ナビゲートされた反復経頭蓋磁気刺激は、音声関連の皮質領域をマッピングするための非常に効率的な非侵襲的ツールです。脳外科手術の設計に役立ち、手術中に行われる直接皮質刺激をスピードアップします。本報告では,術前の評価・研究のために音声皮質マッピングを確実に行う方法について述べる.
人間の発話に関与する皮質領域は、脳腫瘍または薬剤耐性てんかんの手術前に確実に特徴付けられるべきである。外科的意思決定のための言語領域の機能マッピングは、通常、各患者内の重要な皮質および皮質下構造の組織を特定するために使用される電気直接皮質刺激(DCS)によって侵襲的に行われます。正確な術前の非侵襲的マッピングは、手術計画を支援し、手術室での時間、コスト、リスクを削減し、覚醒開頭術に適さない患者に代替手段を提供します。MRI、fMRI、MEG、PETなどの非侵襲的イメージング法は、現在、手術前の設計と計画に適用されています。解剖学的および機能的イメージングは、発話に関与する脳領域を特定することができますが、これらの領域が発話に重要であるかどうかを判断することはできません。経頭蓋磁気刺激(TMS)は、脳内の電界誘導によって皮質ニューロン集団を非侵襲的に興奮させる。反復モード(rTMS)で発話関連皮質部位を刺激すると、術中DCSによって誘発されるものと類似した発話関連エラーを引き起こす可能性があります。rTMSとニューロナビゲーション(nrTMS)を組み合わせることで、脳神経外科医は術前にこれらのエラーが発生する場所を評価し、言語機能を維持するためのDCSと手術を計画することができます。nrTMSを使用した非侵襲的音声皮質マッピング(SCM)の詳細なプロトコルがここに提供されています。提案されたプロトコルは、患者および部位固有の要求に最も合うように変更することができます。また、健康な被験者や手術に適さない疾患の患者における言語皮質ネットワーク研究にも適用できます。
脳疾患(てんかんや腫瘍など)による脳神経外科手術では、重要な機能を支える脳領域を保存するために切除範囲を最適化する必要があります。言語関連の領域など、患者の完全性と生活の質に不可欠な領域は、脳組織を切除する前に特徴付ける必要があります。通常、解剖学的ランドマーク1だけでは個別に識別できません。外科的意思決定のための言語領域の機能マッピングは、通常、電気直接皮質刺激(DCS)によって侵襲的に行われ、これにより脳神経外科医は各患者内の重要な皮質および皮質下構造の組織を理解することができます2。覚醒手術中のDCSは、音声機能の皮質マッピングのゴールドスタンダードと見なされていますが、その侵襲性、方法論的課題、および患者と手術チームの両方に誘発する高いストレスによって制限されています。このプロトコルは、ナビゲートされた経頭蓋磁気刺激(ナビゲートされたTMSまたはnTMS)を使用した非侵襲的な音声皮質マッピング(SCM)について説明します。正確な非侵襲的マッピングは、手術計画を支援し、手術室(OR)の時間、コスト、リスクを軽減します。また、覚醒開頭術3に適していない患者にも代替手段を提供します。
非侵襲的イメージング法は、すでに術前計画に大きな利益をもたらしています。解剖学的磁気共鳴画像法(MRI)は、腫瘍や脳病変の位置を特定するために重要です。ニューロナビゲーション4およびナビゲートされたTMSマッピング5において、操作者を関心のある皮質部位に導く。拡散ベースのMRI(dMRI)トラクトグラフィは、皮質領域を接続する白質線維路に関する詳細情報を提供します5,6。過去10年間で、機能的イメージング技術、特に機能的MRI(fMRI)と脳磁図(MEG)が、術前の運動および音声皮質マッピング(SCM)にますます使用されるようになりました2,8,9。それぞれの方法は、術前のマッピング手順に利点をもたらし、例えば、従来の言語領域(ブローカおよびウェルニッケの領域)以外の機能的に関連する領域に関する情報を提供することができます。fMRIは、その高可用性のために最も一般的に使用されている方法1です。音声関連領域の局在化においてDCSと比較されており、結果はさまざまです2,10。しかし、機能イメージングは関与する脳領域を特定することはできますが、これらの領域が機能を維持するために重要であるかどうかを判断することはできません。
ナビゲート反復TMS(nrTMS)は、現在、術前の非侵襲的SCM11,12の前述の方法の代替として使用されています。nrTMS SCMは、下前頭回(IFG)、上側頭回(STG)、および上辺縁回(SMG)内の音声関連皮質領域を特定するのに特に効率的です11,13。この方法の利点は、刺激によって誘発されるエラーのオフライン分析により、分析者が刺激部位を認識しないようにすることができることである。したがって、皮質部位と音声ネットワークとの関連性の演繹的情報なしにエラーを判断することが可能である。これは、分析者が実際の検査中よりも確実に、意味的および音韻的パラファシアなどのエラーの微妙な違いを区別することを可能にするビデオ録画によって可能になります11,12。nrTMS SCMアプローチは現在、MEGまたはfMRI音声マッピング単独の性能を上回っており10、14、nrTMS手順を微調整するために追加の機能的または解剖学的情報が使用され得る。nrTMSによる術前マッピングは、手術時間を短縮し、開頭術の必要なサイズと雄弁皮質15の損傷を減らすことが実証されています。入院時間を短縮し、腫瘍組織のより広範な除去を可能にし、それによって患者の生存率を高めます15。nrTMSは術中のDCSマッピングに対して検証されています。具体的には、SCMにおけるnrTMSの感度は高いが、その特異性は低いままであり、DCSと比較して過度の偽陽性がある13,16。
現在、nrTMSを用いた術前非侵襲的SCMは、手術のための患者の選択を支援し、手術の設計を支援し、手術中に実施されるDCSをスピードアップすることができる17。ここでは、信頼性の高い音声固有の結果を得るためにnrTMS SCMを実行する方法について詳しく説明します。実践的な経験を積んだ後、提案されたプロトコルは、患者および部位固有の要求に最も合うように調整することができます。プロトコルは、音声生成(音声停止)18,19または視覚および認知機能20などの特定のターゲットにさらに拡張することができる。
ここでは、nrTMS SCMのプロトコルが提示されており、これにより、音声および言語ネットワークの最も重要なハブの実質的に完全な皮質非侵襲的マッピングが可能になります。その主な利点は、覚醒開頭術30または術外29の間にDCSマッピングを非侵襲的にシミュレートできることです(図2を参照)。さらに、健康な集団31および手術に適さない疾患を有する患者32における言語皮質ネットワーク研究に適用することができる。SCMのためのnrTMSは、標的選択(例えば、脳卒中後)などの神経リハビリテーション戦略の開発にも適用され得る。手術前のDCSによる音声関連皮質表現における可塑性の誘導は、切除34の範囲を増加させるために研究されている33。このような研究におけるnrTMS SCMの可能性を検討する必要があります。
本結果では、古典的な音声関連領域とSMA以前の領域を含む比較的広い領域が、3つの異なるPTIで繰り返し刺激されました。各PTIは、エラーに対して異なる感度と特異性を示しましたが、非侵襲的な脳刺激におけるよく知られた応答変動性も示しました35。ほとんどのエラーは、IFG、STG、プレSMA、および前頭斜めの路36に沿った刺激によって誘発されました。これは、nrTMS SCMの力を浮き彫りにします。具体的には、DCSと比較して、刺激はいくつかの領域に非常に柔軟にターゲットを絞ることができます。PTIを変更して多くのセッションを記録しても、学習効果に関連する反応時間26,29が明らかにスピードアップしないことが観察されました。
このプロトコルは、nrTMS SCMの精度に影響を与える可能性のあるさまざまなパラメータを強調しています。結果は、TMS オペレーターの選択の影響を受ける可能性があります。本論文は、十分にテストされた刺激パラメータを備えた標準的なガイドラインを提供することを目的としています。高い特異性は、ISI、PTI、コイル位置、rTMS周波数など、いくつかの異なるパラメータを適切に選択することで得られます。これらのパラメータは、誘発されたエラーの特異性に影響を与え、それは根底にある皮質領域の機能を反映しています。パラメータの選択は、言語の神経生物学に関する現在の知識に基づいている必要があります。
ネーミングタスクの画像は、それ自体で誤った命名を誘発しないように選択する必要があります(補足図1)。ここでは、画像は標準化された画像バンクから選択され、様々な命名パラメータ25、37に対して制御された。たとえば、画像のプールは、日常の使用で同様の複雑さと頻度を持つアイテムに制限され、名前の合意も高かった。画像の選択は、各手術センター38、調査対象集団39、被験体の母国語40、41および使用タスク42のニーズに基づいて変化し得る。プロトコルに示されているように、ベースライン画像の選択は、その場での命名が主観的であるため、最終的に被写体ごとに個別化されます。
刺激頻度は、ナビゲートされた経頭蓋磁気脳刺激43の間のエラーの分布を決定し得るので、個々に定義される必要がある。提示された選択肢である4〜8Hzは、EpsteinらによるrTMSの研究に基づいている44。初期刺激周波数は5Hzに設定されています。エラーが検出されない場合、刺激周波数は7Hzに増加します。 より高い周波数は、nrTMS誘発性の痛みを軽減し、命名エラーの特異性を高める可能性があります45。より高い周波数には、パルスを短くより具体的な時間間隔に制限するという利点もあります。しかしながら、それらは、例えば、本プロトコルの主要な標的ではない音声運動実行44、46に関連する機能に影響を及ぼし得る。
PTIを150〜400ミリ秒の間で変化させることをお勧めします。これは、オブジェクト命名タスク28,47中の単語検索の重要な時間枠である。このプロトコルは、画像提示後の最初の150ミリ秒間に発生し、オブジェクトの命名に影響を与える可能性があるが、音声生成とは無関係の基本的な視覚処理の干渉を回避することにより、音声特異性を目指しています。PTIの推奨上限は、同じ被験者28,48における画像命名における典型的な応答待ち時間に基づいており、被験者間の最適値の個人差が予想されます(図1を参照)。PTIの選択は、理想的にはパーソナライズされた測定に基づいている必要がありますが、これは臨床現場ではロジスティック的に厳しい場合があります。ヘルシンキ大学病院のプロトコルは通常、300ミリ秒のPTIで始まります。いくつかの言語研究28、47、50によって示されるように、刺激領域12、13、49に基づいてPTIを変更することも有用であり得る。それにもかかわらず、上記のウィンドウ外のPTIは、術前の評価に役立つ命名エラーを誘発する可能性もあります(比較研究については、0〜300ミリ秒のPTIを使用したKrieg et al.49を参照)。
皮質音声ネットワークは広く普及しており、特に腫瘍およびてんかんの患者では個人によって異なります29,30,39。nrTMSは、覚醒開頭術刺激中に観察されたものと同様に、個人間で大きなばらつきを伴う言語障害を誘発します27,51。fMRI50、DTI52、53、54、およびMEG 55から得られた情報は、nTMSユーザを誘導し、各個人に合わせて調整され、したがって、より具体的かつ正確な手順をもたらすことができる。nrTMS SCMの目的は、特異性を高め、非応答者の数を減らし、DCSを確実に誘導するか、リソースと条件が高度に専門化された専門家のチームがそれを実行できない場合にDCSを置き換えることです。将来的には、多遺伝子座TMS(mTMS)を、刺激コイル56を物理的に動かすことなく皮質の異なる部分を刺激する手順に適用することができる。
本プロトコルは、いくつかのタイプの命名タスク42、57または他の認知タスク(計算、意思決定など)を用いて実行することができる。58.ビデオ録画は、刺激中に観察されない可能性のあるタスクパフォーマンスの重要な特徴(例えば、運動発話停止が誘発されないことを示す被験者によるしかめっ面)を開示することができる。このセットアップでは、ビデオ録画を共同で視聴することにより、nrTMSによって引き起こされる経験や感覚について被験者に尋ねることもできます。これは、疼痛誘発性エラーとnrTMSの真の効果を区別するのに役立ちます。最後に、プロトコルは、異なる対象グループ(例えば、バイリンガル個人31)に容易に変更することができ、各外科チームまたは研究チームのニーズに応えることができる。
The authors have nothing to disclose.
パンテリス・リオウミスはHUS VTR助成金(TYH2022224)、サラ・アウッティはパイヴィッキ・アンド・サカリ・ソールバーグ財団、ハンナ・レンヴァルはパウロ財団とフィンランドアカデミー(助成金321460)の支援を受けています。
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 |