kraniala navigationssystem (vid University of Rochester, Brainlab, anslutning via IGT länk) för att möjliggöra realtid streaming (och tid stämpling) av koordinaterna för direkt elektrisk stimulering kartläggning. StrongView håller för närvarande på att utvecklas för att samverka med andra kraniala navigationssystem (t. ex. stryker).
Obs: aspekter av StrongView som stöder administration och datainsamling under kognitiva och fMRI experiment, tillsammans med ett bibliotek av tester, kommer att finnas tillgänglig (Open Access) på OpenBrainProject.org. Beta versioner är tillgängliga före den fullständiga utgåvan genom att kontakta motsvarande författare. Hela StrongView sviten, som omfattar hårdvara system för att integrera med Elektrokortikography och kranial navigationsprogramvara, är tillgänglig för kliniker och vetenskapsmän genom att kontakta motsvarande författare. Dessa datainsamlingsverktyg kommer att konfluenta med en efter bearbetning pipeline och Open data Consortium, som skall lanseras i 2020 på OpenBrainProject.org.
Representative Results
Figur 2, figur 3, och figur 4 presentera representativa resultat av pre-operativ funktionell och strukturell kartläggning för tre patienter med tumörer som var i anslutning till vältaliga regioner i hjärnan. De resultat som visas i figur 2, figur 3och figur 4 är avsedda att vara illustrativa (snarare än en uttömmande sammanfattning) av de typer av kartor som genereras för varje patient. Närmare uppgifter om de fall som presenteras i figur 2, figur 3och figur 4 finns i: figur 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, i press51), figur 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher och Mahon, 201952), och figur 4 (garcea et al., 201716). En viktig följd av en konsekutiv rekrytering av gliom-patienter till ett enhetligt protokoll är att det möjliggör analyser på gruppnivå som utvärderar effekten av hjärntumörer på nätverksfunktion och organisation. Som ett exempel på denna typ av analyser presenterar figur 5 resultat från en nyligen studie 14 som fann att tumörer i vänster parietala cortex modulerade neurala svar på "verktyg" (små manipulerbara objekt) i tinningloben, en förekomst av en Mer allmänt fenomen som kallas dynamisk diaschesis53.
Figur 1. Översikt över utrustning som används för extra operativ och Intra-operativ kognitiv testning. (A) exempel setup för hög genom-sätta kognitiv neuropsykologisk testning som genomförs av programmet för translationella hjärnavbildning i Institutionen för neurokirurgi vid University of Rochester Medical Center. Viktiga faktorer för att säkerställa att alla rekryterade patienter kan slutföra alla planerade tester inkluderar: i) en plats för patienter att sitta och slutföra tester som är fullt justerbar för varje patients storlek, inklusive en stol speciellt utformad för att minska trötthet, och II) lokalisera kognitiva/beteendemässiga tester fysiskt intill MRI. Dessa element gör det möjligt för patienter att besöka anläggningen och slutföra sin funktionella och strukturella MRI inom samma session som centrala beteendemässiga data mäts. Deltagarna Slutför fler prövningar med bättre prestanda om de är bekväma, särskilt för äldre deltagare populationer med andra samsjuklighet som kan göra sittande under längre perioder obekväm. B) utrustning som används vid intraoperativ kartläggning. Bilden till vänster visar en patient innan den är drauppad (höger är efter draframning). Innan draping, den kognitiva Science team sätter upp sin utrustning, inklusive ljud-och videobandspelare av patienten, en bildskärm placerad framför patientens siktlinje, och en andra bildskärm placerad så att den person som arbetar med patienten lätt kan Se den stimulans som patienten för närvarande tittar på (se "procedur" för detaljer). (C) bipolär stimulator med registrerings stjärna bifogas till rekord platser för Intra-operativ stimulering i PREOPERATIV MRI DICOM utrymme. Vanligtvis vid den punkt i operationen där Dura har dragits tillbaka och patienten är vaknat från narkos, det finns några minuter att registrera bipolär stimulator till fältet. Detta måste göras av en gruppmedlem som skrubbas in i ärendet (dvs, antingen närvara eller bosatt kirurg eller en Scrub Tech/sjuksköterska). Det åstadkoms genom att fästa en liten registrering stjärna till bipolär stimulator och följa instruktionerna i kraniala navigationssystem för att registrera ett nytt instrument på fältet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 . Preoperativ funktionell MRT och diffusion tensor imaging (DTI) i patientens Ah med en vänster sämre parietala gliom som infiltrerat den arcuatus fasciculus. (A) preoperativ T1 MRI och 3D rekonstruktion av vänster arcuatus fasciculus och gliom. Den arcuatus fasciculus visas i orange vid en 5% tröskel med tumören rekonstruerade i blått. (B) preoperativ funktionell MRT. Patienten avslutade flera sessioner av funktionell MRI som var utformade för att kartlägga en funktion som förväntades vara i anslutning till området för kirurgiska ingrepp. Alla kartor är thresholded på FDR q <. 05 eller bättre. I blått är voxels som uppvisar differential neurala svar när man namnger verktyg jämfört med djur; i linje med tidigare studier från vårt labb med samma stimuli, ett robust nätverk identifieras med premotor, parietala, och laterala och ventrala temporal områden7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Patienten ombads också att utföra en numerositet uppgift där han var tvungen att bedöma vilken av två moln av prickar hade fler prickar; de två molnen av prickar kunde antingen ha ett liknande antal prickar (hård jämförelse, förhållande = 0,8) eller mycket olika antal prickar (enkel jämförelse, förhållande = 0,25). I grönt är voxels som uppvisar differential neurala svar när de utför uppgiften över hårda förhållande stimuli (ratio =,8) jämfört med lätta stimuli (ratio = .25 54,55). Patienten ombads också att flytta sina händer och fötter (antingen Flex/Extension eller rotera25). I rött är voxels som uppvisade differentiella neurala svar på rörelser i höger hand jämfört med rörelser av den högra foten. Slutligen, patienten ombads att generera så många objekt som han kunde tänka på i 30 sekunder från olika kategorier (t. ex., "saker du gör i köket", "djur", ord som börjar med "F", etc.). I lila är voxels som uppvisade differentiell neurala aktivitet för öppen ord produktion jämfört med fixering/vila. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 . Preoperativ vit substans tractography av främre Aslant tarmkanalen och angränsande u-formade fibrer. Tidigare erfarenhet av programmet för translationell hjärnavbildning (Chernoff et al., 201756) med hjärnavbildning hos patienter med gliom i anslutning till främre snett-tarmkanalen visade att (även partiell) transektion av denna väg kan associeras med dysfluenser i spontana tal, medan upprepning av talat språk kan förbli intakt. Att tidigare erfarenhet användes för att informera preoperativ kartläggning av frontal snett tarmkanalen i patientens AI11. (A) koronala skivor som visar den främre snett tarmkanalen (blå-ljusblå) och du-formade fibrer (röd-gul). Den främre snett tarmkanalen passerar bara anterior och medial till Glioma. (B) 3D-rendering av frontal snett tarmkanalen (blå) och tumör (röd) från flera perspektiv. Pre-operativa anatomiska studier (paneler A och B) indikerade att i slutet av tumören resektion, skulle det vara möjligt att definiera den främre marginalen av tumör med hjälp av direkt elektrisk stimulering kartläggning. Vi utformade därför en ny språk uppgift baserat på vår tidigare erfarenhet, särskilt för att testa om stimulering av frontal snett tarmkanalen störd meningen produktion på gränserna för grammatiska fraser. (C) direkt elektrisk stimulering av frontal snett tarmkanalen stör menings produktionen differentially på gränserna för grammatiska fraser. Skärmdumpen (panel C, vänster) från videon visar patienten, den stimulans som han presenterades, kirurgen hand innehar bipolär stimulator i kontakt med den främre snett tarmkanalen vid den främre marginalen av tumören, och platsen i koronala och sagittal skivor av den aktuella stimulering plats (röd prick) i förhållande till frontal snett tarmkanalen (blå). Patientens uppgift var att beskriva den rumsliga relationen för målformen i förhållande till placeringen av en referensform (för den visade provperioden skulle det korrekta svaret vara: "den röda kvadraten är under den röda diamanten"). Vi fann att stimulering av frontal snett tarmkanalen störs meningen produktion, och differentially så i början av nya grammatiska fraser (panel C, graf till höger; för video av den Intraoperativa kartläggningen hos denna patient, se www.openbrainproject.org). denna observation motiverar en ny hypotes om rollen av frontal snett tarmkanalen i meningen produktion: Syntagmatisk begränsningar på positionella element (scope) hypotes11. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Pre-operativ funktionell och strukturell MRI och intraoperativ direkt elektrisk stimulering kartläggning i en professionell musiker med en gliom i den högra bakre tinningloben.(A) Preoperativ fMRI-mappning av visuell bearbetning på hög nivå, språkproduktion och verktygs kunskap. Tumören, skuggade gula, var i rätt tinningloben, synlig genom rätt överlägsen temporala sulcus (sulci något expanderat för att underlätta visualisering). Eftersom tumören var belägen nära rörelse bearbetning områden i sidled temporala cortex, lokaliserade vi MT/V5 genom att jämföra neurala aktivitet när patienten deltog i arrayer av rörliga prickar till neurala aktivitet framkallade av stationära prickar; voxels uppvisar differentiella neurala svar för rörelse jämfört med statiska prickar ritas på den lila-vita färgskalan (vi är tacksamma att Duje tadin för hjälp med att utveckla denna funktionella Localizer). Som för alla andra fall studeras i programmet för translationell hjärnavbildning (t. ex.Figur 2,Figur 3), voxels uppvisar differentiella neurala svar för att namnge vanliga bilder jämförs med en baslinje för visning fas-kodade versioner av samma bilder; Detta ritas på den grön-vita färgskalan. Denna kontrast identifierade bilaterala laterala occipital komplexa, bilaterala mellersta/överlägsen temporal gyrus, och motoriska cortex (associerad med tal motorisk aktivitet). Också som iFigur 2, voxels uppvisar differentiella neurala svar när man namnger "verktyg" hittades i vänster sämre parietala lobule, bilaterala överlägsen parietala/dorsal occipital cortex, och vänster bakre mitten/sämre temporal gyrus (blå-vit färgskala). Slutligen, och igen som iFigur 2, patienten ombads att slutföra en verbal flyt ord produktions uppgift. Voxels samband med Word generation jämfört med en vilande baslinje är plottas på röd-vit färgskala och hittades i vänster sämre frontal gyrus (Broca område), överlägsen temporal/sämre parietala cortex, och tal motorsystemet. (B) Patienten avslutade flera funktionella MRI-experiment för att specifikt kartlägga musik bearbetningen. I ett experiment, modellerad efter tidigare arbete från Greg Hickok ' s Lab57, hörde patienten korta pianomelodier och var tvungen att nynna melodin tillbaka, eller hörde korta meningar och var tvungen att upprepa meningarna tillbaka. Plottas på hjärnan på röd-lila färgskalan är voxels som uppvisade differentiell Neural aktivitet för musik än för språket. Fyra Eastman School of Music forskarstuderande avslutade samma fMRI experiment; gränsen för den region som identifierats för samma funktionella kontrast i matchande friska kontroller ritas i grön kontur. Dessutom slutförde 10 andra Neurokirurgiska patienter samma experiment, även i den preoperativa fasen av behandlingen. Fördriva det närliggande målet i de 10 tålmodig var att identifiera språk-mottagliga områden (thorugh kontrasten av språk > musik), kontrasten av musik > språket identifierar en mycket liknande region av den högra överlägsna temporal gyrus (gränsar av det funktionellt regionen från de 10 kontroll Neurokirurgiska patienterna dras i ljusblå). (C) Preoperativ probabilistiska tractography över DTI data som visar rätt akustiska strålning och arcuatus fasciculus i förhållande till patientens AE tumör (5% tröskel, överlagt på infödda T2-vägd bild). (D) Under operationen utförde patient AE samma uppgift som under fMRI där han var tvungen att lyssna på korta pianomelodier och nynna dem, eller en kort mening och upprepa den igen. Det konstaterades att direkt elektrisk stimulering till höger bakre överlägsen temporal gyrus störde prestanda i upprepnings uppgiften när de utförs över melodier (för vissa prövningar), men påverkade inte prestanda (på alla prövningar) för samma upprepning uppgift utförs över meningar (se www.openbrainproject.org för videor av intraoperativ musik kartläggning).Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 . Demonstration av domänspecifika diaschesis: analys av förhållandet mellan lesion plats och stimulans-framkallade neurala aktivitet över en grupp av gliom patienter studerade pre-operativt i programmet för translationella hjärnan. En viktig konsekvens av att administrera en gemensam uppsättning av funktionella MRI och beteendestudier till alla patienter som går igenom programmet för translationell hjärnavbildning vid University of Rochester Medical Center är möjligheten att genomföra grupp-nivå analyser av större grupper av efter varandra studerade patienter. Som ett exempel visar figur 5 resultaten av ett test av den grundläggande vetenskapen hypotesen att neurala svar på "verktyg" i tinningloben moduleras online av ingångar från parietala cortex. Om denna hypotes är korrekt, då lesioner (tumörer) i parietala cortex bör förändra neurala svar i tinningloben till "verktyg", och variansen mellan patienter i neurala aktivitet till "verktyg" i tinningloben bör korreleras med närvaron av lesioner ( tumörer) i parietala cortex. (A) lesioner till parietala cortex förutspås på gruppnivå (Logistic regression) från variansen mellan patienter i neurala svar i medial spolformade gyrus på den ventrala ytan av tinningloben. (B) neurala svar på verktyg i mediala spolformade gyrus förutspås på gruppnivå (Logistic regression) från variansen i om lesion/tumör innebär den främre intraparietal sulcus (AIPS). De resultat som sammanfattas i paneler A och B utgör en förekomst av dynamisk diaschesis53, i detta fall "domänspecifika" dynamisk diaschesis, eftersom förhållandet mellan lesion plats att neurala aktivitet moduleras av den typ av stimulans som bearbetas ( det vill säga, relationen är närvarande för verktyg, och inte för platser, ansikte eller djur)-för fullständig information se Garcea och kollegor14. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Den kunskap som erhållits från erfarenheterna av att etablera programmet för translationella hjärn kartor vid University of Rochester kan destilleras ner i två centrala delar. Först bildades strukturerade kommunikationskanaler bland kognitiva forskare, neuro-onkologer, neuropsykologer, epileptologer, neurofysiologer, neuro-anestesiologer, neurokirurg och deras respektive stödjande tekniker och administrativt stöd. Detta gör det möjligt för patienter, inklusive brådskande höggradig tumör patienter, att remitteras för preoperativ utvärdering med tillräckligt med tid att vända analyser runt till kirurger före ingreppet. Den andra komponenten kritisk till framgången för hjärnan kartläggning programmet har varit att vika i utbildningsmöjligheter för studenter, examen (MS, PhD) studenter, läkarstuderande, samt neurokirurgi, neurologi och neuroradiologi invånare och Stipendiater. Kombinationen av dessa två element syftar till att engagera alla kliniska leverantörer med de vetenskapliga målen i hjärnan kartläggning programmet, och säkerställer att grundläggande vetenskap mål är sammanflätade med det kliniska målet att optimera resultatet av varje patient.
Disclosures
Ett provisoriskt patent (U.S. provisorisk patent nummer 62/917258) lämnades in 11/30/18 för "StongView: en integrerad hårdvara/mjukvara för att underlätta kognitiv testning under vaken hjärnkirurgi och att stödja realtidsanalyser i tjänsten av att förutsäga patientens utfall. "
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av NIH Grants R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535, och NSF Grant BCS-1349042 till BZM, och av en University of Rochester Center for Visual Science predoktors utbildning Fellowship (NIH Training Grant 5T32EY007125-24) till FEG. Vi är tacksamma för Keith Parkins för hans arbete med utvecklingen av StrongView, som stöddes av Core Grant P30EY00131 till centrum för visuell vetenskap vid University of Rochester Medical School. Programmet för translationella hjärn kartor vid University of Rochester inrättades delvis, med stöd från Norman och Arlene Leenhouts, och med ett bidrag från Wilmot Cancer Institute till DRS. Kevin Walter och Bradford Mahon. Information om programmet för translationell hjärnavbildning vid University of Rochester Medical Center finns 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).
