Waiting
Login processing...

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

Medicine

Desenho de Estudo para Estimulação Magnética Transcraniana Repetitiva Navegada para Mapeamento Cortical de Fala

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

A estimulação magnética transcraniana repetitiva navegada é uma ferramenta não invasiva altamente eficiente para o mapeamento de áreas corticais relacionadas à fala. Ele ajuda na concepção da cirurgia cerebral e acelera a estimulação cortical direta realizada durante a cirurgia. Este relato descreve como realizar o mapeamento cortical da fala de forma confiável para avaliação e pesquisa pré-operatória.

Abstract

As áreas corticais envolvidas na fala humana devem ser caracterizadas de forma confiável antes da cirurgia para tumores cerebrais ou epilepsia resistente a medicamentos. O mapeamento funcional das áreas de linguagem para a tomada de decisão cirúrgica geralmente é feito de forma invasiva por estimulação elétrica cortical direta (DCS), que é usada para identificar a organização das estruturas corticais e subcorticais cruciais dentro de cada paciente. O mapeamento não invasivo pré-operatório preciso auxilia no planejamento cirúrgico, reduz o tempo, os custos e os riscos na sala de cirurgia e fornece uma alternativa para pacientes não adequados para craniotomia acordada. Métodos de imagem não invasivos como RM, RMf, MEG e PET são atualmente aplicados no desenho e planejamento pré-cirúrgico. Embora as imagens anatômicas e funcionais possam identificar as regiões cerebrais envolvidas na fala, elas não podem determinar se essas regiões são críticas para a fala. A estimulação magnética transcraniana (EMT) excita de forma não invasiva as populações neuronais corticais por meio da indução de campo elétrico no cérebro. Quando aplicada em seu modo repetitivo (EMTr) para estimular um sítio cortical relacionado à fala, pode produzir erros relacionados à fala análogos aos induzidos pelo CDC intraoperatório. A EMTr combinada com a neuronavegação (EMTn) permite que os neurocirurgiões avaliem no pré-operatório onde esses erros ocorrem e planejem o CDC e a operação para preservar a função da linguagem. Um protocolo detalhado é fornecido aqui para mapeamento cortical de fala (ECM) não invasivo usando nrTMS. O protocolo proposto pode ser modificado para melhor se adequar às demandas específicas do paciente e do local. Também pode ser aplicado a estudos de redes corticais de linguagem em indivíduos saudáveis ou em pacientes com doenças que não são passíveis de cirurgia.

Introduction

Durante a neurocirurgia devido a doença cerebral (por exemplo, epilepsia ou um tumor), a extensão da ressecção deve ser otimizada para preservar as regiões cerebrais que suportam funções críticas. Áreas vitais para a integridade e qualidade de vida do paciente, como as relacionadas à linguagem, devem ser caracterizadas antes da remoção do tecido cerebral. Tipicamente, eles não podem ser identificados individualmente apenas com base em pontos anatômicos1. O mapeamento funcional das áreas de linguagem para a tomada de decisão cirúrgica geralmente é feito de forma invasiva por estimulação elétrica cortical direta (DCS), que permite ao neurocirurgião compreender a organização das estruturas corticais e subcorticais cruciais dentro de cadapaciente2. Embora o CDC durante a cirurgia acordada seja considerado o padrão-ouro do mapeamento cortical para as funções de fala, ele é limitado por sua invasividade, desafios metodológicos e o alto estresse que induz tanto para o paciente quanto para a equipe cirúrgica. Este protocolo descreve o mapeamento cortical de fala (ECM) não invasivo usando estimulação magnética transcraniana navegada (EMT navegada ou EMTn). O mapeamento não invasivo preciso auxilia no planejamento cirúrgico e reduz o tempo, os custos e os riscos na sala de operação (SO). Também oferece uma alternativa para aqueles pacientes que não são adequados para craniotomia com o paciente acordado3.

Os métodos de imagem não invasivos já beneficiaram muito o planejamento pré-cirúrgico. A ressonância magnética anatômica (RM) é crucial para localizar tumores e lesões cerebrais; na neuronavegação4 e no mapeamento da EMT navegada5, orienta o operador para os sítios corticais de interesse. A tractografia por difusão por RM (RMd) fornece informações detalhadas sobre os tratos de fibras da substância branca que conectam as regiões corticais 5,6. Durante a última década, técnicas de imagem funcional, mais notadamente RMf e magnetoencefalografia (MEG) funcionais, têm sido cada vez mais utilizadas para mapeamento motor e fonocortical (ECM) pré-operatório2,8,9. Cada método traz benefícios ao procedimento de mapeamento pré-operatório, podendo, por exemplo, fornecer informações sobre as regiões funcionalmente relacionadas fora das áreas da linguagem convencional (áreas de Broca e Wernicke). A RMf tem sido o método mais comumenteutilizado1 devido à sua alta disponibilidade; foi comparado ao CDC na localização de áreas relacionadas à fala com resultados variáveis 2,10. No entanto, embora a imagem funcional possa identificar as regiões cerebrais envolvidas, ela não pode determinar se essas regiões são críticas para que a função seja preservada.

A EMT repetitiva navegada (EMTn) é atualmente utilizada como alternativa aos métodos já citados para o ECM não invasivo pré-operatório11,12. A EMTnr SCM é especialmente eficiente na identificação de áreas corticais relacionadas à fala dentro do giro frontal inferior (GIF), giro temporal superior (GST) e giro supramarginal (GSM)11,13. Uma vantagem do método é que a análise off-line dos erros evocados pela estimulação permite que o analisador desconheça o local da estimulação. Assim, é possível julgar o erro sem informações a priori da relevância do sítio cortical para a rede de fala. Isso é possibilitado por uma videogravação, que permite ao analisador distinguir diferenças sutis em erros, como parafanasia semântica e fonológica, de forma mais fidedigna do que durante o exame propriamentedito11,12. Atualmente, a abordagem do SCM da nrTMS supera o desempenho do mapeamento de fala MEG ou RMfisoladamente10,14, e informações funcionais ou anatômicas adicionais podem ser usadas para ajustar o procedimento da EMTn. O mapeamento pré-operatório com EMTnr demonstrou encurtar o tempo de operação e reduzir o tamanho necessário da craniotomia e o dano ao córtex eloquente15. Abrevia o tempo de internação e possibilita uma remoção mais extensa do tecido tumoral, aumentando a sobrevida dospacientes15. A EMTn foi validada contra o mapeamento do CDC intraoperatório; especificamente, a sensibilidade da EMTnr no ECM é alta, mas sua especificidade permanece baixa, com excesso de falsos positivos em comparação com oCDC13,16.

Atualmente, o ECM pré-cirúrgico não invasivo com EMTns pode auxiliar na seleção de pacientes para operação, auxiliar no desenho da cirurgia e acelerar o CDC realizado durante a cirurgia17. Aqui, uma descrição detalhada de como a nrTMS SCM pode ser realizada para obter resultados confiáveis específicos de fala é fornecida. Depois de ganhar experiência prática, o protocolo sugerido pode ser adaptado para melhor atender às demandas específicas do paciente e do local. O protocolo pode ser expandido para determinados alvos, como a produção da fala (parada de fala)18,19 ou funções visuais ecognitivas20.

Protocol

Este estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética do Hospital Distrital de Helsinque e Uusimaa. Consentimento informado para participar foi obtido antes do procedimento de cada sujeito.

1. Preparação das imagens estruturais

  1. Registrar uma ressonância magnética estrutural ponderada em T1 de alta resolução de toda a cabeça para cada indivíduo (de preferência com um intervalo de corte de 0 mm e espessura de corte de 1 mm). Adquira as imagens conforme especificado nas instruções do sistema de neuronavegação.
  2. Carregue as imagens MR para o sistema de navegação em seu formato preferido (normalmente DICOM ou NifTI).
  3. Percorra as imagens de RM e verifique se há erros (por exemplo, pontos cardeais borrados, distúrbios de ruído ou deslocamentos incorretos na reconstrução do modelo 3D).
  4. Encontre os pontos cardeais (ou seja, o meio da crista em cada lóbulo da orelha e o násio) nos planos axial, sagital e coronal da RM, marque-os pressionando a função de mira nos planos e escolha o local exato clicando no botão esquerdo do mouse. Em seguida, pressione o botão "adicionar pontos de referência" com o mouse.
  5. Inserir parcelas das áreas de interesse do cérebro (por exemplo, identificadas por outros métodos funcionais [MEG, fMRI, PET] ou com base em bancos de dados ou atlas de RM)21. Escolha a função "sobrepor imagem".

2. Preparação para a neuronavegação

  1. Verifique se o indivíduo não possui itens de metal (por exemplo, brincos) na região da cabeça e pescoço e certifique-se de que não há contraindicações absolutas, como clipes metálicos intracranianos.
  2. Coloque o sujeito na cadeira do paciente. Ajuste a cadeira para que o sujeito esteja sentado confortavelmente, com o pescoço, as mãos e as pernas relaxados. Ajuste a altura da cadeira para que o operador possa estimular confortavelmente todo o hemisfério sob investigação.
  3. Coloque o rastreador de cabeça de forma que ele fique estabilizado durante a sessão de estimulação (com um adesivo ou uma correia) e não bloqueie a bobina de EMT de ser movida livremente sobre a cabeça, especialmente sobre as áreas temporais. O rastreador pode estar ligeiramente situado à direita na testa se o hemisfério esquerdo for estimulado e vice-versa se o hemisfério direito for estimulado para garantir que as áreas do lobo frontal anterior possam ser estimuladas.
  4. Co-registrar a cabeça do sujeito no modelo de cabeça 3D reconstruído por RM. Use uma caneta digitalizadora na cabeça do participante para marcar os pontos cardeais (násio, pontos pré-auriculares) que foram selecionados nas ressonâncias magnéticas. Digitalize pontos adicionais sobre toda a superfície do crânio para reduzir o erro de registro final. Coloque a caneta digitalizadora sobre cada ponto destacado no modelo de cabeça 3D e pressione o pedal esquerdo quando o ponto começar a piscar na tela do navegador.
  5. Validar o registro, mesmo que o erro geral seja aceitável (abaixo de 4 mm). Toque na cabeça do sujeito com a ponta da caneta digitalizadora. Verifique visualmente se a caneta está no lugar análogo na superfície do modelo baseado em ressonância magnética 3D. Se sua posição não corresponder ao ponto da RM, repita os passos 2.1-2.4.
  6. Certifique-se de que tanto o sujeito quanto o operador usem proteção auricular antes de iniciar a estimulação.

3. Definição do ponto quente e limiar motor para estimulação de M1

  1. Para determinar o limiar motor de repouso (rMT), escolha um músculo distal da mão (por exemplo, abdutor curto do polegar [APB]) da mão direita.
    NOTA. O limiar motor é utilizado para definir a intensidade inicial da estimulação, que pode ser posteriormente alterada conforme explicado a seguir. Assim, qualquer músculo distal da mão pode ser utilizado para esse fim.
  2. Coloque um eletrodo de gel de uso único (diâmetro: ~30 mm) sobre o APB direito (a barriga do músculo) e outro no meio do polegar (tendão). Coloque o eletrodo terra perto do pulso (ou siga as diretrizes do fabricante).
  3. Conecte os eletrodos ao amplificador de eletromiografia (EMG) e verifique se o APB está em repouso observando o sinal EMG contínuo. Mude a posição da mão se o músculo registrado não puder ser facilmente relaxado.
  4. Encontre o ponto quente cortical para determinar o limiar motor APB. A partir da área22 do botão de mão do motor, libere alguns pulsos de EMT e continue movendo e girando a bobina até que os potenciais evocados motores APB (PEMs) apareçam.
    NOTA: Geralmente, as representações motoras do polegar estão localizadas perpendicularmente à parede lateral do botão de mão.
    1. Escolha uma intensidade de EMT que evoque os deputados ao Parlamento Europeu de cerca de 200-500 μV. Otimize a localização e a orientação da bobina alterando ligeiramente seu ângulo para evocar o máximo de PEMs.
  5. Salve a localização ideal da bobina no software de neuronavegação clicando com o botão direito do mouse sobre o número de pulso correspondente ao local do ponto de acesso e escolhendo a opção de repetir o estímulo. Repita os estímulos e aplique um algoritmo automático de caça ao limiar23 clicando com o botão direito do mouse no ponto quente e escolhendo a opção de limiar motor do software de neuronavegação.
  6. Se essas opções não estiverem disponíveis, aplicar a regra de que um pulso de EMT precisa evocar 10 MEPs (≥50 μV) de 20 tentativas24.

4. Nomeação da linha de base das imagens

  1. Familiarizar o sujeito com as imagens antes da tarefa de nomeação de objetos da linha de base11,12. Imprima as imagens (ou mostre-as em formato digital) e deixe o sujeito praticar antes do início da sessão (o sujeito também pode praticar em casa).
    1. Utilizar imagens coloridas normalizadas devidamente padronizadas (por exemplo, do Banco de Estímulos Padronizados25; Figura Suplementar 1).
    2. Use apenas imagens que são vistas com frequência em um ambiente cotidiano, têm um número mínimo de sinônimos e têm alta concordância de nome.
  2. Se disponível, fixar um acelerômetro na pele acima da laringe e nas cordas vocais para registrar o início da fala, como explicado em Vitikainen et al.26.
  3. Mostre as imagens ao sujeito uma a uma e peça-lhe que nomeie as imagens em voz alta sem estímulo.
    1. Apresente as imagens ao sujeito em uma tela colocada a uma distância de 0,5-1 m.
    2. Use um tempo de exibição de 700-1.000 ms por imagem.
  4. Ajuste o intervalo entre imagens (IPI) para tornar a tarefa ligeiramente desafiadora para cada assunto (por exemplo, comece com 2.500 ms e varie entre 1.500-4.000 ms).
    1. Se ocorrerem muitos erros durante a tarefa de nomeação da linha de base, aumente o IPI em etapas de 200-300 ms. Se a tarefa for muito fácil, diminua o IPI em etapas de 200-300 ms.
  5. Para a sessão de mapeamento de fala propriamente dita com a EMTn, omitir as imagens que durante o teste basal não foram treinadas adequadamente, não nomearam corretamente, não nomearam claramente, não articularam corretamente, nomearam com atraso ou hesitação ou pareceram difíceis para o sujeito.
  6. Execute a tarefa de nomeação da linha de base três vezes e repita as etapas 4.3-4.5 se o desempenho não for satisfatório.

5. Mapeamento cortical da fala

  1. Variar a intensidade da estimulação aumentando/diminuindo-a em passos de 1% da saída do estimulador para que cada área alvo receba o mesmo campo elétrico induzido (campo E), conforme definido para a rMT dos músculos da mão no hotspot motor cortical da mão. Geralmente, intensidades mais altas precisam ser aplicadas para alvos parietais do que frontotemporais para alcançar campos E corticais semelhantes aos hotspots rMT.
    1. Diminua a intensidade ao estimular estruturas corticais localizadas mais próximas da superfície da cabeça (campo E acima do campo E rMT pré-definido).
  2. Verifique antes de iniciar a estimulação se os valores do campo E induzido são aproximadamente semelhantes (com uma diferença de 2-3 V/m) nas diferentes áreas relacionadas à fala em ambos os hemisférios.
    1. Ajuste a profundidade cortical (profundidade de descamação), se necessário.
    2. Certifique-se de que o centro da bobina não esteja no ar.
  3. Comece com um intervalo picture-to-TMS (PTI) padrão de 300 ms, ou use um PTI de 0-400 ms; um PTI acima de 150 ms é preferido para otimizar a sobreposição da estimulação com o processamento da linguagem.
  4. Comece com cinco pulsos a uma taxa de estimulação de 5 Hz. Parta de uma área cortical não relacionada ao processamento da fala para que o sujeito se acostume com a sensação induzida pela estimulação. Em seguida, mova a bobina para as áreas esperadas relacionadas à fala.
  5. Mantenha a bobina na mesma posição até que o trem de pulso termine e a nomeação do sujeito seja concluída.
  6. Concentre-se no desempenho do sujeito conforme descrito abaixo.
    1. Se nenhum erro for observado, passe para o próximo locus.
    2. Se um erro, ou mesmo uma hesitação, for observado, continue estimulando esse local para mais dois a três trens nrTMS e, em seguida, siga em frente. Tenha o local em mente para uma possível reestimulação posterior.
    3. Faça pequenos ajustes na bobina quando até mesmo um pequeno erro for detectado (por exemplo, pequena hesitação ou uma voz mais alta durante a nomeação devido a um esforço maior) para provocar erros mais claros.
    4. Evite repetir a estimulação no mesmo local por mais de cinco trens consecutivos. Continue com outros locais corticais e revisite o site mais tarde.
    5. Se erros repetidos aparecerem em vários locais estimulados, levante a bobina no ar acima do couro cabeludo e verifique se os erros ainda ocorrem.
    6. Se ainda ocorrerem erros, faça uma pausa e aguarde até que a nomeação volte ao normal.
      NOTA. Erros repetidos de nomeação não relacionados à estimulação podem ser comuns se áreas relacionadas à fala forem afetadas por um tumor ou outra lesão.
    7. Estimular em blocos de 7-10 min (máximo) continuamente, e ter 2-5 min intervalos entre eles.
      OBS: Erros se tornam mais comuns com estímulos longos e se o sujeito estiver cansado.
  7. Estimule todas as áreas anatômicas possivelmente relacionadas (por exemplo, IFG, STG, SMG, giros temporais médios, pré-centrais, pós-centrais e angulares e o córtex pré-frontal) para obter o maior número possível de respostas de controle.
  8. Se viável e/ou clinicamente apoiado, estimular ambos os hemisférios. Estimular cuidadosamente dentro e ao redor da região tumoral ou a localização estimada da lesão, mesmo que essas regiões não pertençam às áreas clássicas relacionadas à fala (para pacientes com tumor e epilepsia).
    1. Investigar áreas corticais que estão localizadas fora do local da lesão para identificar possíveis mudanças espaciais nas áreas de linguagem devido a alterações plásticas ou ao efeito de massa, especialmente em pacientes com lesões grandes.
  9. Reduzir a intensidade da EMT em passos de 2%-5% da saída máxima do estimulador se o mapeamento induzir dor ou desconforto.
  10. Interromper a medição se a dor ou desconforto induzido não forem tolerados pelo indivíduo.

6. Estratégia quando não ocorrem erros de nomeação

  1. Termine a estimulação e altere os parâmetros de estimulação.
  2. Diminua o IPI em etapas de 200 ms do valor padrão (por exemplo, de 2.500 ms para 2.300 ms).
  3. Alterar a frequência de entrega do pulso de 5 Hz para 7 Hz. Alterar o intervalo entre o início da imagem apresentada e a EMTr (atualmente, não há consenso sobre aumentar ou diminuir). Aumentar a intensidade da estimulação (sem provocar desconforto).

7. Análise off-line dos erros de nomeação evocada

  1. Colabore com um especialista (por exemplo, um neuropsicólogo), que deve estar presente na sala de cirurgia.
  2. Verifique os erros de nomeação evocados observando o posicionamento da bobina e possíveis interferências dolorosas das gravações de vídeo.
  3. Classificar os erros de acordo com Corina et al.27 (e.g., anomia, parafanásia semântica e fonológica, erros de desempenho).
    1. Se um determinado tipo de erro se repetir no vídeo de linha de base, não o considere como um erro ao analisar os vídeos da sessão de estimulação.
  4. Se um objeto tiver o nome do trem rTMS, considere isso como um atraso ou um não erro; Verifique também possíveis desconfortos do sujeito durante a entrega do pulso.
  5. Se o sujeito não puder nomear um determinado objeto embora a língua, os lábios e as mandíbulas estejam se movendo, registre um erro de não resposta.
  6. Se uma imagem for nomeada de forma diferente em cada sessão, descarte-a.
  7. Em caso de dúvida, controlar o desempenho do local de estimulação vizinho ou o efeito da estimulação do outro hemisfério com a mesma imagem.

Representative Results

Foi utilizado um sistema de estimulação magnética transcraniana navegada com telas e câmeras integradas. A Figura 1A-C destaca os diferentes erros de nomeação evocados pela EMT em um sujeito durante a tarefa em diferentes ITPs (180 ms, 200 ms e 215 ms). O efeito da sincronismo dos pulsos da EMT sobre o número de erros evocados é evidente. Em outras palavras, alterações no desempenho relacionadas à EMT foram detectadas em diferentes áreas em diferentes ITPs. O número de erros variou dependendo da sincronia dos pulsos da EMT mesmo nos mesmos sítios corticais, concordando com estudos de MEG que demonstram a variação no tempo de ativação em diferentes áreas corticais relacionadas à fala28. A comparação dos resultados entre o mapeamento extraoperatório do CDC e a EMTnr com RNPT fixo a 300 ms em um paciente com epilepsia intratável é mostrada na Figura 2. Os dados foram obtidos de publicação anterior com foco emepilepsia29.

Figure 1
Figura 1: Resultados de um SCM nrTMS ilustrado sobre um modelo baseado em RM 3D de um voluntário saudável . (A) PTI de 180 ms. (B) PTI de 200 ms. (C) PTI de 215ms. Além das grandes áreas relacionadas à fala, a área motora pré-suplementar (pré-AME) foi estimulada conforme descrito no protocolo (passo 5.7). A maioria dos erros foi evocada nas áreas clássicas da fala (IFG, STG, SMG), mas também ao longo do caminho que liga a pré-AME e a área de Broca (as manchas verdes próximas à linha média em A e B). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Comparação dos resultados entre o mapeamento extraoperatório de DCS e a EMTnr com PTI fixo a 300 ms em paciente com epilepsia intratável . (A) Mapeamento em grade extraoperatória aos 13 anos. As esferas amarelas representam todos os eletrodos no córtex. São mostrados os locais de estimulação dos eletrodos (2-5 mA) que induziram as respostas motoras da mão e da boca (círculos verdes), a parada de nomeação (anomia; círculos vermelhos) e a interrupção da repetição da sentença (círculos rosa). (B) EMTnr SCM do mesmo paciente aos 15 anos de idade. Os locais de anomias induzidas por EMTn (pontos vermelhos), parafasias semânticas e fonológicas (pontos amarelos) e hesitações (pontos brancos) são mostrados. As áreas com indução de erro altamente reprodutível e confiável são circundadas. Os dados dessa imagem foram retirados do estudo de Lehtinen et al.29. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura suplementar 1: Exemplos de imagens apresentadas no experimento nrTMS SCM (em finlandês entre parênteses). (A) Cabide (Henkari). (B) Tesoura (Sakset). c) Morango (Mansikka). Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

Aqui, é apresentado um protocolo para a nrTMS SCM, que permite o mapeamento cortical não invasivo praticamente completo dos polos mais importantes da rede de fala e linguagem. Sua principal vantagem é poder simular de forma não invasiva o mapeamento do CDC durante craniotomias com o paciente acordado30 ou extraoperatoriamente29 (ver Figura 2). Além disso, pode ser aplicado a estudos de redes corticais de linguagem em populações saudáveis31 e em pacientes com doenças que não são passíveis de cirurgia32. A EMTnr para MCS também pode ser aplicada para desenvolver estratégias de neurorreabilitação, como a seleção de alvos (por exemplo, após AVC). A indução de plasticidade nas representações corticais relacionadas à fala por DCS previamente à cirurgia tem sido estudada33 para aumentar a extensão da ressecção34. As possibilidades de MCS nrTMS em tais estudos devem ser examinadas.

No presente estudo, uma área relativamente ampla, incluindo áreas clássicas relacionadas à fala e a pré-AME, foi repetidamente estimulada em três diferentes ITP. Cada RNPT apresentou sensibilidade e especificidade diferentes aos erros, mas também demonstrou a conhecida variabilidade de resposta em estímulos cerebrais não invasivos35. A maioria dos erros foi induzida pela estimulação do GFI, GST, pré-AME e ao longo da via inclinada frontal36. Isso destaca o poder do nrTMS SCM; especificamente, em comparação com o CDC, a estimulação pode ser direcionada de forma bastante flexível para várias áreas. Observamos que a troca do RNPT e o registro de muitas sessões não aceleram claramente os tempos de reação26,29, o que estaria associado a um efeito de aprendizado.

O protocolo destaca diferentes parâmetros que podem afetar a acurácia da nrTMS SCM. Os resultados podem ser sensíveis às escolhas feitas pelo operador de EMT; O presente trabalho tem como objetivo fornecer uma diretriz padrão com parâmetros de estimulação bem testados. A alta especificidade resulta da escolha apropriada de vários parâmetros diferentes, incluindo o ISI, PTI, localização da bobina e frequência da EMTr. Esses parâmetros afetam a especificidade dos erros induzidos, que refletem as funções nas áreas corticais subjacentes; A seleção dos parâmetros precisa ser baseada no conhecimento atual sobre a neurobiologia da linguagem.

As imagens para a tarefa de nomeação devem ser selecionadas para que não induzam nomeações errôneas por si só (Figura 1 Suplementar). Aqui, as imagens foram escolhidas a partir de um banco de imagens padronizado e controlado para vários parâmetros denomeação25,37. Por exemplo, o pool de imagens foi restrito a itens com complexidade e frequência semelhantes no uso diário, bem como alta concordância de nomes. A escolha das imagens pode variar de acordo com as necessidades de cada centro cirúrgico38, da população investigada39, da língua materna do sujeito testado 40,41 e da tarefa utilizada 42. Conforme apresentado no protocolo, a seleção da imagem basal é finalmente individualizada para cada sujeito, uma vez que a nomeação in loco é subjetiva.

A frequência de estimulação precisa ser definida individualmente, pois pode determinar a distribuição dos erros durante a estimulação magnética cerebral transcraniana navegada43. A escolha apresentada, 4-8 Hz, é baseada no trabalho da EMTr de Epstein et al.44. A frequência de estimulação inicial é ajustada para 5 Hz. Se nenhum erro for detectado, a frequência de estimulação é aumentada para 7 Hz. Frequências mais altas podem reduzir a dor induzida pela EMTnr e aumentar a especificidade dos erros de nomeação45. Frequências mais altas também têm a vantagem de limitar os pulsos a um intervalo de tempo curto e mais específico. Podem, no entanto, afetar funções relacionadas, por exemplo, à execução motora dafala44,46, que não são o alvo principal do presente protocolo.

Recomenda-se variar o PTI entre 150-400 ms. Essa é uma janela de tempo importante para a recuperação de palavras durante a tarefa de nomeação de objetos28,47. O protocolo visa à especificidade da fala, evitando a interferência do processamento visual básico, que ocorre durante os primeiros 150 ms após a apresentação da imagem e pode afetar a nomeação dos objetos, mas não está relacionado à produção da fala. O limite superior recomendado para o RNPT baseia-se nas latências típicas de resposta na nomeação de figuras em um mesmo indivíduo28,48, e pode-se esperar uma variação individual nos valores ótimos entre os sujeitos (ver Figura 1). A seleção do PTI deve idealmente ser baseada em medidas personalizadas, embora isso possa ser logisticamente exigente em um ambiente clínico. Os protocolos do Hospital Universitário de Helsinque geralmente começam com um PTI de 300 ms. Também pode ser útil alterar o RNPT com base na área estimulada12,13,49, como indicado por vários estudos de linguagem28,47,50. No entanto, ITPs fora da janela supracitada também podem induzir erros de nomeação que são úteis para avaliação pré-cirúrgica (para um estudo comparativo, ver Krieg et al.49 usando ITPs de 0-300 ms).

A rede cortical de fala é ampla e varia entre os indivíduos, principalmente em pacientes com tumores e epilepsia29,30,39. A EMTnr induz distúrbio de linguagem com grande variabilidade entre os indivíduos, análogo aos observados durante estímulos de craniotomias acordadas27,51. As informações obtidas por RMf50, DTI 52,53,54 e MEG 55 podem direcionar o usuário da EMTn e resultar em um procedimento adaptado para cada indivíduo, sendo, portanto, mais específico e preciso. O objetivo do SCM nrTMS é aumentar a especificidade, reduzir o número de não respondedores, orientar o DSC de forma confiável ou substituí-lo quando os recursos e as condições não permitirem que uma equipe de especialistas altamente especializados o execute. No futuro, a EMT multilocus (EMTm) poderá ser aplicada no procedimento para estimular diferentes partes do córtex sem movimentar fisicamente a bobina de estimulação56.

O presente protocolo pode ser realizado com vários tipos de tarefas denomeação42,57 ou outras tarefas cognitivas (cálculos, tomada de decisão, etc.) 58. A gravação em vídeo pode revelar características cruciais do desempenho da tarefa (por exemplo, caretas do sujeito indicando que nenhuma parada motora de fala é induzida) que podem passar despercebidas durante a estimulação. A configuração também permite perguntar ao sujeito sobre as experiências e sensações induzidas pela nrTMS, visualizando conjuntamente a gravação de vídeo. Isso pode ajudar a distinguir os erros induzidos pela dor dos verdadeiros efeitos da EMTn. Finalmente, o protocolo pode ser facilmente modificado para diferentes grupos de sujeitos (por exemplo, indivíduos bilíngues31) e para atender às necessidades de cada equipe cirúrgica ou de pesquisa.

Disclosures

P.L. foi consultor da Nexstim Ltd. para mapeamento cortical motor e de fala.

Acknowledgments

Pantelis Lioumis foi apoiado por uma bolsa VTR HUS (TYH2022224), Salla Autti pela Fundação Päivikki e Sakari Sohlberg e Hanna Renvall pela Fundação Paulo e Academia da Finlândia (bolsa 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

Este mês no JoVE edição 193
Desenho de Estudo para Estimulação Magnética Transcraniana Repetitiva Navegada para Mapeamento Cortical de Fala
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