Konuşma Kortikal Haritalama için Navigasyonlu Tekrarlayan Transkraniyal Manyetik Stimülasyon için Çalışma Tasarımı

Serebral hastalık (örneğin, epilepsi veya tümör) nedeniyle nöroşirürji sırasında, kritik fonksiyonları destekleyen beyin bölgelerini korumak için rezeksiyonun kapsamı optimize edilmelidir. Dille ilgili olanlar gibi hasta bütünlüğü ve yaşam kalitesi için hayati önem taşıyan alanlar, beyin dokusunun çıkarılmasından önce karakterize edilmelidir. Tipik olarak, sadece anatomik işaretlere dayanarak bireysel olarak tanımlanamazlar¹. Cerrahi karar verme için dil alanlarının fonksiyonel haritalaması genellikle beyin cerrahının her hastadaki önemli kortikal ve subkortikal yapıların organizasyonunu anlamasını sağlayan elektriksel doğrudan kortikal stimülasyon (DCS) ile invaziv olarak yapılır². Uyanık cerrahi sırasında DCS, konuşma fonksiyonları için kortikal haritalamanın altın standardı olarak kabul edilmesine rağmen, invazivliği, metodolojik zorlukları ve hem hasta hem de cerrahi ekip için neden olduğu yüksek stres ile sınırlıdır. Bu protokol, navigasyonlu transkraniyal manyetik stimülasyon (navigasyonlu TMS veya nTMS) kullanarak non-invaziv konuşma kortikal haritalamasını (SCM) tanımlar. Doğru non-invaziv haritalama, cerrahi planlamaya yardımcı olur ve ameliyathanedeki (OR) zamanı, maliyetleri ve riskleri azaltır. Ayrıca uyanık kraniyotomi³ için uygun olmayan hastalar için bir alternatif sağlar.

Non-invaziv görüntüleme yöntemleri cerrahi öncesi planlamaya büyük fayda sağlamıştır. Anatomik manyetik rezonans görüntüleme (MRG), tümörlerin ve beyin lezyonlarının yerini belirlemek için çok önemlidir; nöronavigasyon^4'te ve navigasyonlu TMS haritalama^5'te, operatörü ilgilenilen kortikal bölgelere yönlendirir. Difüzyon tabanlı MRG (dMRG) traktografisi, kortikal bölgeleri birbirine bağlayan beyaz cevher lif yolları hakkında ayrıntılı bilgi sağlar ^5,6. Son on yılda, fonksiyonel görüntüleme teknikleri, özellikle fonksiyonel MRG (fMRG) ve manyetoensefalografi (MEG), preoperatif motor ve konuşma kortikal haritalamasında (SCM^{) giderek} daha fazla ^{kullanılmaktadır2,8,9}. Her yöntem, preoperatif haritalama prosedürüne faydalar sağlar ve örneğin, geleneksel dil alanlarının (Broca ve Wernicke alanları) dışındaki işlevsel olarak ilişkili bölgeler hakkında bilgi sağlayabilir. fMRI, yüksek kullanılabilirliği nedeniyle en sık kullanılan yöntem¹ olmuştur; konuşma ile ilişkili alanların lokalizasyonunda değişken sonuçlarla DCS ile karşılaştırılmıştır ^2,10. Bununla birlikte, fonksiyonel görüntüleme ilgili beyin bölgelerini tanımlayabilse de, bu bölgelerin fonksiyonun korunması için kritik olup olmadığını belirleyemez.

Navigated redutitive TMS (nrTMS) günümüzde preoperatif non-invaziv SCM^11,12 için yukarıda belirtilen yöntemlere alternatif olarak kullanılmaktadır. nrTMS SCM, özellikle inferior frontal girus (IFG), superior temporal girus (STG) ve supramarjinal girus (SMG) içindeki konuşma ile ilişkili kortikal alanların tanımlanmasında etkilidir11,13. Yöntemin bir avantajı, stimülasyonun uyandırdığı hataların çevrimdışı analizinin, analizörün stimülasyon bölgesinden habersiz olmasına izin vermesidir. Bu nedenle, kortikal bölgenin konuşma ağıyla ilgisi hakkında a priori bilgi olmadan hatayı yargılamak mümkündür. Bu, analizörün semantik ve fonolojik parafazi gibi hatalardaki ince farklılıkları gerçek inceleme ^11,12'den daha güvenilir bir şekilde ayırt etmesini sağlayan bir video kaydı ile sağlanır. NrTMS SCM yaklaşımı şu anda tek başına MEG veya fMRI konuşma haritalama performansını^10,14 aşmaktadır ve nrTMS prosedürüne ince ayar yapmak için ek fonksiyonel veya anatomik bilgiler kullanılabilir. NRTMS ile preoperatif haritalamanın operasyon sürelerini kısalttığı ve gerekli kraniyotomi boyutunu ve anlamlı korteks¹⁵ hasarını azalttığı gösterilmiştir. Hastanede yatış süresini kısaltır ve tümör dokusunun daha kapsamlı bir şekilde çıkarılmasını sağlar, böylece hasta sağkalım oranlarını arttırır¹⁵. nrTMS, intraoperatif DCS haritalamasına karşı doğrulanmıştır; Spesifik olarak, SCM'de nrTMS'nin duyarlılığı yüksektir, ancak DCS^13,16'ya kıyasla aşırı yanlış pozitiflerle özgüllüğü düşük kalmaktadır.

Şu anda, nrTMS ile cerrahi öncesi non-invaziv SCM, ameliyat için hasta seçiminde yardımcı olabilir, ameliyatın tasarlanmasına yardımcı olabilir ve ameliyat sırasında yapılan DCS'yi hızlandırabilir¹⁷. Burada, güvenilir konuşmaya özgü sonuçlar elde etmek için nrTMS SCM'nin nasıl gerçekleştirilebileceğine dair ayrıntılı bir açıklama verilmiştir. Pratik deneyim kazandıktan sonra, önerilen protokol hastaya ve sahaya özgü taleplere en iyi şekilde uyacak şekilde uyarlanabilir. Protokol, konuşma üretimi (konuşma durdurma)^18,19 veya görsel ve bilişsel işlevler²⁰ gibi belirli hedeflere daha da genişletilebilir.

Bu çalışma Helsinki Hastane Bölgesi ve Uusimaa etik komitesi tarafından onaylanmıştır. Her denekten işlemden önce katılım için bilgilendirilmiş onam alınmıştır.

1. Yapısal görüntülerin hazırlanması

1. Her bir konu için tüm kafanın yüksek çözünürlüklü T1 ağırlıklı yapısal MRG'sini kaydedin (tercihen 0 mm dilim aralığı ve 1 mm dilim kalınlığı ile). Nöronavigasyon sisteminin talimatlarında belirtildiği gibi görüntüleri elde edin.
2. MR görüntülerini navigasyon sistemine tercih ettiği formatta (genellikle DICOM veya NifTI) yükleyin.
3. MR görüntülerini gözden geçirin ve herhangi bir hata olup olmadığını kontrol edin (örneğin, bulanık kardinal noktalar, gürültü bozuklukları veya 3B model rekonstrüksiyonundaki yanlış yerleşimler).
4. Eksenel, sagital ve koronal MRI düzlemlerindeki kardinal noktaları (yani, her kulak memesi ve nasiondaki sırtın ortası) bulun, düzlemlerdeki artı işaretine basarak işaretleyin ve farenin sol düğmesine tıklayarak tam noktayı seçin. Ardından, fareyle "yer işaretleri ekle" düğmesine basın.
5. Beynin ilgilendiği alanların parselasyonlarını ekleyin (örneğin, diğer fonksiyonel yöntemlerle [MEG, fMRI, PET] veya MRI veritabanlarına veya atlaslarına dayanarak belirlenmiş)²¹. "Bindirme görüntüsü" işlevini seçin.

2. Nöronavigasyon için hazırlık

1. Deneğin baş ve boyun bölgesinde herhangi bir metal eşya (örneğin küpe) bulunmadığından emin olun ve kafa içi metal klipsler gibi mutlak kontrendikasyonlar olmadığından emin olun.
2. Konuyu hasta koltuğuna yerleştirin. Sandalyeyi, öznenin boynu, elleri ve bacakları rahatça rahatça oturacak şekilde ayarlayın. Sandalye yüksekliğini, operatörün incelenen tüm yarımküreyi rahatça uyarabilmesi için ayarlayın.
3. Baş izleyiciyi, stimülasyon oturumu sırasında (bir çıkartma veya kayış ile) stabilize edilecek ve TMS bobininin başın üzerinde, özellikle de temporal bölgeler üzerinde serbestçe hareket ettirilmesini engellemeyecek şekilde yerleştirin. Sol yarımküre uyarılırsa izleyici alnında hafifçe sağa yerleştirilebilir ve ön frontal lob bölgelerinin uyarılabilmesini sağlamak için sağ yarımküre uyarılırsa bunun tersi de geçerlidir.
4. Deneğin kafasını MRI ile yeniden yapılandırılmış 3D kafa modeline birlikte kaydedin. MRG'lerde seçilen kardinal noktaları (nasion, pre-auriküler noktalar) işaretlemek için katılımcının kafasında sayısallaştırıcı bir kalem kullanın. Son kayıt hatasını azaltmak için tüm kafatası yüzeyindeki ek noktaları dijitalleştirin. Sayısallaştırıcı kalemi 3B kafa modelinde vurgulanan her noktanın üzerine yerleştirin ve nokta navigasyon ekranında yanıp sönmeye başladığında sol pedala basın.
5. Genel hata kabul edilebilir olsa bile (4 mm'nin altında) kaydı doğrulayın. Nesnenin kafasına sayısallaştırıcı kalemin ucuyla dokunun. Kalemin 3B MRI tabanlı modelin yüzeyinde benzer bir yerde olup olmadığını görsel olarak iki kez kontrol edin. Konumu MRG'deki noktaya karşılık gelmiyorsa, 2.1-2.4 arasındaki adımları tekrarlayın.
6. Stimülasyona başlamadan önce hem öznenin hem de operatörün kulak koruması taktığından emin olun.

3. M1 stimülasyonu için sıcak nokta ve motor eşiğinin tanımlanması

1. İstirahat motor eşiğini (rMT) belirlemek için, sağ elden bir distal el kası (örneğin, abdüktör pollicis brevis [APB]) seçin.
   NOT. Motor eşik, aşağıda açıklandığı gibi daha sonra değiştirilebilen ilk stimülasyon yoğunluğunu tanımlamak için kullanılır. Böylece, herhangi bir distal el kası bu amaçla kullanılabilir.
2. Tek kullanımlık bir jel elektrodu (çap: ~ 30 mm) sağ APB'nin (kasın göbeği) üzerine ve bir diğerini başparmağın ortasına (tendon) yerleştirin. Toprak elektrodunu bileğin yanına yerleştirin (veya üreticinin yönergelerini izleyin).
3. Elektrotları elektromiyografi (EMG) amplifikatörüne bağlayın ve sürekli EMG sinyalini gözlemleyerek APB'nin dinlendiğini doğrulayın. Kaydedilen kas kolayca gevşetilemiyorsa elin pozisyonunu değiştirin.
4. APB motor eşiğini belirlemek için kortikal sıcak noktayı bulun. Motor el düğmesi alanı^22'den başlayarak, birkaç TMS darbesi verin ve APB motor uyarılmış potansiyelleri (MEP'ler) görünene kadar bobini hareket ettirerek ve döndürerek devam edin.
   NOT: Genellikle, başparmağın motor gösterimleri el topuzunun yanal duvarına dik olarak yerleştirilir.
   1. Yaklaşık 200-500 μV'luk MEP'leri çağrıştıran bir TMS yoğunluğu seçin. maksimum MEP'leri uyandırmak için açısını hafifçe değiştirerek bobin konumunu ve yönünü optimize edin.
5. Nöronavigasyon yazılımında optimum bobin konumunu, sıcak nokta bölgesine karşılık gelen nabız numarasına sağ tıklayarak ve uyaranı tekrarlama seçeneğini belirleyerek kaydedin. Uyaranları tekrarlayın ve sıcak noktaya sağ tıklayarak ve nöronavigasyon yazılımından motor eşiği seçeneğini seçerek otomatik bir eşik avı algoritması²³ uygulayın.
6. Bu seçenekler mevcut değilse, bir TMS darbesinin 20 denemeden 10 MEP'yi (≥50 μV) uyandırması gerektiği kuralını uygulayın²⁴.

4. Görüntülerin temel adlandırma

1. Temel, nesne adlandırma görevi^11,12'den önce konuyu görüntülerle tanıyın. Görüntüleri yazdırın (veya dijital formatta gösterin) ve oturum başlamadan önce deneğin pratik yapmasına izin verin (konu evde de pratik yapabilir).
   1. Düzgün standartlaştırılmış normalleştirilmiş renkli görüntüler kullanın (örneğin, Standartlaştırılmış Uyaranlar Bankası^25'ten; Ek Şekil 1).
   2. Yalnızca günlük ortamda sıkça görülen, en az sayıda eş anlamlı sözcüğe sahip ve ad anlaşması yüksek olan görüntüleri kullanın.
2. Varsa, Vitikainen ve ^ark.26'da açıklandığı gibi, konuşma başlangıcını kaydetmek için gırtlak ve ses tellerinin üzerindeki cilde bir ivmeölçer takın.
3. Görüntüleri konuya tek tek gösterin ve görüntüleri uyarmadan yüksek sesle adlandırmalarını isteyin.
   1. Görüntüleri nesneye 0,5-1 m mesafede yerleştirilmiş bir ekranda sunun.
   2. Görüntü başına 700-1.000 ms görüntüleme süresi kullanın.
4. Görevi her konu için biraz zorlayıcı hale getirmek için resimler arası aralığı (IPI) ayarlayın (örneğin, 2.500 ms ile başlayın ve 1.500-4.000 ms arasında değişir).
   1. Temel adlandırma görevi sırasında çok sayıda hata oluşursa, IPI'yi 200-300 ms'lik adımlarla artırın. Görev çok kolaysa, IPI'yi 200-300 ms'lik adımlarla azaltın.
5. nrTMS ile gerçek konuşma eşleme oturumu için, temel test sırasında yeterince eğitilmemiş, doğru adlandırılmamış, net bir şekilde adlandırılmamış, doğru şekilde ifade edilmemiş, gecikme veya tereddütle adlandırılmış veya konu için zor görünen görüntüleri atlayın.
6. Temel adlandırma görevini üç kez çalıştırın ve performans tatmin edici değilse 4.3-4.5 arasındaki adımları yineleyin.

5. Konuşma kortikal haritalama

1. Stimülasyon yoğunluğunu, uyarıcının çıktısının% 1'lik adımlarıyla artırarak / azaltarak değiştirin, böylece her hedef alan, kortikal el motoru sıcak noktasındaki el kaslarının rMT'si için tanımlandığı gibi aynı indüklenmiş elektrik alanını (E-alan) alır. Genellikle, parietal için, rMT sıcak noktası ile benzer kortikal E-alanlarına ulaşmak için frontotemporal hedeflerden daha yüksek yoğunlukların uygulanması gerekir.
   1. Kafa yüzeyine daha yakın bulunan kortikal yapıları uyarırken yoğunluğu azaltın (önceden tanımlanmış rMT E-alanının üzerindeki E-alanı).
2. Stimülasyona başlamadan önce, indüklenen E-alan değerlerinin her iki yarımküredeki konuşmayla ilgili farklı alanlarda yaklaşık olarak benzer (2-3 V / m farkla) olup olmadığını kontrol edin.
   1. Gerekirse kortikal derinliği (soyma derinliği) ayarlayın.
   2. Bobin merkezinin havada olmadığından emin olun.
3. Varsayılan resim-TMS aralığı (PTI) değeri 300 ms'dir veya 0-400 ms'lik PTI kullanın; stimülasyonun dil işleme ile örtüşmesini optimize etmek için 150 ms'nin üzerinde bir PTI tercih edilir.
4. 5 Hz stimülasyon hızında beş darbeyle başlayın. Konuşma işleme ile ilgili olmayan kortikal bir alandan başlayın, böylece konu stimülasyonun neden olduğu duyuma alışır. Ardından, bobini konuşmayla ilgili beklenen alanlara taşıyın.
5. Darbe treni bitene ve konunun isimlendirmesi tamamlanana kadar bobini aynı konumda tutun.
6. Aşağıda açıklandığı gibi konunun performansına odaklanın.
   1. Herhangi bir hata gözlenmezse, bir sonraki lokusa geçin.
   2. Bir hata, hatta bir tereddüt gözlenirse, bu bölgeyi iki ila üç nrTMS treni için uyarmaya devam edin ve ardından devam edin. Daha sonra olası yeniden stimülasyon için siteyi aklınızda bulundurun.
   3. Daha net hataları kışkırtmak için küçük bir hata tespit edildiğinde bile (örneğin, artan çaba nedeniyle adlandırma sırasında küçük bir tereddüt veya daha yüksek bir ses) küçük bobin ayarlamaları yapın.
   4. Beşten fazla ardışık tren için aynı bölgede stimülasyonu tekrarlamaktan kaçının. Diğer kortikal bölgelerle devam edin ve siteyi daha sonra tekrar ziyaret edin.
   5. Uyarılmış birkaç yerde tekrarlanan hatalar ortaya çıkarsa, bobini kafa derisinin üzerindeki havada kaldırın ve hataların hala devam edip etmediğini kontrol edin.
   6. Hatalar oluşmaya devam ederse, bir mola verin ve adlandırma normale dönene kadar bekleyin.
      NOT. Stimülasyonla ilgisi olmayan tekrarlanan adlandırma hataları, konuşma ile ilgili alanlar bir tümör veya başka bir lezyondan etkileniyorsa yaygın olabilir.
   7. Sürekli olarak 7-10 dakikalık (maksimum) bloklar halinde uyarın ve aralarında 2-5 dakikalık molalar verin.
      NOT: Hatalar, uzun uyarımlarla ve konu yorgunsa daha yaygın hale gelir.
7. Mümkün olduğunca çok sayıda kontrol yanıtı elde etmek için olası tüm anatomik alanları (örneğin, IFG, STG, SMG, orta zamansal, presantral, postsantral ve açısal giri ve prefrontal korteks) uyarın.
8. Mümkünse ve / veya klinik olarak destekleniyorsa, her iki yarımküreyi de uyarın. Tümör bölgesinin içinde ve çevresinde veya lezyonun tahmini konumunu, bu bölgeler klasik konuşma ile ilgili alanlara ait olmasa bile (tümör ve epilepsi hastaları için) dikkatlice uyarın.
   1. Özellikle büyük lezyonları olan hastalarda, plastik değişiklikler veya kitle etkisi nedeniyle dil alanlarında olası mekansal kaymaları tanımlamak için lezyon bölgesinden uzakta bulunan kortikal alanları araştırın.
9. TMS yoğunluğunu, haritalama ağrı veya rahatsızlığa neden olursa, maksimum stimülatör çıkışının% 2 -% 5'i adımlarında azaltın.
10. İndüklenen ağrı veya rahatsızlık denek tarafından tolere edilmezse ölçümü durdurun.

6. Hiçbir adlandırma hatası oluşmadığında strateji

1. Stimülasyonu sonlandırın ve stimülasyon parametrelerini değiştirin.
2. IPI'yi varsayılan değerden 200 ms'lik adımlarla azaltın (örneğin, 2.500 ms'den 2.300 ms'ye).
3. Darbe iletiminin frekansını 5 Hz'den 7 Hz'e değiştirin. Sunulan görüntünün başlangıcı ile rTMS arasındaki aralığı değiştirin (şu anda, artırılması veya azaltılması konusunda bir fikir birliği yoktur). Stimülasyon yoğunluğunu artırın (rahatsızlık uyandırmadan).

7. Uyandırılan adlandırma hatalarının çevrimdışı analizi

1. Ameliyathanede en uygun şekilde bulunması gereken bir uzmanla (örneğin, bir nöropsikolog) işbirliği yapın.
2. Bobin konumlandırmasını ve video kayıtlarındaki olası ağrı parazitlerini gözlemleyerek uyarılmış adlandırma hatalarını iki kez kontrol edin.
3. Hataları Corina ve ^ark.27'ye göre sınıflandırır (örneğin, anomi, semantik ve fonolojik parafazi, performans hataları).
   1. Belirli bir hata türü temel videoda kendini tekrarlarsa, stimülasyon oturumu videolarını analiz ederken bunu bir hata olarak düşünmeyin.
4. Bir nesne rTMS treninden sonra adlandırılmışsa, bunu bir gecikme veya hatasızlık olarak düşünün; Nabız dağıtımı sırasında konunun olası rahatsızlığını da kontrol edin.
5. Dil, dudaklar ve çeneler hareket etmesine rağmen özne belirli bir nesneyi adlandıramıyorsa, yanıt vermeme hatası kaydedin.
6. Bir görüntü her oturumda farklı adlandırılıyorsa, onu atın.
7. Emin değilseniz, komşu stimülasyon bölgesinin performansını veya diğer yarımkürenin aynı görüntüyle uyarılmasının etkisini kontrol edin.

Entegre ekranlı ve kameralı navigasyonlu transkraniyal manyetik stimülasyon sistemi kullanıldı. Şekil 1A-C, farklı PTI'lardaki (180 ms, 200 ms ve 215 ms) görev sırasında bir konuda TMS tarafından uyarılan farklı adlandırma hatalarını vurgulamaktadır. TMS darbelerinin zamanlamasının, uyandırılan hataların sayısı üzerindeki etkisi açıktır. Başka bir deyişle, TMS ile ilgili performans değişiklikleri farklı PTI'larda farklı alanlarda tespit edilmiştir. Hataların sayısı, aynı kortikal bölgelerde bile TMS darbelerinin zamanlamasına bağlı olarak değişmiştir, farklı konuşma ile ilişkili kortikal alanlarda aktivasyon zamanlamasındaki değişimi gösteren MEG çalışmalarına uygun olarak28. İnatçı epilepsili bir hastada ekstraoperatif DCS haritalaması ile nrTMS ile 300 ms'de sabit PTI arasındaki sonuçların karşılaştırılması Şekil 2'de gösterilmiştir. Veriler, epilepsi29'a odaklanan önceki bir yayından elde edilmiştir.

Şekil 1: Sağlıklı bir gönüllüden alınan 3D MRI tabanlı bir model üzerinde gösterilen bir nrTMS SCM'nin sonuçları . (A) 180 ms'lik PTI. (B) 200 ms'lik PTI. (C) 215 ms'lik PTI. Konuşmayla ilgili başlıca alanlara ek olarak, tamamlayıcı öncesi motor alan (SMA öncesi) protokolde açıklandığı gibi uyarıldı (adım 5.7). Hataların çoğu klasik konuşma alanlarında (IFG, STG, SMG) ve aynı zamanda SMA öncesi ve Broca bölgesini ( A ve B'deki orta çizgiye yakın yeşil noktalar) birbirine bağlayan yol boyunca uyandırıldı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: İnatçı epilepsili bir hastada ekstraoperatif DCS haritalaması ile nrTMS arasındaki sonuçların 300 ms'de sabit PTİ ile karşılaştırılması . (A) 13 yaşında ekstraoperatif ızgara haritalaması. Sarı küreler korteks üzerindeki tüm elektrotları temsil eder. El ve ağzın motor tepkilerini indükleyen elektrot stimülasyonu (2-5 mA) bölgeleri (yeşil daireler), adlandırma tutuklaması (anomi; kırmızı daireler) ve cümle tekrarını kesen (pembe daireler) gösterilmiştir. (B) Aynı hastanın 15 yaşında nrTMS SCM'si. NRTMS kaynaklı anomilerin (kırmızı noktalar), semantik ve fonolojik parafazilerin (sarı noktalar) ve tereddütlerin (beyaz noktalar) yerleri gösterilmiştir. Yüksek oranda tekrarlanabilir ve güvenilir hata indüksiyonuna sahip alanlar daire içine alınır. Bu görüntü için veriler Lehtinen ve ark.29'un çalışmasından alınmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 1: nrTMS SCM deneyinde sunulan görüntülere örnekler (parantez içinde Fince). (A) Askı (Henkari). (B) Makas (Sakset). (C) Çilek (Mansikka). Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

P.L., motor ve konuşma kortikal haritalaması için Nexstim Ltd.'ye danışmanlık yapmıştır.