Author Produced

Переводное картирование мозга в Медицинском центре Университета Рочестера: Сохранение разума с помощью персонализированного картирования мозга

Neuroscience
 

Summary

Эта статья содержит обзор мультимодальной программы картирования мозга, предназначенной для выявления областей мозга, которые поддерживают критические когнитивные функции у отдельных пациентов нейрохирургии.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Mahon, B. Z., Mead, J. A., Chernoff, B. L., Sims, M. H., Garcea, F. E., Prentiss, E., Belkhir, R., Haber, S. J., Gannon, S. B., Erickson, S., Wright, K. A., Schmidt, M. Z., Paulzak, A., Milano, V. C., Paul, D. A., Foxx, K., Tivarus, M., Nadler, J. W., Behr, J. M., Smith, S. O., Li, Y. M., Walter, K., Pilcher, W. H. Translational Brain Mapping at the University of Rochester Medical Center: Preserving the Mind Through Personalized Brain Mapping. J. Vis. Exp. (150), e59592, doi:10.3791/59592 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Программа трансляционной картирования мозга в Университете Рочестера является междисциплинарной работой, которая объединяет когнитивные науки, нейрофизиологию, нейроанестезию и нейрохирургию. Пациенты, которые имеют опухоли или эпилептогенные ткани в красноречивых областях мозга изучаются предоперационно с функциональной и структурной МРТ, и интраоперациистом с прямым электрическим отображением стимуляции. Послеоперационные нейронные и когнитивные результаты измеряют фундаментальные научные исследования о факторах, которые посредничают в хороших и плохих результатах после операции, и о том, как картографирование мозга может быть дополнительно оптимизировано для обеспечения наилучшего результата для будущих пациентов. В этой статье мы описываем междисциплинарный рабочий процесс, который позволяет нашей команде достичь синергетических целей оптимизации результатов пациента и продвижения научного понимания человеческого мозга.

Introduction

Нейрохирургические вмешательства для удаления опухолей головного мозга или эпилептогенных тканей, прилегающих к областям мозга, которые поддерживают критические когнитивные функции должны сбалансировать клиническую цель операции (удалить как можно больше опухоли, или эпилептогенной ткани, как это возможно) повреждение здоровых тканей, которые могут вызвать неврологический дефицит. В контексте операции опухоли головного мозга, этот баланс называется онко-функциональный баланс. На "онко" стороне баланса, хирурги хотят удалить как можно больше опухоли, как это возможно, как ставки "брутто общей резекции опухоли" связаны с более выживаемости1,2. С "функциональной" стороны удаление опухолей может повредить корковые и подкорковые субстраты познания; послеоперационные трудности могут включать язык, действие, зрение, слух, прикосновение или движение, в зависимости от нервной системы (ы) пострадавших. Онкофункциональный баланс имеет решающее значение, поскольку повышенная заболеваемость связана с i) снижением качества жизни, ii) увеличениепослем послеоперационных осложнений, которые могут увеличить смертность (например, пациенты, которые больше не могут двигаться, при более высоком рискеобразования тромбов 3,4). Напряжение, присущее «онко-функциональному» балансу при постановке хирургии опухоли головного мозга, также переводится как эпилепсия – баланс между клинической целью удаления всех тканей, генерирующих судороги, при этом не удаляя ткани которая поддерживает критически ею.

На широком уровне, функциональная нейроанатомия очень стереотипно от человека к человеку. Однако может быть высокая степень индивидуальной изменчивости в точном (т.е. мм до мм) расположении более высоких корковых функций. Кроме того, общепризнано, что наличие корковой или подкорковой патологии может стимулировать корковую реорганизацию, хотя принципы, которые управляют такой реорганизацией, плохо изучены5. Нейрохирургические вмешательства проходят миллиметр за миллиметром. Таким образом, имеет решающее значение для карты мозга каждого пациента, в деталях и с чувствительностью и точностью, для того, чтобы понять, какие регионы в этой конкретной поддержки пациента, которые сенсорные, когнитивные и двигательные функции6.

Программа трансляционного картирования мозга в Университете Рочестера была разработана для удовлетворения потребностей персонализированного отображения мозга в настройках высокой через положить практике, охватывающей несколько академических хирургов. Синергетические цели программы картирования мозга i) использовать инструменты когнитивной нейронауки для продвижения персонализированной нейромедицины, в виде пациента конкретных функциональных карт мозга, и ii) использовать клинический препарат нейрохирургических вмешательств для проверки механистической гипотезы о том, как функционирует человеческий мозг.

Protocol

Мероприятия, показанные в видео и описанные в настоящем материале, подпадают под IRB большего, чем минимальный риск, в Медицинском центре Университета Рочестера.

1. Вербовка

  1. Создание высокой через положить программу для предоперационной когнитивной и МРТ-оценки, чтобы поймать пациентов из всех ссылки поставщиков своевременно и эффективно. Привлечение административного и клинического персонала к более широким усилиям.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Конкретный шаг, который доказал свою эффективность было создание группы список электронной почты, который автоматически отправляется лечащим хирургом (или кто-то на их вспомогательного персонала), когда новый пациент представляет в клинику, который может быть кандидатом для набора в мозг Программа карт.

2. Предоперационное мРТ отображение

  1. Приобретите Данные МРТ на 3T МРТ сканер с 64-канальной головой катушки в Центре передовых изображений мозга и нейрофизиологии (официально известный как "Рочестер центр мозга Imaging") в Университете Рочестера медицинской школы. Используйте стандартные последовательности для BOLD МРТ и DTI,позволяющие полную визуализацию мозга, как описано в предыдущих публикациях 7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.
  2. Монитор фиксации, и запись дыхания и частоты сердечных приступов, собранных во время всех МРТ для регрессии шума confounds26,27.
    ПРИМЕЧАНИЕ: За последние 10 лет мы разработали библиотеку функциональных мРТ-экспериментов для картирования языка (разговорные, слуховые, отдельные слова, целые предложения), двигательная функция (от непереходных пальцев, языка и движений ног до высоких транзитных действий), музыки способности, математика и число знаний, а также основные сенсорные функции (например, ретинотопное отображение на карте низкого уровня визуальной обработки11,14,24). Все сценарии экспериментов, материалов и анализа доступны в www.openbrainproject.org.

3. Нейропсихологическое тестирование

  1. Позаботьтесь во время всех когнитивных испытаний, чтобы убедиться, что пациенты комфортно, обеспечивается с помощью эргономически оптимизированной установки(рисунок 1) и путем создания частых перерывов (каждые 8 минут) в структуру всех тестов.
  2. Пусть все низкосортные опухолевые пациенты проведут следующие тесты за 1 месяц до операции, через 1 месяц после операции и через 6 месяцев после операции (тесты 12 и 13 завершены только в предоперационных и 6 месяцах послеоперационных временных точек)28,29 ,30,31,32.
    1. Спонтанная речь (Cookie Кража Картинка33, История Золушки34,35,36).
    2. Категория Fluency (действия, семантические категории, слова, начиная с F, A, S).
    3. Слово Чтение и повторение (существительные, глаголы, прилагательные, не-слова, совпадают по длине и частоте).
    4. Наименование объекта Snodgrass (n No 26037).
    5. Слуховое наименование (n No 6038).
    6. Завершение приговора с высоким уровнем клоза (30 мин).
    7. Бирмингем объект Распознавание Батарея (BORB, в том числе длина (ru) Размер и Ориентация Соответствие пробелов Перекрывающиеся цифры Предусматриваемые представления Объект Реальность Решение39).
    8. Слуховая минимальная пара Дискриминации (например, па против да, га против та31,40).
    9. Предложение Картинка Соответствие (в том числе обратимые пассивные40).
    10. Цвет именования и Фарнсворт Манселл Оттенок Сортировка41.
    11. Кембридж Лицо Тест30,42.
    12. Калифорнийский тест вербального обучения (43)
    13. Вешлер Из (44,45,46). Ключевыми мерами для оценки результатов языка являются тесты 4-6; характеристика более широких способностей обеспечивает нарушения при именованиях тестов не из-за общего снижения производительности47.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В прошлом мы использовали комбинацию платформ презентации программного обеспечения для контроля презентации стимулов и записи ответов во время пред- и послеоперационного тестирования. В настоящее время мы разрабатываем единую платформу для подключения всех когнитивных тестов (до, внутри- и послеоперационного тестирования), а также презентации стимулов и записи ответа во время функциональной МРТ (см. ниже для описания StrongViewTM ). StrongView, вместе со встроенными нейропсихологическими тестами, будет доступен для скачивания (открытая лицензия) в www.openbrainproject.org.

4. Нейроанестезия и эргономика внутриоперационного картирования языка

  1. Используйте анестезиологические методы для пробуждения краниотомии48,49,50; в Университете Рочестера, бодрствуя краниотомии, как правило, выполняются с использованием сон-пробуждение-спит подход.
  2. Избегайте препрепаратов, таких как противосудорожные препараты и анксиолитики, поскольку они могут ухудшить когнитивные функции и способствовать возникновению бред.
  3. Применяют стандартные мониторы (ЭКГ, НИБП, оксиметрия пульса) и вызывают общую анестезию с внутривенным фентанилом (0,5 мг/кг), лидокаином (1-1,5 мг/кг) и пропофолом (1-2 мг/кг).
  4. Используйте supraglottic дыхательные пути для механической вентиляции.
  5. Позиция пациента боковой или полу-боковой с головой закреплены в закрепленной раме; как описано в видео, положение пациента зависит от местоположения поражения и запланированного окна краниотомии, а также принимая во внимание, что типы когнитивного тестирования пациент будет предложено выполнить после бодрствования во время операции.
  6. Применить анальгезию в штифт и разрез (30 мл 0,5% лидокаина, 30 мл 0,5% Сенсоркаин равнины, 6 мл бикарбоната натрия). В течение этого периода, положение испытательного оборудования (малый монитор, видеокамеры, направленные микрофоны).
  7. Определить размер окна краниотомии по нескольким факторам, которые различаются по своему взвешиванию в зависимости от результатов предоперационного клинического картирования мозга пациента, функциональных исследований по картированию мозга и плана внутриоперационного картирования. В случае, описанном в видео, лечащий хирург (д-р Пильчер) выбрал большую краниотомию, чтобы иметь полный доступ к карте положительного языка и моторных участков в доминирующем полушарии.
  8. В начале бодрствования, прекратить седляции (местные анальгетики применяются до разреза).
  9. Удалите supraglottic дыхательных путей, как только пациент приходит в сознание. Во время бодрствования нет или минимального седования.
  10. Используйте электрокортику ( ECoG) для мониторинга послеразрядных разрядов (субклинических эпилептиформных разрядов, индуцированных корковой стимуляцией), чтобы гарантировать, что уровни DES устанавливаются на уровне чуть ниже порога после выписки. Процедура картирования DES инициируется путем нахождения порога после разряда и корректировки амплитуда стимуляции (в шагах 0,5 миллимпилимп).
  11. Отрегулируйте амплитуда стимуляции на протяжении всего сеанса отображения (от 2 до 15 мА) по усмотрению лечащего хирурга. Пациенты просматривают стимулы на мониторе и могут говорить и двигать предплечьями и руками.

5. Процедуры получения данных научно-исследовательского класса во время внутриоперационного прямого картирования электрической стимуляции

  1. Запустите все интраоперационные когнитивные тесты на специально построенной аппаратно-программной системе под названием «StrongView», доступной в www.openbrainproject.org. Аппаратный след является автономным на небольшой тележке, и оснащен независимым резервным источником питания батареи, динамиками, клавиатурой и сенсорным дисплеем. Лицо, порученное для запуска когнитивного тестирования может начать, остановить и приостановить презентацию стимула, в то время как непрерывно записи (аудио и видео) во время дела.
  2. Используйте аудиосистему на тележке так, что направленный микрофон, который тренируется на рот пациента, который питается через сплиттер. Один канал, выходящий из сплиттера, проходит через усилитель и непосредственно к динамику. Это позволяет хирургам и исследователям легко слышать ответы пациента на фоне шума операционной с нулевой заметной задержкой (т.е. устранением эффектов «эхо»). Второй канал из сплиттера переходит на ПК на мобильную тележку, где он штамповывается, записывается и хранится (эти файлы используются для автономного анализа). StrongView также имеет отдельную (автономную) аудиосистему, которая состоит из второго направленного микрофона, также обучаемого на пациенте, направленного микрофона, обученного хирургам, и «шумового» микрофона в углу операционной, чтобы пробовать тон комнаты для вычитания из основных аудиофайлов. Эти три аудиоканала пополняются MIDI и вторым компьютером, который записывает каждый канал по отдельности. Эта вторая аудиосистема обеспечивает избыточность в случае сбоя первичной системы, все устные ответы пациента будут доступны для автономного анализа.
  3. Прикрепите коммерчески доступный экран эфира L-кронштейн к столу операционной комнаты (OR) с помощью зажима стола OR. Прикрепите артикуляционные руки (например, Manfrotto 244 Variable Friction Magic Arms) к экрану эфира L-кронштейн, и те, артикуляционные руки поддерживают монитор пациента, направленные микрофоны, видеокамера, обученная на лице пациента, и вспомогательный монитор для позволяют члену исследовательской группы или медсестре операционной, чтобы легко увидеть, что пациент видит во время взаимодействия с пациентом.
  4. Запустите все необходимые кабели для экранов, микрофонов и камеры вдоль руки и защитите пластиковыми трубками, закрепленными Velcro.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Ни одно из этого оборудования не должно быть стерилизовано, как это (только когда-либо) на нестерильной стороне поля (Рисунок 1). Такой способ поддержки стимула презентации и реагирования записи оборудования обеспечивает максимальную гибкость, чтобы принять во внимание различные эргономики когнитивного тестирования в зависимости от позиционирования пациента, который варьируется в зависимости от случая, но обеспечивает надежный и стабильная платформа, на которой можно прикрепить оборудование. Кроме того, и что немаловажно, поскольку все мониторы, микрофоны и камеры крепятся к таблице OR с помощью одного устройства (эфирный экран L-кронштейна), если позиционирование таблицы корректируется в случае, это не влияет на настройку тестирования. (Обратите внимание, что установка, показанная на рисунке 1, происходит от установки более раннего поколения, в которой установленный на полу стенд поддерживал экран пациента, микрофон и видеокамеру; что стенд, установленный на полу, был заменен с 2018 года эфирным экраном L-кронштейна). Кроме того, и что важно для безопасности пациентов, вся установка для когнитивного тестирования может быть разбита менее чем за 20 секунд в случае, если возникающие ситуации представить себя, что мандаты полный и беспрепятственный доступ к пациенту (например, для пациента дыхательных путей).
  5. Сердцем StrongView является гибкая программная система для i) представления стимулов (визуальный, слуховой) для пациентов и записи ответов пациентов (словесный, кнопка ответ, видео), ii) временно регистрации всех экспериментально соответствующих событий и меры (стимул на, ECoG, контакт с мозгом прямого электрического зонда стимулятора, реакции пациента); iii) и связь с навигационными системами черепа для получения трехмерной координаты для каждого применения прямой электрической стимуляции. StrongView позволяет он-лайн перекалибровки экспериментальных переменных, таких как продолжительность стимула, межстимул-интервалы, рандомизация, количество повторений или блоков стимулов, а также контроль пациента видео и аудио каналов. StrongView потоков пациента видеокамеры, онлайн ECoG данных, а также стимул, что пациент в настоящее время видим / слух на рабочем столе дисплей, который также отражается на большом мониторе, который находится в прямой видимости хирурга.
  6. Прикрепите фотодиод к монитору пациента и пополните открытым каналом на усилителе ECoG. Это обеспечивает временную синхронизацию между представлением каждого стимула и ECoG для автономного анализа.
  7. Используйте навигационное оборудование и программное обеспечение черепа (в Университете Рочестера, BrainLab Inc., Мюнхен, Германия) во всех случаях хирургической группой для внутриоперационной черепной навигации на основе предоперационной МРТ. Это оптическая система, состоящая из набора камер, которые просматривают операционное поле и регистрируют голову пациента через фиксированную звезду регистрации, прикрепленную к операционному столу (см. рисунок1).
    1. В частности, после того, как пациент установлен в головном улоке, но перед драпировкой, используйте лицевой физиономию пациента для регистрации головы пациента на предоперационной МРТ. Это позволяет ввести предоперационную МРТ (функциональную и структурную) в прямое соответствие с мозгом пациента на операционном столе.
    2. Прикрепите вторую (гораздо меньшую) звезду регистрации к биполярному стимулятору (см. рисунок1) и используйте для регистрации длины и положения стимулятора в поле. Это позволяет исследовательской группе получить точное местоположение каждой точки стимуляции, а также поля резекции, по сравнению с предоперационной МРТ. Как отмечалось выше, StrongView связан с навигационной системой черепа (в Университете Рочестера, BrainLab, соединение через ссылку IGT), чтобы обеспечить в режиме реального времени потоковое (и время штамповки) координат прямого электрического отображения электрической стимуляции. StrongView в настоящее время разрабатывается для взаимодействия с другими навигационными системами черепа (например, Stryker).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Аспекты StrongView, которые поддерживают администрирование и сбор данных во время когнитивных и МРТ-экспериментов, вместе с библиотекой тестов, будут доступны (открытый доступ) в OpenBrainProject.org. Бета-версии доступны до полного релиза, связавшись с соответствующим автором. Весь набор StrongView, который включает в себя аппаратные системы для интеграции с электрокортикой и навигационным программным обеспечением черепа, доступен для клиницистов и ученых, связавшись с соответствующим автором. Эти инструменты сбора данных будут связаны с консорциумом по постобработке и консорциуму открытых данных, который будет запущен в 2020 году в OpenBrainProject.org.

Representative Results

Рисунок 2, Рисунок 3, и Рисунок 4 настоящее представление результатов предоперационного функционального и структурного картирования для трех пациентов с опухолями, которые были рядом с красноречивыми областями мозга. Выводы, показанные на рисунке 2, Рисунок 3, и рисунок 4 предназначены для иллюстративных (а не исчерпывающее резюме) типов карт, которые генерируются для каждого пациента. Подробная информация о случаях, представленных на рисунке 2, Рисунок 3, и рисунок 4 можно найти в: Рисунок 2 (Чернофф, Teghipco, Гарсеа, Sims, Belkhir, Пол, Тиварус, Смит, Hintz, Pilcher, Махон, в прессе51), Рисунок 3 (Чернофф, Симс, Смит, Пилчер и Махон, 201952), и рисунок 4 (Garcea et al., 201716). Важным последствием последовательного набора пациентов с глиомой в единый протокол является то, что он делает возможным групповой анализ, который оценивает влияние опухолей головного мозга на функцию и организацию сети. В качестве примера такого рода анализов, Рисунок 5 представляет результаты недавнего исследования 14, которые обнаружили, что опухоли в левой теменной коре модулированных нейронных реакций на "инструменты" (небольшие манипулируемые объекты) в височной доле, экземпляр более общее явление, называемое динамическим диашезом53.

Figure 1
Рисунок 1Обзор оборудования, используемого для экстра-оперативного и внутриоперационного когнитивного тестирования. (A) Пример установки для высокой через положить когнитивных нейропсихологических испытаний, как осуществляется в рамках программы для трансляционного мозга Картирование в департаменте нейрохирургии в Университете Рочестера медицинский центр. Ключевые элементы для обеспечения того, чтобы все набранные пациенты могли завершить все запланированные тесты включают в себя: i) место для пациентов, чтобы сидеть и завершить тестирование, которое полностью регулируется размер каждого пациента, в том числе стул, специально предназначенный для сокращения усталость, и ii) размещение когнитивных / поведенческих испытаний физически примыкают к МРТ. Эти элементы позволяют пациентам посетить учреждение и завершить их функциональной и структурной МРТ в течение той же сессии, как основные поведенческие данные измеряются. Участники завершают больше испытаний с более высокой производительностью, если они удобны, особенно для пожилых групп участников с другими сопутствующими делами, которые могут сделать сидение в течение длительных периодов неудобно. (B) Оборудование, используемое во время внутриоперационного картирования. Изображение слева показывает пациента, прежде чем драпированные (справа после драпировки). Перед драпировкой команда когнитивных наук устанавливает свое оборудование, включая аудио- и видеорегистраторы пациента, монитор, расположенный перед линией зрения пациента, и второй монитор, расположенный так, что человек, работающий с пациентом, может легко увидеть стимул, на котором пациент в настоящее время ищет (см. "Процедура" для деталей). (C) Биполярный стимулятор с регистрацией звезды прилагается к записи места внутриоперационной стимуляции в предоперационном пространстве МРТ DICOM. Обычно в момент операции, в которой dura был отозван и пациент в настоящее время проснулся от общей анестезии, Есть несколько минут, в которых для регистрации биполярного стимулятора на поле. Это должно быть сделано членом команды, который очищается в случае (т.е., либо посещать или резидентов хирургили или скраб технологий / медсестра). Это достигается путем присоединения небольшой звезды регистрации к биполярному стимулятору и следуя инструкциям в системе навигации черепа для регистрации нового инструмента на поле. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2 . Предоперационная функциональная МРТ и диффузионная тензорная визуализация (DTI) у пациента AH с левой нижней теменной глиомой, которая проникла в оргуатный фасцикулус. ()Предоперационная T1 МРТ и 3D реконструкция левого аркуата фасцикулус и глиома. Аркуат ный фасцикул показывается оранжевым цветом на 5% пороге с опухолью, реконструироватой синим цветом. (B) Предоперационная функциональная МРТ. Пациент завершил несколько сеансов функциональной МРТ, каждый из которых был разработан для картирования функции, которая, как ожидается, будет примыкать к области хирургического вмешательства. Все карты имеют порог овое значение на FDR q q lt; .05 или лучше. В синий voxels, которые демонстрируют дифференциальные нейронные реакции при именования инструментов по сравнению с животными; в соответствии с предыдущими исследованиями из нашей лаборатории с использованием тех же стимулов, надежная сеть определяется с участием премоторных, теменной, а также боковой и вентральной височной области7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Пациенту также было предложено выполнить задачу нумерочинии, в которой он должен был судить, в каком из двух облаков точек было больше точек; две облака точек могут иметь одинаковое количество точек (жесткое сравнение, соотношение 0,8), либо очень разные числа точек (легкое сравнение, соотношение 0,25). В зеленом цвете являются воксели, которые демонстрируют дифференциальные нейронные реакции при выполнении задачи по жестким стимулам соотношения (коэффициент .8) по сравнению с легкими стимулами (коэффициент .25 54,55). Пациенту также было предложено пошевелить руками и ногами (либо сгибаться/расширение, либо вращать25). В красном цвете находятся воксели, которые демонстрируют дифференциальные нейронные реакции на движения правой руки по сравнению с движениями правой ноги. Наконец, пациенту было предложено создать как можно больше предметов, как он мог думать о в 30 секунд из различных категорий (например, "вещи, которые вы делаете на кухне", "животные", слова, которые начинаются с "F" и т.д.). В фиолетовый являются voxels, которые выставлены дифференциальной нейронной активности для явных слов производства по сравнению с фиксацией / отдых. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3 . Предоперационная трактография белого вещества фронтального Аслантского тракта и прилегающих u-образных волокон. Предыдущий опыт работы в программе трансляционного картирования мозга (Chernoff et al., 201756) с картированием мозга у пациентов с глиомами, прилегающими к фронтальной наклонной тракту, показал, что (даже частичный) трансекция этого пути может быть связана с дисфлюенциями в спонтанной речи, в то время как повторение разговорного языка может оставаться нетронутым. Этот предыдущий опыт был использован для информирования предоперационного картирования лобного аклонного тракта у пациента ИИ11. (A) Корональные ломтики, показывающие фронтальный аклонный тракт (сине-голубой) и вы-формы волокон (красно-желтый). Фронтальный аклонный тракт проходит только переднюю и медиальную к глиоме. (B) 3D Рендеринг фронтального аклонного тракта (синий) и опухоли (красный) с разных точек зрения. Предоперационные анатомические исследования (панели A и B) показали, что в конце резекции опухоли можно будет определить переднюю маржу опухоли с помощью прямого картирования электрической стимуляции. Таким образом, мы разработали новую языковую задачу, основанную на нашем предыдущем опыте, в частности, чтобы проверить, является ли стимуляция лобного асланного тракта нарушена производство предложения на границах грамматических фраз. (C) Прямая электрическая стимуляция фронтального аклонного тракта нарушает производство предложения дифферепрециально на границах грамматических фраз. На скриншоте (панель C, слева) из видео показан пациент, стимул, с которым он был представлен, рука хирурга, держащего биполярный стимулятор в контакте с фронтальным аклентным трактом на передней окраине опухоли, и расположение в корональном и сагиттальные ломтики текущего местоположения стимуляции (красная точка) по отношению к фронтальной наклонной тракта (синий). Задача пациента состояла в том, чтобы описать пространственное отношение целевой формы по отношению к расположению эталонной формы (для показанного испытания, правильный ответ будет: "Красный квадрат ниже красного алмаза"). Мы обнаружили, что стимуляция фронтального асланного тракта нарушила производство предложения, и дифференциально так в начале новых грамматических фраз (Панель C, график справа; для видео внутриоперационной процедуры картирования у этого пациента, см. www.openbrainproject.org). Это наблюдение мотивирует новую гипотезу о роли фронтального аклонного тракта в производстве предложения: Синтагматические ограничения на позиционные элементы (SCOPE) гипотеза11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. 

Figure 4
Рисунок 4. Предоперационная функционально-структурная МРТ и интраоперационная прямая электрическая стимуляция отображение у профессионального музыканта с глиомой в правой задней височной доле.(A) Предоперационное мРТ отображение высококачественной визуальной обработки, языкового производства и знаний инструментов. Опухоль, затененный желтый, был в правой височной доле, видимой через правую высшую височную sulcus (sulci слегка расширена для облегчения визуализации). Поскольку опухоль находилась близко к зонам обработки движения в боковой височной коре, мы локализовали MT/V5, сравнивая нейронную активность, когда пациент посещал массивы движущихся точек к нейронной активности, вызванной стационарными точками; воксели, демонстрирующие дифференциальные нейронные реакции для движения по сравнению со статической точкой, построены по фиолетово-белой цветовой шкале (мы благодарны Duje Tadin за помощь в разработке этого функционального локализатора). Что касается всех других случаев, изученных в Программе трансляционного картирования мозга (например,Рисунок 2,Рисунок 3), воксели, демонстрирующие дифференциальные нейронные реакции для именования общих изображений, сравниваются с базовыми версиями одноименного обзора фазовых версий одних и тех же изображений; это построено на зелено-белой цветовой шкале. Этот контраст определил двусторонний боковой затылочной комплекс, двустороннюю среднюю/высшую височную извилину и моторную кору (связанную с речевой двигательной активностью). Также как вРисунок 2, воксели, демонстрирующие дифференциальные нейронные реакции при наименовании «инструментов» были найдены в левой нижней теменной лобуле, двусторонней верхней теменной/дорсальной затылочной коре, и левой задней средней/нижней височной извилисне (сине-белая цветовая шкала). Наконец, и снова, как вРисунок 2, пациент попросил, чтобы завершить устное беглое слово производства задачи. Воксели, связанные с генерацией слов по сравнению с исходной линией отдыха, построены по красно-белой цветовой шкале и были найдены в левой нижней лобной извилине (область Брока), верхней височной/нижней теменной коре и речевой моторной системе. (B) Пациент завершил несколько функциональных экспериментов МРТ предварительно оперативно специально для картобработки музыки. В одном эксперименте, смоделированный после предыдущей работы из лаборатории Грега Хикока57, пациент услышал короткие мелодии фортепиано и должен был напевать мелодию обратно, или слышал короткие предложения и должен был повторить предложения обратно. На мозгнах по красно-фиолетовой цветовой гамме выставляются воксели, которые демонстрируют дифференциальную нейронную активность для музыки, чем для языка. Четыре Истман ской музыкальной школы аспирантов завершили тот же эксперимент МРТ; граница региона, идентифицированная для того же функционального контраста в соответствующих здоровых элементах управления, построена зеленым контуром. Кроме того, 10 других нейрохирургических пациентов завершили тот же эксперимент, также в предоперационной фазе их лечения. В то время как рядовая цель в этих 10 пациентов состояла в том, чтобы определить языковые области (thorugh контраст языка и музыки), контраст музыки »язык определяет очень похожую область правой верхней височной извилины (границы функциональной области из 10 пациентов контроля нейрохирургии обращается в светло-голубой). (C) Предоперационная вероятностная трактография по данным DTI, показывающим правильные акустические излучения и аркуатный фасцикул усом по отношению к опухоли пациента АЕ (5% порог, наложенный на родной T2-взвешенное изображение). (D) Во время операции, пациент А.Е. выполняетту ту же задачу, что и во время МРТ, в которой он должен был слушать короткие фортепианные мелодии и напыгнет их обратно, или короткое предложение и повторить его обратно. Было установлено, что прямая электрическая стимуляция в правой задней верхней височной извилины нарушили производительность в повторении задачи при выполнении над мелодиями (для некоторых испытаний), но не влияет на производительность (на любых испытаниях) для той же задачи повторения выполняется над предложениями (см. www.openbrainproject.org видео внутриоперационного музыкального картирования).Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5 . Демонстрация домено-специфического диачеси: Анализ связи расположения поражения и стимулирующей нейронной активности в группе пациентов с глиомой, изученных предварительно в Программе перевода мозга. Важным последствием введения общего набора функциональных МРТ и поведенческих исследований для всех пациентов, которые проходят через программу трансляционного картирования мозга в Университете Рочестера медицинский центр является возможность проведения группового уровня анализы на более крупных наборах последовательно изученных пациентов. В качестве примера, На рисунке 5 показаны результаты теста гипотезы фундаментальной науки о том, что нейронные реакции на "инструменты" в височной доле модулируются онлайн входами из теменной коры. Если эта гипотеза верна, то поражения (опухоли) в теменной коре должны изменять нервные реакции в височной доле на "инструменты", а дисперсия между пациентами в нервной активности к "инструментам" в височной доле должна быть коррелирована с наличием поражений ( опухолей) в теменной коре. (A) Поражения теменной коры прогнозируются на групповом уровне (логистическая регрессия) от дисперсии между пациентами в нейронных реакциях в медиальной фузиформной извилине на брюшной поверхности височной доли. (B) Нейронные ответы на инструменты в медиаальной фузиформной извилине прогнозируются на групповом уровне (логистическая регрессия) от дисперсии в том, поражения / опухоли включает в себя передние Intraparietal Sulcus (aIPS). Выводы, обобщенные в группах A и B представляют собой пример динамического диашеза53, в данном случае "домен-специфический" динамический диачеси, потому что отношение место поражения к нейронной активности модулируется тип стимула обрабатываются ( т.е. отношение присутствует для инструментов, а не для мест, лица или животных) - для полной информации см Гарсеа и коллеги14. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. 

Discussion

Знания, полученные на основе опыта создания Программы трансляционного картирования мозга в Университете Рочестера, могут быть разделены на два основных элемента. Во-первых, были созданы структурированные каналы связи среди когнитивных ученых, нейроонкологов, нейропсихологов, эпилептологов, нейрофизиологов, нейроанестезиологов, нейрохирургов и их соответствующих поддерживающих техников и административной поддержки. Это позволяет пациентам, в том числе срочным высокосортных опухолевых пациентов, быть переданы для предварительной оперативной оценки с достаточным временем, чтобы превратить анализы вокруг хирургов до процедуры. Вторым компонентом, критически важным для успеха программы картирования мозга, является сворачивание возможностей обучения студентов, аспирантов (MS, PhD) студентов, студентов-медиков, а также нейрохирургии, неврологии и нейрорадиологии жителей и Ребята. Сочетание этих двух элементов служит для привлечения всех клинических провайдеров с научными целями программы картирования мозга, и гарантирует, что основные цели науки переплетаются с клинической целью оптимизации результатов каждого пациента.

Disclosures

Предварительный патент (Временный патент США номер 62/917,258) был подан 11/30/18 для "StongView: интегрированная аппаратная / программная система для облегчения когнитивного тестирования во время бодрствования хирургии мозга и для поддержки в режиме реального времени анализы в обслуживании прогнозирования исхода пациента ".

Acknowledgments

Эта работа была поддержана NIH Гранты R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535, и NSF Грант БКС-1349042 в БЗМ, и Университет Рочестера Центр визуальных наук предварительной подготовки стипендий (NIH обучение Грант 5T32EY007125-24) Мы благодарны Кейту Паркинсу за его работу по разработке StrongView, которая была поддержана основным грантом P30EY00131 Центру визуальных наук При Университете Рочестера. Программа трансляционного картирования мозга в Университете Рочестера была создана, в частности, при поддержке Нормана и Арлин Leenhouts, и с грантом от Института рака Уилмот ам.д. Кевин Уолтер и Брэдфорд Махон. Информацию о программе трансляционного картирования мозга в Медицинском центре Рочестерского университета можно найти по адресу: www.tbm.urmc.edu.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
NA NA NA

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brown, T. J. Association of the extent of resection with survival in glioblastoma: A systematic review and meta-analysis. JAMA Oncology. 2, 1460-1469 (2016).
  2. Bloch, O. Impact of extent of resection for recurrent glioblastoma on overall survival. Journal of Neurosurgery. 117, 1032 (2012).
  3. McGirt, M. J. Association of surgically acquired motor and language deficits on overall survival after resection of glioblastoma multiforme. Neurosurgery. 65, 463-470 (2009).
  4. Rahman, M. The effects of new or worsened postoperative neurological deficits on survival of patients with glioblastoma. Journal of Neurosurgery. 127, 123-131 (2017).
  5. Herbet, G., Moritz-Gasser, S., Lemaitre, A. L., Almairac, F., Duffau, H. Functional compensation of the left inferior longitudinal fasciculus for picture naming. Cognitive Neuropsychology. 1-18 (2018).
  6. Rofes, A. Language processing from the perspective of electrical stimulation mapping. Cognitive Neuropsychology. 1-23 (2018).
  7. Almeida, J., Fintzi, A. R., Mahon, B. Z. Tool manipulation knowledge is retrieved by way of the ventral visual object processing pathway. Journal of Cognitive Neuroscience. 49, 2334-2344 (2013).
  8. Chen, Q., Garcea, F. E., Almeida, J., Mahon, B. Z. Connectivity-based constraints on category-specificity in the ventral object processing pathway. Neuropsychologia. 105, 184-196 (2017).
  9. Chen, Q., Garcea, F. E., Jacobs, R. A., Mahon, B. Z. Abstract Representations of Object-Directed Action in the Left Inferior Parietal Lobule. Cerebral Cortex. 28, 2162-2174 (2018).
  10. Chen, Q., Garcea, F. E., Mahon, B. Z. The Representation of Object-Directed Action and Function Knowledge in the Human Brain. Cerebral Cortex. 26, 1609-1618 (2016).
  11. Chernoff, B., Sims, M., Smith, S., Pilcher, W., Mahon, B. Direct electrical stimulation (DES) of the left Frontal Aslant Tract disrupts sentence planning without affecting articulation. Cognitive Neuropsychology. (In Press).
  12. Erdogan, G., Chen, Q., Garcea, F. E., Mahon, B. Z., Jacobs, R. A. Multisensory Part-based Representations of Objects in Human Lateral Occipital Cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 28, 869-881 (2016).
  13. Fintzi, A. R., Mahon, B. Z. A bimodal tuning curve for spatial frequency across left and right human orbital frontal cortex during object recognition. Cerebral Cortex. 24, 1311-1318 (2014).
  14. Garcea, F. E. Domain-Specific Diaschisis: Lesions to Parietal Action Areas Modulate Neural Responses to Tools in the Ventral Stream. Cerebral Cortex. (2018).
  15. Garcea, F. E., Chen, Q., Vargas, R., Narayan, D. A., Mahon, B. Z. Task- and domain-specific modulation of functional connectivity in the ventral and dorsal object-processing pathways. Brain Structure and Function. 223, 2589-2607 (2018).
  16. Garcea, F. E. Direct Electrical Stimulation in the Human Brain Disrupts Melody Processing. Current Biology. 27, 2684-2691 (2017).
  17. Garcea, F. E., Kristensen, S., Almeida, J., Mahon, B. Z. Resilience to the contralateral visual field bias as a window into object representations. Journal of Cognitive Neuroscience. 81, 14-23 (2016).
  18. Garcea, F. E., Mahon, B. Z. Parcellation of left parietal tool representations by functional connectivity. Neuropsychologia. 60, 131-143 (2014).
  19. Kersey, A. J., Clark, T. S., Lussier, C. A., Mahon, B. Z., Cantlon, J. F. Development of Tool Representations in the Dorsal and Ventral Visual Object Processing Pathways. Cerebral Cortex. 26, 3135-3145 (2016).
  20. Kristensen, S., Garcea, F. E., Mahon, B. Z., Almeida, J. Temporal Frequency Tuning Reveals Interactions between the Dorsal and Ventral Visual Streams. Journal of Cognitive Neuroscience. 28, 1295-1302 (2016).
  21. Lee, D., Mahon, B. Z., Almeida, J. Action at a distance on object-related ventral temporal representations. Journal of Cognitive Neuroscience. 117, 157-167 (2019).
  22. Mahon, B. Z., Kumar, N., Almeida, J. Spatial frequency tuning reveals interactions between the dorsal and ventral visual systems. Journal of Cognitive Neuroscience. 25, 862-871 (2013).
  23. Paul, D. A. White matter changes linked to visual recovery after nerve decompression. Science Translational Medicine. 6, 1-11 (2014).
  24. Schneider, C. L. Survival of retinal ganglion cells after damage to the occipital lobe in humans is activity dependent. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society. 286, 20182733 (2019).
  25. Shay, E. A., Chen, Q., Garcea, F. E., Mahon, B. Z. Decoding intransitive actions in primary motor cortex using fMRI: toward a componential theory of 'action primitives' in motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 10, 13-19 (2019).
  26. Gotts, S. J. Two distinct forms of functional lateralization in the human brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, E3435-E3444 (2013).
  27. Saad, Z. S. Correcting brain-wide correlation differences in resting-state FMRI. Brain Connect. 3, 339-352 (2013).
  28. Mahon, B. Z. Action-related properties shape object representations in the ventral stream. Neuron. 55, 507-520 (2007).
  29. Negri, G. A. L. What is the role of motor simulation in action and object recognition? Evidence from apraxia. Cognitive Neuropsychology. 24, 795-816 (2007).
  30. Stasenko, A., Garcea, F. E., Dombovy, M., Mahon, B. Z. When concepts lose their color: a case of selective loss of knowledge of object-color. Journal of Cognitive Neuroscience. 58, 217-238 (2014).
  31. Stasenko, A. A causal test of the motor theory of speech perception: a case of impaired speech production and spared speech perception. Cognitive Neuropsychology. 32, 38-57 (2015).
  32. Garcea, F. E., Dombovy, M., Mahon, B. Z. Preserved tool knowledge in the context of impaired action knowledge: implications for models of semantic memory. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 1-18 (2013).
  33. Draper, I. T. The accessment of aphasia and related disorders. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry. 36, 894-895 (1973).
  34. Catani, M. A novel frontal pathway underlies verbal fluency in primary progressive aphasia. Brain. 136, 2619-2628 (2013).
  35. Mesulam, M. M., Wieneke, C., Thompson, C., Rogalski, E., Weintraub, S. Quantitative classification of primary progressive aphasia at early and mild impairment stages. Brain. 135, 1537-1553 (2012).
  36. Rogalski, E. Progression of language decline and cortical atrophy in subtypes of primary progressive aphasia. Neurology. 76, 1804-1810 (2011).
  37. Snodgrass, J. G., Vanderwart, M. A standardized set of 260 pictures: norms for name agreement, image agreement, familiarity, and visual complexity. Journal of Experimental Psychology: Human Learning and Memory. 6, 174-215 (1980).
  38. Hamberger, M. J., Seidel, W. T. Auditory and visual naming tests: Normative and patient data for accuracy, response time, and tip-of-the-tongue. Journal of the International Neuropsychological Society. 9, 479-489 (2003).
  39. Riddoch, M., Humphreys, J., Glyn, W. Birmingham object recognition battery. Psychology Press. (1993).
  40. Kay, J., Lesser, R., Coltheart, M. Psycholinguistic assessments of language processing in aphasia (PALPA). (1992).
  41. Farnsworth, D. The Farnsworth-Munsell 100-hue and dichotomous tests for color vision. Journal of the Optical Society of America. 33, 568-578 (1943).
  42. Duchaine, B., Nakayama, K. The cambridge face memory test: results for neurologically intact individuals and an investigation of its validity using inverted face stimuli and prosopagnosic participants. Neuropsychologia. 44, 576-585 (2006).
  43. Gorno-Tempini, M. L. Cognition and anatomy in three variants of primary progressive aphasia. Annals of Neurology. 55, 335-346 (2004).
  44. Weiss, L., Saklofske, D., Coalson, D., Raiford, S. WAIS-IV clinical use and interpretation: scientist-practitioner perspectives. Practical Resources for the Mental Health Professional. (2010).
  45. Canizares, S. Reliability and clinical usefulness of the short-forms of the Wechsler memory scale (revised) in patients with epilepsy. Epilepsy Research. 41, 97-106 (2000).
  46. Wechsler, D. The measurement and appraisal of adult intelligence. 4th, Williams & Wilkins. (1958).
  47. Caramazza, A. The logic of neuropsychological research and the problem of patient classification in aphasia. Brain and Language. 21, 9-20 (1984).
  48. Sanai, N., Mirzadeh, Z., Berger, M. S. Functional outcome after language mapping for glioma resection. New England Journal of Medicine. 358, 18-27 (2008).
  49. Ojemann, G. Individual variability in cortical localization of language. Journal of Neurosurgery. 50, 164-169 (1979).
  50. Rofes, A., de Aguiar, V., Miceli, G. A minimal standardization setting for language mapping tests: an Italian example. Neurological Sciences. 36, 1113-1119 (2015).
  51. Chernoff, B. L., Teghipco, A., Garcea, F. E., Sims, M. H., Belkhir, R., Paul, D. A., Tivarus, M. E., Smith, S. O., Hintz, E., Pilcher, W. H., Mahon, B. Z. Reorganized language network connectivity after left arcuate fasciculus resection: A case study. Cortex. (in press).
  52. Chernoff, B. L., Sims, M. H., Smith, S. O., Pilcher, W. H., Mahon, B. Z. Direct electrical stimulation of the left frontal aslant tract disrupts sentence planning without affecting articulation. Cognitive Neuropsychology. 36, (2019).
  53. Price, C. J., Warburton, E. A., Moore, C. J., Frackowiak, R. S., Friston, K. J. Dynamic diaschisis: anatomically remote and context-sensitive human brain lesions. Journal of Cognitive Neuroscience. 13, 419-429 (2001).
  54. Kersey, A. J., Cantlon, J. F. Neural Tuning to Numerosity Relates to Perceptual Tuning in 3-6-Year-Old Children. Journal of Neuroscience. 37, 512-522 (2017).
  55. Kersey, A. J., Cantlon, J. F. Primitive Concepts of Number and the Developing Human Brain. Language Learning and Development. 13, 191-214 (2017).
  56. Chernoff, B. L., Teghipco, A., Garcea, F. E., Sims, M. H., Paul, D. A., Tivarus, M. E., Smith, S. O., Pilcher, W. H., Mahon, B. Z. A Role for the Frontal Aslant Tract in Speech Planning: A Neurosurgical Case Study. Journal of Cognitive Neuroscience. 30, (5), 752-769 (2018).
  57. Hickok, G., Buchsbaum, B., Humphries, C., Muftuler, T. Auditory-motor interaction revealed by fMRI: speech, music, and working memory in area Spt. Journal of Cognitive Neuroscience. 15, 673-682 (2003).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics