Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Undersøgelsesdesign til navigeret gentagen transkraniel magnetisk stimulering til talekortikal kortlægning

Published: March 24, 2023 doi: 10.3791/64492
Automatic Translation
1,2, 1,2, 2,3, 1,2,3, 3,5, 4, 3, 2, 1,2, 1,2
1Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Aalto University School of Science, 2BioMag Laboratory, HUS Diagnostic Center, University of Helsinki, Aalto University, and Helsinki University Hospital, 3Department of Clinical Neurophysiology, HUS Diagnostic Center, University of Helsinki and Helsinki University Hospital, 4Department of Neurosurgery, University of Helsinki and Helsinki University Hospital, 5Department of Child Neurology, University of Helsinki and Helsinki University Hospital

Summary

Navigeret gentagen transkraniel magnetisk stimulering er et yderst effektivt ikke-invasivt værktøj til kortlægning af talerelaterede kortikale områder. Det hjælper med at designe hjernekirurgi og fremskynder den direkte kortikale stimulering, der udføres under operationen. Denne rapport beskriver, hvordan man udfører talekortikal kortlægning pålideligt til præoperativ evaluering og forskning.

Abstract

De kortikale områder, der er involveret i menneskelig tale, bør karakteriseres pålideligt før operation for hjernetumorer eller lægemiddelresistent epilepsi. Den funktionelle kortlægning af sprogområder til kirurgisk beslutningstagning udføres normalt invasivt ved elektrisk direkte kortikal stimulering (DCS), som bruges til at identificere organiseringen af de afgørende kortikale og subkortikale strukturer hos hver patient. Nøjagtig præoperativ ikke-invasiv kortlægning hjælper kirurgisk planlægning, reducerer tid, omkostninger og risici i operationsstuen og giver et alternativ til patienter, der ikke er egnede til vågen kraniotomi. Ikke-invasive billeddannelsesmetoder som MR, fMRI, MEG og PET anvendes i øjeblikket i prækirurgisk design og planlægning. Selvom anatomisk og funktionel billeddannelse kan identificere de hjerneområder, der er involveret i tale, kan de ikke afgøre, om disse regioner er kritiske for tale. Transkraniel magnetisk stimulering (TMS) ophidser ikke-invasivt de kortikale neuronale populationer ved hjælp af elektrisk feltinduktion i hjernen. Når det anvendes i sin gentagne tilstand (rTMS) for at stimulere et talerelateret kortikalt sted, kan det producere talerelaterede fejl svarende til dem, der induceres af intraoperativt DCS. rTMS kombineret med neuronavigation (nrTMS) gør det muligt for neurokirurger præoperativt at vurdere, hvor disse fejl opstår, og at planlægge DCS og operationen for at bevare sprogfunktionen. En detaljeret protokol findes her for ikke-invasiv talekortikal kortlægning (SCM) ved hjælp af nrTMS. Den foreslåede protokol kan ændres, så den passer bedst til de patient- og stedspecifikke krav. Det kan også anvendes til kortikale netværksundersøgelser hos raske forsøgspersoner eller hos patienter med sygdomme, der ikke kan opereres.

Introduction

Under neurokirurgi på grund af cerebral sygdom (f.eks. Epilepsi eller en tumor) skal omfanget af resektion optimeres for at bevare hjerneområder, der understøtter kritiske funktioner. Områder, der er afgørende for patientens integritet og livskvalitet, såsom sprogrelaterede, bør karakteriseres inden fjernelse af hjernevæv. Typisk kan de ikke identificeres individuelt alene baseret på anatomiske landemærker1. Den funktionelle kortlægning af sprogområder til kirurgisk beslutningstagning udføres normalt invasivt ved elektrisk direkte kortikal stimulering (DCS), som gør det muligt for neurokirurgen at forstå organiseringen af de afgørende kortikale og subkortikale strukturer hos hver patient2. Selvom DCS under vågen kirurgi betragtes som guldstandarden for kortikal kortlægning af talefunktioner, er det begrænset af dets invasivitet, metodologiske udfordringer og den høje stress, det fremkalder for både patienten og det kirurgiske team. Denne protokol beskriver ikke-invasiv talekortikal kortlægning (SCM) ved hjælp af navigeret transkraniel magnetisk stimulering (navigeret TMS eller nTMS). Nøjagtig ikke-invasiv kortlægning hjælper med kirurgisk planlægning og reducerer tid, omkostninger og risici i operationsrummet (OR). Det giver også et alternativ til de patienter, der ikke er egnede til vågen kraniotomi3.

Ikke-invasive billeddannelsesmetoder har allerede haft stor gavn af prækirurgisk planlægning. Anatomisk magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) er afgørende for lokalisering af tumorer og hjernelæsioner; i neuronavigation4 og i den navigerede TMS-kortlægning5 guider den operatøren til de kortikale steder af interesse. Diffusionsbaseret MR (dMRI) tractography giver detaljerede oplysninger om de hvide stoffiberkanaler, der forbinder kortikale regioner 5,6. I løbet af det sidste årti er funktionelle billeddannelsesteknikker, især funktionel MR (fMRI) og magnetoencefalografi (MEG), i stigende grad blevet brugt til præoperativ motorisk og talekortikal kortlægning (SCM)2,8,9. Hver metode giver fordele for den præoperative kortlægningsprocedure og kan for eksempel give information om de funktionelt relaterede regioner uden for de konventionelle sprogområder (Brocas og Wernickes områder). fMRI har været den mest almindeligt anvendte metode1 på grund af dens høje tilgængelighed; det er blevet sammenlignet med DCS i lokalisering af talerelaterede områder med variable resultater 2,10. Men selvom funktionel billeddannelse kan identificere de involverede hjerneområder, kan den ikke afgøre, om disse regioner er kritiske for, at funktionen bevares.

Navigeret gentagen TMS (nrTMS) bruges i dag som et alternativ til de førnævnte metoder til præoperativ ikke-invasiv SCM11,12. nrTMS SCM er især effektiv til at identificere talerelaterede kortikale områder inden for den ringere frontale gyrus (IFG), overlegen temporale gyrus (STG) og supramarginal gyrus (SMG)11,13. En fordel ved metoden er, at offlineanalysen af de fejl, der fremkaldes af stimuleringen, gør det muligt for analysatoren at være uvidende om stimuleringsstedet. Det er således muligt at bedømme fejlen uden forudgående information om det kortikale websteds relevans for talenetværket. Dette muliggøres af en videooptagelse, som gør det muligt for analysatoren at skelne subtile forskelle i fejl, såsom semantisk og fonologisk parafasi, mere pålideligt end under den faktiske undersøgelse11,12. NrTMS SCM-tilgangen overgår i øjeblikket udførelsen af MEG- eller fMRI-talekortlægning alene10,14, og yderligere funktionel eller anatomisk information kan bruges til at finjustere nrTMS-proceduren. Præoperativ kortlægning med nrTMS har vist sig at forkorte driftstiderne og reducere den krævede størrelse af kraniotomi og beskadigelse af den veltalende cortex15. Det forkorter indlæggelsestiden og muliggør en mere omfattende fjernelse af tumorvæv og derved øger patientens overlevelsesrate15. nrTMS er blevet valideret mod intraoperativ DCS-kortlægning; specifikt er følsomheden af nrTMS i SCM høj, men dens specificitet forbliver lav med overdrevne falske positive sammenlignet med DCS13,16.

I øjeblikket kan prækirurgisk ikke-invasiv SCM med nrTMS hjælpe med patientvalg til operation, hjælpe med at designe operationen og fremskynde DCS, der udføres under operationen17. Her gives en detaljeret beskrivelse af, hvordan nrTMS SCM kan udføres for at opnå pålidelige talespecifikke resultater. Efter at have opnået praktisk erfaring kan den foreslåede protokol skræddersys, så den passer bedst til patient- og stedspecifikke krav. Protokollen kan udvides yderligere til visse mål, såsom taleproduktion (talestop)18,19 eller visuelle og kognitive funktioner20.

Protocol

Denne undersøgelse blev godkendt af hospitalsdistriktet Helsinki og Uusimaa etiske komité. Informeret samtykke til at deltage blev opnået før proceduren fra hvert emne.

1. Forberedelse af strukturbillederne

  1. Optag en T1-vægtet strukturel MR med høj opløsning af hele hovedet for hvert emne (helst med et mellemrum på 0 mm og en skivetykkelse på 1 mm). Hent billederne som angivet i neuronavigationssystemets instruktioner.
  2. Upload MR-billederne til navigationssystemet i dets foretrukne format (typisk DICOM eller NifTI).
  3. Gå gennem MR-billederne, og kontroller, om der er fejl (f.eks. slørede kardinalpunkter, støjforstyrrelser eller fejlplaceringer i 3D-modelrekonstruktionen).
  4. Find kardinalpunkterne (dvs. midten af ryggen i hver øreflip og nasionen) i de aksiale, sagittale og koronale MR-planer, markér dem ved at trykke på trådkorsfunktionen i planerne, og vælg det nøjagtige sted ved at klikke på venstre museknap. Tryk derefter på knappen "tilføj landemærker" med musen.
  5. Indsæt pakninger af hjerneområder af interesse (f.eks. identificeret ved andre funktionelle metoder [MEG, fMRI, PET] eller baseret på MR-databaser eller atlaser)21. Vælg funktionen "overlay image".

2. Forberedelse til neuronavigation

  1. Kontroller, at motivet ikke har metalgenstande (f.eks. Øreringe) i hoved- og halsområdet, og sørg for, at der ikke er absolutte kontraindikationer såsom intrakranielle metalklip.
  2. Placer emnet i patientstolen. Juster stolen, så motivet sidder behageligt, med nakke, hænder og ben afslappet. Juster stolens højde, så operatøren komfortabelt kan stimulere hele den halvkugle, der undersøges.
  3. Placer hovedtrackeren, så den stabiliseres under stimuleringssessionen (med et klistermærke eller en rem) og ikke blokerer TMS-spolen fra at blive flyttet frit over hovedet, især over de tidsmæssige områder. Trackeren kan være placeret lidt til højre på panden, hvis venstre halvkugle stimuleres og omvendt, hvis højre halvkugle stimuleres for at sikre, at de forreste frontallapområder kan stimuleres.
  4. Co-registrer forsøgspersonens hoved til den MR-rekonstruerede 3D-hovedmodel. Brug en digitaliseringspen på deltagerens hoved til at markere kardinalpunkterne (nasion, præ-aurikulære punkter), der blev valgt på MR'erne. Digitaliser yderligere punkter over hele kraniets overflade for at reducere den endelige registreringsfejl. Placer digitaliseringspennen over hvert fremhævet sted på 3D-hovedmodellen, og tryk på venstre pedal, når spottet begynder at blinke på navigatorskærmen.
  5. Godkend registreringen, selvom den samlede fejl er acceptabel (under 4 mm). Berør motivets hoved med spidsen af digitaliseringspennen. Dobbelttjek visuelt, at pennen er på det analoge sted på overfladen af den 3D MR-baserede model. Hvis dens position ikke svarer til punktet i MR-scanningen, gentages trin 2.1-2.4.
  6. Sørg for, at både motivet og operatøren bærer høreværn, før stimuleringen påbegyndes.

3. Definition af hot spot og motorisk tærskel for M1-stimulering

  1. Til bestemmelse af hvilemotorisk tærskel (rMT) skal du vælge en distal håndmuskel (f.eks. Abductor pollicis brevis [APB]) fra højre hånd.
    SEDDEL. Motorisk tærskel bruges til at definere den oprindelige stimuleringsintensitet, som efterfølgende kan ændres som forklaret nedenfor. Således kan enhver distal håndmuskel anvendes til dette formål.
  2. Placer en gelelektrode til engangsbrug (diameter: ~30 mm) over højre APB (muskelens mave) og en anden på midten af tommelfingeren (senen). Placer jordelektroden nær håndleddet (eller følg producentens retningslinjer).
  3. Tilslut elektroderne til elektromyografiforstærkeren (EMG), og kontroller, at APB er i hvile ved at observere det kontinuerlige EMG-signal. Skift håndens position, hvis den registrerede muskel ikke let kan slappe af.
  4. Find det kortikale hotspot til bestemmelse af APB-motortærsklen. Start fra motorens håndknapområde22, aflever et par TMS-impulser, og fortsæt med at flytte og dreje spolen, indtil APB-motoren fremkaldte potentialer (MEP'er) vises.
    BEMÆRK: Normalt er motoriske repræsentationer af tommelfingeren placeret vinkelret på håndknappens sidevæg.
    1. Vælg en TMS-intensitet, der fremkalder MEP'er på omkring 200-500 μV. Optimer spolens placering og retning ved at ændre vinklen lidt for at fremkalde de maksimale MEP'er.
  5. Gem den optimale spoleplacering i neuronavigationssoftwaren ved at højreklikke over pulstallet, der svarer til hot spot-stedet, og vælge muligheden for at gentage stimulus. Gentag stimuli, og anvend en automatisk tærskeljagtalgoritme23 ved at højreklikke på hot spot og vælge muligheden for motorisk tærskel fra neuronavigationssoftwaren.
  6. Hvis disse muligheder ikke er tilgængelige, skal du anvende reglen om, at en TMS-puls skal fremkalde 10 MEP'er (≥50 μV) ud af 20 forsøg24.

4. Baseline navngivning af billeder

  1. Gør motivet bekendt med billederne før navngivningsopgaven11,12 for grundlinjeobjektet. Udskriv billederne (eller vis dem i digitalt format), og lad emnet øve sig, før sessionen starter (emnet kan også øve derhjemme).
    1. Brug korrekt standardiserede normaliserede farvebilleder (f.eks. fra Bank of Standardized Stimuli25; Supplerende figur 1).
    2. Brug kun billeder, der ofte ses i et hverdagsmiljø, har et minimalt antal synonymer og har høj navneaftale.
  2. Hvis det er muligt, fastgøres et accelerometer på huden over strubehovedet og stemmebåndene for at optage talestarten, som forklaret i Vitikainen et al.26.
  3. Vis billederne til motivet et efter et, og bed dem om at navngive billederne højt uden stimulering.
    1. Præsenter billederne for motivet på en skærm, der er placeret i en afstand på 0,5-1 m.
    2. Brug en visningstid på 700-1.000 ms pr. billede.
  4. Juster inter-picture intervallet (IPI) for at gøre opgaven lidt udfordrende for hvert motiv (f.eks. Start med 2.500 ms og varierer mellem 1.500-4.000 ms).
    1. Hvis der opstår mange fejl under grundlinjenavngivningsopgaven, skal du øge IPI i trin på 200-300 ms. Hvis opgaven er for let, skal du reducere IPI i trin på 200-300 ms.
  5. For den faktiske talekortlægningssession med nrTMS skal du udelade de billeder, der under baseline-testen ikke blev trænet tilstrækkeligt, ikke navngivet korrekt, ikke navngivet tydeligt, ikke artikuleret korrekt, navngivet med forsinkelse eller tøven eller syntes vanskelige for emnet.
  6. Kør den oprindelige navngivningsopgave tre gange, og gentag trin 4.3-4.5, hvis ydeevnen ikke er tilfredsstillende.

5. Kortikal kortlægning af tale

  1. Varier stimuleringsintensiteten ved at øge/mindske den i trin på 1% af stimulatorens output, så hvert målområde modtager det samme inducerede elektriske felt (E-felt), som defineret for rMT af håndmusklerne ved det kortikale håndmotoriske hotspot. Normalt skal der anvendes højere intensiteter for parietal end for frontotemporale mål for at nå lignende kortikale E-felter som for rMT-hotspottet.
    1. Sænk intensiteten, når du stimulerer kortikale strukturer placeret tættere på hovedoverfladen (E-felt over det foruddefinerede rMT E-felt).
  2. Kontroller, før stimuleringen påbegyndes, at de inducerede E-feltværdier er omtrent ens (med en forskel på 2-3 V / m) i de forskellige talerelaterede områder på begge halvkugler.
    1. Juster den kortikale dybde (skrældybde), hvis det er nødvendigt.
    2. Sørg for, at spolecentret ikke er i luften.
  3. Start med et standardbillede-til-TMS-interval (PTI) på 300 ms, eller brug en 0-400 ms PTI; en PTI over 150 ms foretrækkes for at optimere overlapningen af stimulering med sprogbehandling.
  4. Start med fem impulser med en 5 Hz stimuleringshastighed. Start fra et kortikalt område, der ikke er relateret til talebehandling, så motivet vænner sig til den fornemmelse, der induceres af stimuleringen. Flyt derefter spolen til de forventede talerelaterede områder.
  5. Hold spolen i samme position, indtil pulstoget er slut, og motivets navngivning er afsluttet.
  6. Fokuser på motivets præstation som beskrevet nedenfor.
    1. Hvis der ikke observeres nogen fejl, skal du gå videre til næste locus.
    2. Hvis der observeres en fejl eller endda en tøven, skal du fortsætte med at stimulere dette websted for yderligere to til tre nrTMS-tog og derefter fortsætte. Husk webstedet for mulig senere stimulering.
    3. Foretag små spolejusteringer, når der opdages selv en lille fejl (f.eks. Mindre tøven eller en højere stemme under navngivningen på grund af en øget indsats) for at fremkalde klarere fejl.
    4. Undgå at gentage stimulering på samme sted i mere end fem på hinanden følgende tog. Fortsæt med andre kortikale websteder, og besøg webstedet igen senere.
    5. Hvis der opstår gentagne fejl på flere stimulerede steder, skal du løfte spolen i luften over hovedbunden og kontrollere, om der stadig opstår fejl.
    6. Hvis der stadig opstår fejl, skal du tage en pause og vente, indtil navngivningen vender tilbage til normal.
      SEDDEL. Gentagne navngivningsfejl, der ikke er relateret til stimuleringen, kan være almindelige, hvis talerelaterede områder påvirkes af en tumor eller anden læsion.
    7. Stimuler i blokke på 7-10 min (maksimum) kontinuerligt, og har 2-5 min pauser imellem.
      BEMÆRK: Fejl bliver mere almindelige ved lange stimuleringer, og hvis motivet er træt.
  7. Stimulere alle de muligvis relaterede anatomiske områder (fx IFG, STG, SMG, middle temporal, precentral, postcentral og angular gyri og den præfrontale cortex) for at opnå så mange kontrolresponser som muligt.
  8. Hvis det er muligt og/eller klinisk understøttet, stimulere begge halvkugler. Stimuler omhyggeligt inden for og omkring tumorområdet eller den estimerede placering af læsionen, selvom disse regioner ikke tilhører de klassiske talerelaterede områder (for tumor- og epilepsipatienter).
    1. Undersøg kortikale områder, der er placeret væk fra læsionsstedet for at identificere mulige rumlige skift i sprogområderne på grund af plastiske ændringer eller masseeffekten, især hos patienter med store læsioner.
  9. Reducer TMS-intensiteten i trin på 2% -5% af det maksimale stimulatoroutput, hvis kortlægningen fremkalder smerte eller ubehag.
  10. Stop målingen, hvis den inducerede smerte eller ubehag ikke tolereres af forsøgspersonen.

6. Strategi, når der ikke opstår navngivningsfejl

  1. Afslut stimuleringen, og skift stimuleringsparametre.
  2. Reducer IPI i trin på 200 ms fra standardværdien (f.eks. fra 2.500 ms til 2.300 ms).
  3. Skift frekvensen af pulslevering fra 5 Hz til 7 Hz. Skift intervallet mellem starten af det præsenterede billede og rTMS (i øjeblikket er der ingen konsensus om, hvorvidt det skal øges eller formindskes). Forøg stimuleringsintensiteten (uden at fremkalde ubehag).

7. Offline-analyse af de fremkaldte navngivningsfejl

  1. Samarbejd med en ekspert (f.eks. En neuropsykolog), som optimalt skal være til stede i operationsstuen.
  2. Dobbelttjek de fremkaldte navngivningsfejl ved at observere spolepositioneringen og mulig smerteinterferens fra videooptagelserne.
  3. Klassificer fejlene i henhold til Corina et al.27 (f.eks. Anomia, semantisk og fonologisk parafasi, præstationsfejl).
    1. Hvis en bestemt type fejl gentager sig i baseline-videoen, skal du ikke betragte det som en fejl, når du analyserer stimuleringssessionsvideoerne.
  4. Hvis et objekt er opkaldt efter rTMS-toget, skal du betragte dette som en forsinkelse eller en ikke-fejl; Kontroller også for muligt ubehag hos motivet under pulsleveringen.
  5. Hvis motivet ikke kan navngive et givet objekt, selvom tungen, læberne og kæberne bevæger sig, skal du registrere en fejl uden svar.
  6. Hvis et billede navngives forskelligt i hver session, skal du kassere det.
  7. Hvis du er usikker, skal du kontrollere ydeevnen på det nærliggende stimuleringssted eller effekten af stimuleringen af den anden halvkugle med det samme billede.

Representative Results

Et navigeret transkranielt magnetisk stimuleringssystem med integrerede skærme og kameraer blev brugt. Figur 1A-C fremhæver de forskellige TMS-fremkaldte navngivningsfejl i et emne under opgaven ved forskellige PTI'er (180 ms, 200 ms og 215 ms). Effekten af timingen af TMS-impulserne på antallet af fremkaldte fejl er tydelig. Med andre ord blev TMS-relaterede ændringer i ydeevne detekteret i forskellige områder ved forskellige PTI'er. Antallet af fejl varierede afhængigt af timingen af TMS-impulserne selv på de samme kortikale steder i overensstemmelse med MEG-undersøgelser, der viser variationen i aktiveringstidspunktet i forskellige talerelaterede kortikale områder28. En sammenligning af resultaterne mellem ekstraoperativ DCS-kortlægning og nrTMS med en fast PTI ved 300 ms hos en patient med intractable epilepsi er vist i figur 2. Dataene blev hentet fra en tidligere publikation med fokus på epilepsi29.

Figure 1
Figur 1: Resultater af en nrTMS SCM illustreret over en 3D MR-baseret model fra en rask frivillig . (A) PTI på 180 ms. (B) PTI på 200 ms. (C) PTI på 215ms. Ud over de vigtigste talerelaterede områder blev det præsupplerende motoriske område (præ-SMA) stimuleret som beskrevet i protokollen (trin 5.7). De fleste af fejlene blev fremkaldt i de klassiske taleområder (IFG, STG, SMG), men også langs stien, der forbinder præ-SMA og Brocas område (de grønne pletter tæt på midterlinjen i A og B). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Sammenligning af resultaterne mellem ekstraoperativ DCS-kortlægning og nrTMS med en fast PTI ved 300 ms hos en patient med intractable epilepsi . (A) Ekstraoperativ gitterkortlægning i en alder af 13 år. De gule kugler repræsenterer alle elektroderne på cortex. Stederne for elektrodestimulering (2-5 mA), der inducerede motoriske reaktioner i hånd og mund (grønne cirkler), navngivning af anholdelse (anomia; røde cirkler) og afbrydelse af sætningsgentagelse (lyserøde cirkler) vises. (B) nrTMS SCM af samme patient i en alder af 15 år. Stederne for nrTMS-inducerede anomier (røde prikker), semantiske og fonologiske parafasi (gule prikker) og tøven (hvide prikker) vises. Områderne med meget reproducerbar og pålidelig fejlinduktion er cirklet. Dataene til dette billede blev taget fra undersøgelsen af Lehtinen et al.29. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende figur 1: Eksempler på billeder præsenteret i nrTMS SCM-eksperimentet (på finsk i parentes). a) Bøjle (Henkari). b) saks (sakset). c) Jordbær (Mansikka). Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Her præsenteres en protokol for nrTMS SCM, som muliggør praktisk talt komplet kortikal ikke-invasiv kortlægning af de vigtigste knudepunkter i tale- og sprognetværket. Dens største fordel er, at den ikke-invasivt kan simulere DCS-kortlægningen under vågen kraniotomi30 eller ekstraoperativt29 (se figur 2). Desuden kan det anvendes til kortikale netværksundersøgelser af sprog i raske populationer31 og hos patienter med sygdomme, der ikke kan opereres32. nrTMS for SCM kan også anvendes til at udvikle neurorehabiliteringsstrategier såsom målvalg (f.eks. Efter slagtilfælde). DCS' induktion af plasticitet i talerelaterede kortikale repræsentationer før operation er blevet undersøgt33 for at øge omfanget af resektion34. Mulighederne for nrTMS SCM i sådanne undersøgelser bør undersøges.

I de nuværende resultater blev et relativt stort område, herunder klassiske talerelaterede områder og præ-SMA, gentagne gange stimuleret ved tre forskellige PTI'er. Hver PTI viste forskellig følsomhed og specificitet over for fejl, men demonstrerede også den velkendte responsvariation i ikke-invasive hjernestimuleringer35. De fleste fejl blev induceret af stimulering af IFG, STG, præ-SMA og langs den frontale skråkanal36. Dette fremhæver kraften i nrTMS SCM; specifikt sammenlignet med DCS kan stimuleringen ganske fleksibelt målrettes mod flere områder. Vi har observeret, at ændring af PTI og optagelse af mange sessioner ikke klart fremskynder reaktionstiderne26,29, hvilket ville være forbundet med en læringseffekt.

Protokollen fremhæver forskellige parametre, der kan påvirke nøjagtigheden af nrTMS SCM. Resultaterne kan være følsomme over for de valg, som TMS-operatøren træffer; Dette papir sigter mod at give en standard retningslinje med velafprøvede stimuleringsparametre. Høj specificitet skyldes et passende valg af flere forskellige parametre, herunder ISI, PTI, spoleplacering og rTMS-frekvens. Disse parametre påvirker specificiteten af de inducerede fejl, som afspejler funktionerne i de underliggende kortikale områder; Parametervalget skal baseres på aktuel viden om sprogets neurobiologi.

Billederne til navngivningsopgaven skal vælges, så de ikke i sig selv fremkalder fejlagtig navngivning (supplerende figur 1). Her blev billederne udvalgt fra en standardiseret billedbank og kontrolleret for forskellige navngivningsparametre25,37. For eksempel var puljen af billeder begrænset til genstande med lignende kompleksitet og hyppighed i daglig brug samt høj navneaftale. Valget af billeder kan variere afhængigt af behovene hos hvert kirurgisk center38, populationen under undersøgelse39, modersmålet for det testede emne 40,41 og den anvendte opgave42. Som præsenteret i protokollen individualiseres baseline-billedvalget endelig for hvert emne, da navngivning på stedet er subjektiv.

Stimuleringsfrekvensen skal defineres individuelt, fordi den kan bestemme fordelingen af fejl under navigeret transkraniel magnetisk hjernestimulering43. Det præsenterede valg, 4-8 Hz, er baseret på rTMS-arbejdet af Epstein et al.44. Den indledende stimuleringsfrekvens er indstillet til 5 Hz. Hvis der ikke opdages fejl, øges stimuleringsfrekvensen til 7 Hz. Højere frekvenser kan reducere nrTMS-induceret smerte og øge specificiteten af navngivningsfejl45. Højere frekvenser har også den fordel, at impulserne begrænses til et kort og mere specifikt tidsinterval. De kan dog påvirke funktioner relateret til for eksempel talemotorisk udførelse44,46, som ikke er hovedmålet for denne protokol.

Det anbefales at variere PTI mellem 150-400 ms. Dette er et vigtigt tidsvindue for hentning af ord under objektnavngivningsopgaven28,47. Protokollen sigter mod talespecificitet ved at undgå interferens af grundlæggende visuel behandling, som forekommer i løbet af de første 150 ms efter billedpræsentation og kan påvirke objektnavngivning, men er ikke relateret til taleproduktion. Den anbefalede øvre grænse for PTI er baseret på typiske responslatenstider i billednavngivning i samme emne28,48, og der kan forventes individuel variation i de optimale værdier mellem forsøgspersoner (se figur 1). PTI-udvælgelsen bør ideelt set baseres på personlige målinger, selvom dette kan være logistisk krævende i en klinisk indstilling. Helsinki University Hospital protokoller starter normalt med en 300 ms PTI. Det kan også være nyttigt at ændre PTI baseret på det stimulerede område12,13,49, som det fremgår af flere sprogstudier28,47,50. Ikke desto mindre kan PTI'er uden for ovennævnte vindue også fremkalde navngivningsfejl, der er nyttige til prækirurgisk evaluering (for en sammenlignende undersøgelse, se Krieg et al.49 ved hjælp af PTI'er på 0-300 ms).

Det kortikale talenetværk er udbredt og varierer blandt individer, især hos patienter med tumorer og epilepsi29,30,39. nrTMS inducerer sprogforstyrrelser med stor variation på tværs af individer, analogt med dem, der observeres under vågen kraniotomistimulering27,51. Oplysningerne fra fMRI 50, DTI 52,53,54 og MEG 55 kan dirigere nTMS-brugeren og resultere i en procedure, der er skræddersyet til hver enkelt person og dermed er mere specifik og præcis. Målet i nrTMS SCM er at øge specificiteten, reducere antallet af ikke-respondenter, guide DCS pålideligt eller erstatte det, når ressourcerne og betingelserne ikke tillader et team af højt specialiserede eksperter at udføre det. I fremtiden kan multilocus TMS (mTMS) anvendes i proceduren for at stimulere forskellige dele af cortex uden fysisk at flytte stimuleringsspolen56.

Den nuværende protokol kan udføres med flere typer navngivningsopgaver42,57 eller andre kognitive opgaver (beregninger, beslutningstagning osv.) 58. Videooptagelsen kan afsløre afgørende træk ved opgaveudførelsen (f.eks. grimasser af motivet, der indikerer, at der ikke induceres motorisk talestop), der kan gå ubemærket under stimuleringen. Opsætningen giver også mulighed for at spørge motivet om de nrTMS-inducerede oplevelser og fornemmelser ved i fællesskab at se videooptagelsen. Dette kan hjælpe med at skelne smerteinducerede fejl fra de sande virkninger af nrTMS. Endelig kan protokollen let ændres til forskellige faggrupper (f.eks. Tosprogede individer31) og til at tjene behovene hos hvert kirurgisk eller forskningsteam.

Disclosures

P.L. har været konsulent for Nexstim Ltd. inden for kortikal kortlægning af motorer og tale.

Acknowledgments

Pantelis Lioumis er blevet støttet af et HUS VTR-tilskud (TYH2022224), Salla Autti af Päivikki og Sakari Sohlberg Foundation og Hanna Renvall af Paulo Foundation og Academy of Finland (bevilling 321460).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Neurology surface electrodes Ambu A/S Ambu Neuroline Ground
Neurology surface electrodes Ambu A/S Ambu Neuroline 720
Off-line speech error analyzer Nexstim Ltd NexSpeech 2.1.0
Single patient surface electrode Ambu A/S Ambu Neuroline 700
Stimulator Nexstim Ltd NBS 4.3

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pouratian, N., Bookheimer, S. Y. The reliability of neuroanatomy as a predictor of eloquence: A review. Neurosurgical Focus. 28 (2), 3 (2010).
  2. Rutten, G. -J., Ramsey, N. F. The role of functional magnetic resonance imaging in brain surgery. Neurosurgical Focus. 28 (2), 4 (2010).
  3. Raffa, G., et al. Personalized surgery of brain tumors in language areas: the role of preoperative brain mapping in patients not eligible for awake surgery. Neurosurgical Focus. 53 (6), 3 (2022).
  4. Willems, P., Berkelbach vander Sprenkel, J. W., Tulleken, C. A. F., Viergever, M. A., Taphoorn, M. J. B. Neuronavigation and surgery of intracerebral tumours. Journal of Neurology. 253 (9), 1123-1136 (2006).
  5. Hannula, H., Ilmoniemi, R. J. Basic principles of navigated TMS. Navigated Transcranial Magnetic Stimulation in Neurosurgery. Krieg, S. M. , Cham, Switzerland. 3-29 (2017).
  6. Friederici, A. D. White-matter pathways for speech and language processing. Handbook of Clinical Neurology. 129, 177-186 (2015).
  7. Rosenstock, T., et al. Specific DTI seeding and diffusivity-analysis improve the quality and prognostic value of TMS-based deterministic DTI of the pyramidal tract. NeuroImage: Clinical. 16, 276-285 (2017).
  8. Mäkelä, J. P., et al. Magnetoencephalography in neurosurgery. Neurosurgery. 59 (3), 493-511 (2006).
  9. Majchrzak, K., et al. Surgical treatment of insular tumours with tractography, functional magnetic resonance imaging, transcranial electrical stimulation and direct subcortical stimulation support. Neurologia I Neurochirurgia Polska. 45 (4), 351-362 (2011).
  10. Tarapore, P. E., Nagarajan, S. S. nTMS, MEG, and fMRI: Comparing and contrasting three functional mapping techniques. Navigated Transcranial Magnetic Stimulation in Neurosurgery. Krieg, S. M. , Springer. Cham, Switzerland. 31-49 (2017).
  11. Lioumis, P., et al. A novel approach for documenting naming errors induced by navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 204 (2), 349-354 (2012).
  12. Krieg, S. M., et al. Protocol for motor and language mapping by navigated TMS in patients and healthy volunteers; Workshop report. Acta Neurochirurgica. 159 (7), 1187-1195 (2017).
  13. Mäkelä, J. P., Laakso, A. nTMS language mapping: Basic principles and clinical use. In Navigated Transcranial Magnetic Stimulation in Neurosurgery. Krieg, S. M. , 131-150 (2017).
  14. Durner, G., et al. Comparison of hemispheric dominance and correlation of evoked speech responses between functional magnetic resonance imaging and navigated transcranial magnetic stimulation in language mapping. Journal of Neurosurgical Sciences. 63 (2), 106-113 (2019).
  15. Krieg, S. M., et al. Changing the clinical course of glioma patients by preoperative motor mapping with navigated transcranial magnetic brain stimulation. BMC Cancer. 15 (1), 231 (2015).
  16. Jeltema, H. -R., et al. Comparing navigated transcranial magnetic stimulation mapping and "gold standard" direct cortical stimulation mapping in neurosurgery: A systematic review. Neurosurgical Review. 44 (4), 1903-1920 (2021).
  17. Picht, T. Current and potential utility of transcranial magnetic stimulation in the diagnostics before brain tumor surgery. CNS Oncology. 3 (4), 299-310 (2014).
  18. Terao, Y., et al. Primary face motor area as the motor representation of articulation. Journal of Neurology. 254 (4), 442-447 (2007).
  19. Lu, J., et al. Functional maps of direct electrical stimulation-induced speech arrest and anomia: A multicentre retrospective study. Brain: A Journal of Neurology. 144 (8), 2541-2553 (2021).
  20. Hartwigsen, G., Silvanto, J. Noninvasive brain stimulation: Multiple effects on cognition. The Neuroscientist. , (2022).
  21. Reijonen, J., Könönen, M., Tuunanen, P., Määttä, S., Julkunen, P. Atlas-informed computational processing pipeline for individual targeting of brain areas for therapeutic navigated transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 132 (7), 1612-1621 (2021).
  22. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain: A Journal of Neurology. 120, 141-157 (1997).
  23. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  24. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  25. Brodeur, M. B., Dionne-Dostie, E., Montreuil, T., Lepage, M. The Bank of Standardized Stimuli (BOSS), a new set of 480 normative photos of objects to be used as visual stimuli in cognitive research. PLoS One. 5 (5), e10773 (2010).
  26. Vitikainen, A. -M., Mäkelä, E., Lioumis, P., Jousmäki, V., Mäkelä, J. P. Accelerometer-based automatic voice onset detection in speech mapping with navigated repetitive transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 253, 70-77 (2015).
  27. Corina, D. P., et al. Analysis of naming errors during cortical stimulation mapping: Implications for models of language representation. Brain and Language. 115 (2), 101-112 (2010).
  28. Liljeström, M., Kujala, J., Stevenson, C., Salmelin, R. Dynamic reconfiguration of the language network preceding onset of speech in picture naming. Human Brain Mapping. 36 (3), 1202-1216 (2014).
  29. Lehtinen, H., et al. Language mapping with navigated transcranial magnetic stimulation in pediatric and adult patients undergoing epilepsy surgery: Comparison with extraoperative direct cortical stimulation. Epilepsia Open. 3 (2), 224-235 (2018).
  30. Picht, T., et al. A comparison of language mapping by preoperative navigated transcranial magnetic stimulation and direct cortical stimulation during awake surgery. Neurosurgery. 72 (5), 808-819 (2013).
  31. Hämäläinen, S., et al. TMS uncovers details about sub-regional language-specific processing networks in early bilinguals. NeuroImage. 171, 209-221 (2018).
  32. Weiss Lucas, C., et al. Cortical inhibition of face and jaw muscle activity and discomfort induced by repetitive and paired-pulse TMS during an overt object naming task. Brain Topography. 32 (3), 418-434 (2019).
  33. Kato, R., Solt, K. Prehabilitation with brain stimulation. Anesthesia and Analgesia. 132 (5), 1344-1346 (2021).
  34. Rivera-Rivera, P. A., et al. Cortical plasticity catalyzed by prehabilitation enables extensive resection of brain tumors in eloquent areas. Journal of Neurosurgery. 126 (4), 1323-1333 (2017).
  35. Antal, A., et al. Non-invasive brain stimulation and neuroenhancement. Clinical Neurophysiology Practice. 7, 146-165 (2022).
  36. Dick, A. S., Garic, D., Graziano, P., Tremblay, P. The frontal aslant tract (FAT) and its role in speech, language and executive function. Cortex. 111, 148-163 (2019).
  37. Brodeur, M. B., Guérard, K., Bouras, M. Bank of Standardized Stimuli (BOSS) Phase II: 930 new normative photos. PLoS One. 9 (9), e106953 (2014).
  38. Weiss Lucas, C., et al. The Cologne Picture Naming Test for language mapping and monitoring (CoNaT): An open set of 100 black and white object drawings. Frontiers in Neurology. 12, 633068 (2021).
  39. Narayana, S., et al. Clinical utility of transcranial magnetic stimulation (TMS) in the presurgical evaluation of motor, speech, and language functions in young children with refractory epilepsy or brain tumor: Preliminary evidence. Frontiers in Neurology. 12, 650830 (2021).
  40. Brodeur, M. B., et al. The bank of standardized stimuli (BOSS): Comparison between French and English norms. Behavior Research Methods. 44 (4), 961-970 (2012).
  41. Decuyper, C., Brysbaert, M., Brodeur, M. B., Meyer, A. S. Bank of Standardized Stimuli (BOSS): Dutch names for 1400 photographs. Journal of Cognition. 4 (1), 33 (2021).
  42. Hernandez-Pavon, J. C., Mäkelä, N., Lehtinen, H., Lioumis, P., Mäkelä, J. P. Effects of navigated TMS on object and action naming. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 660 (2014).
  43. Hauck, T., et al. Task type affects location of language-positive cortical regions by repetitive navigated transcranial magnetic stimulation mapping. PLoS One. 10 (4), e0125298 (2015).
  44. Epstein, C. M., et al. Optimum stimulus parameters for lateralized suppression of speech with magnetic brain stimulation. Neurology. 47 (6), 1590-1593 (1996).
  45. Nettekoven, C., et al. Improving the efficacy and reliability of rTMS language mapping by increasing the stimulation frequency. Human Brain Mapping. 42 (16), 5309-5321 (2021).
  46. Sollmann, N., Fuss-Ruppenthal, S., Zimmer, C., Meyer, B., Krieg, S. M. Investigating stimulation protocols for language mapping by repetitive navigated transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 12, 197 (2018).
  47. Liljeström, M., Hultén, A., Parkkonen, L., Salmelin, R. Comparing MEG and fMRI views to naming actions and objects. Human Brain Mapping. 30 (6), 1845-1856 (2009).
  48. Salmelin, R., Hari, R., Lounasmaa, O. V., Sams, M. Dynamics of brain activation during picture naming. Nature. 368 (6470), 463-465 (1994).
  49. Krieg, S. M., et al. Optimal timing of pulse onset for language mapping with navigated repetitive transcranial magnetic stimulation. NeuroImage. 100, 219-236 (2014).
  50. Wheat, K. L., et al. Charting the functional relevance of Broca's area for visual word recognition and picture naming in Dutch using fMRI-guided TMS. Brain and Language. 125 (2), 223-230 (2013).
  51. Sanai, N., Mirzadeh, Z., Berger, M. S. Functional outcome after language mapping for glioma resection. The New England Journal of Medicine. 358 (1), 18-27 (2008).
  52. De Geeter, N., Lioumis, P., Laakso, A., Crevecoeur, G., Dupré, L. How to include the variability of TMS responses in simulations: A speech mapping case study. Physics in Medicine and Biology. 61 (21), 7571-7585 (2016).
  53. Hazem, S. R., et al. Middle frontal gyrus and area 55b: Perioperative mapping and language outcomes. Frontiers in Neurology. 12, 646075 (2021).
  54. Zhang, H., et al. Elucidating the structural-functional connectome of language in glioma-induced aphasia using nTMS and DTI. Human Brain Mapping. 43 (6), 1836-1849 (2021).
  55. Islam, M., et al. MEG and navigated TMS jointly enable spatially accurate application of TMS therapy at the epileptic focus in pharmacoresistant epilepsy. Brain Stimulation. 12 (5), 1312-1314 (2019).
  56. Koponen, L. M., Nieminen, J. O., Ilmoniemi, R. J. Multi-locus transcranial magnetic stimulation-theory and implementation. Brain Stimulation. 11 (4), 849-855 (2018).
  57. Ntemou, E., et al. Mapping verb retrieval with nTMS: The role of transitivity. Frontiers in Human Neuroscience. 15, 719461 (2021).
  58. Haddad, A. F., Young, J. S., Berger, M. S., Tarapore, P. E. Preoperative applications of navigated transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neurology. 11, 628903 (2020).

Tags

Denne måned i JoVE nummer 193
Undersøgelsesdesign til navigeret gentagen transkraniel magnetisk stimulering til talekortikal kortlægning
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lioumis, P., Autti, S., Wilenius,… More

Lioumis, P., Autti, S., Wilenius, J., Vaalto, S., Lehtinen, H., Laakso, A., Kirveskari, E., Mäkelä, J. P., Liljeström, M., Renvall, H. Study Design for Navigated Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation for Speech Cortical Mapping. J. Vis. Exp. (193), e64492, doi:10.3791/64492 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter