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ロチェスター大学医療センターにおける翻訳脳マッピング:パーソナライズされた脳マッピングによる心の維持

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Summary

この記事では、個々の神経外科患者の重要な認知機能をサポートする脳の領域を識別するために設計されたマルチモーダル脳マッピングプログラムの概要を提供します。

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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).

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Abstract

ロチェスター大学の翻訳脳マッピングプログラムは、認知科学、神経生理学、神経麻酔、神経外科を統合する学際的な取り組みです。雄弁脳領域に腫瘍またはてんかん組織を有する患者は、機能的および構造的MRIで術前に、および直接電気刺激マッピングを用いて術中に研究される。術後の神経および認知の結果は、手術後に良好な結果と不良結果を仲介する要因に関する基礎科学研究を促進し、将来の患者にとって最良の結果を確実にするために脳マッピングをさらに最適化する方法について研究を促進する。この記事では、患者の結果を最適化し、人間の脳の科学的理解を進めるという相乗的な目標を達成することを可能にする学際的なワークフローについて説明します。

Introduction

重要な認知機能をサポートする脳領域に隣接する脳腫瘍またはてんかん原組織を除去する神経外科的介入は、手術の臨床的目的(可能な限り多くの腫瘍、またはてんかん組織を除去する)に対してバランスをとらなければならない。神経学的欠損を引き起こす可能性のある健康な組織への損傷。脳腫瘍手術の文脈では、このバランスは、オンコ機能バランスと呼ばれています。バランスの「オンコ」側では、外科医は「総腫瘍切除」の率が長い生存1、2にリンクされているように、できるだけ多くの腫瘍を除去したいと考えています。「機能的」側では、腫瘍の除去は、認知の皮質および皮質下基質を損傷する可能性があります。術後の困難は、影響を受ける神経系に応じて、言語、行動、視覚、聴覚、接触または動きを伴うことができる。罹患率の増加は、i)生活の質の低下に関連しているため、オンコ機能バランスは非常に重要であり、ii)死亡率を増加させることができる術後合併症の増加(例えば、移動できない患者は、もはや移動できない患者である) 血栓3、4のリスクが高い)脳腫瘍手術の設定における「腫瘍機能」バランスに内在する緊張は、てんかん手術にも変換されます - 組織を除去しない間、発作を発生しているすべての組織を除去する臨床目的の間のバランスがあります。重要な機能をサポートします。

広いレベルでは、機能的神経解剖学は、個人から個人に高度にステレオタイプ化されています。しかし、より高い皮質関数の正確な(すなわち、mmからmm)位置には、個々の変動性が高い場合があります。さらに、皮質病理または皮質下病理の存在は皮質再編を促進することができることが一般的に認識されているが、そのような再編成を推進する原理は十分に理解されていない5。神経外科的介入はミリメートル単位で進行する。したがって、各患者の脳を詳細かつ感度および精度でマッピングすることが重要であり、その特定の患者のどの領域がどの感覚、認知および運動機能6をサポートするかを理解するために。

ロチェスター大学の翻訳脳マッピングプログラムは、複数の学術外科医にまたがる高スループットプラクティスの設定でパーソナライズされた脳マッピングのニーズを満たすために設計されています。脳マッピングプログラムの相乗的な目標は、i)認知神経科学のツールを使用して、患者固有の機能的脳図の形で、パーソナライズされた神経医学を進めることであり、ii)の臨床製剤を使用する。 人間の脳がどのように機能するかについての機械的仮説をテストするための神経外科的介入。

Protocol

ビデオに示され、ここに記載されている活動は、ロチェスター大学医療センターで最小限のリスクIRBの中に入ります.

1. 採用

  1. 術前の認知およびMRIベースの評価のための高スループットプログラムを確立し、すべての参照プロバイダーから患者をタイムリーかつ効率的な方法でキャッチします。より広範な取り組みに、管理スタッフと臨床スタッフを巻き込みます。
    注:効果的であることが証明された具体的なステップは、新しい患者が脳への募集の候補である可能性のあるクリニックに新しい患者を提示したときに、出席外科医(またはサポートスタッフの誰か)によって自動的に送信されるグループ電子メールリストの確立でした。マッピング プログラム。

2. 術前MRIマッピング

  1. ロチェスター医科大学の高度脳イメージング神経生理学センター(正式には「脳イメージングのためのロチェスターセンター」として知られている)で64チャンネルのヘッドコイルを備えた3T MRIスキャナでMRIデータを取得します。以前の出版物7、8、9、10、11、12、13で説明したように、BOLD MRIおよびDTIの標準配列を使用して、完全な脳イメージングを可能にする ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.
  2. 固定を監視し、ノイズの回帰のためにすべてのfMRIの間に収集された呼吸および心拍数を記録し、26、27を混乱させる。
    注:過去10年間にわたり、言語(話し言葉、聴覚、単一の単語、文章全体)、運動機能(非推移的な指、舌、足の動きから高レベルの推移的な行動まで)、音楽をマッピングするための機能的MRI実験のライブラリを開発しました。能力、数学および数の知識、および基本的な感覚機能(例えば、低レベルの視覚処理11、14、24の地図へのレチノトピックマッピング)。すべての実験、材料、および分析スクリプトは、www.openbrainproject.orgで入手できます。

3. 神経心理学的検査

  1. すべての認知テスト中に注意を払い、患者が快適であることを確認し、人工学的に最適化されたセットアップ(図1)を使用し、すべてのテストの構造に頻繁な休憩(8分ごと)を構築することによって保証します。
  2. すべての低グレード腫瘍患者に、手術の1ヶ月前、手術後1ヶ月、手術後6ヶ月の検査を完了させる(検査12と13は術前および6ヶ月の術後の時点でのみ完了する)28、29 303132
    1. 自発的なスピーチ(クッキー盗難画像33、シンデレラストーリー34、35、36)。
    2. カテゴリ流暢 (アクション、セマンティック カテゴリ、F、A、S で始まる単語)。
    3. 単語の読み取りと繰り返し (名詞、動詞、形容詞、単語以外、長さと頻度で一致)。
    4. スノドグラス オブジェクトの名前付け(n = 260 37)。
    5. 聴覚命名 (n =60 38)。
    6. ハイクローズ文完成(30分)
    7. バーミンガムオブジェクト認識バッテリー(BORB、長さを含む |サイズ |オリエンテーション |ギャップマッチング |重なり合うフィギュア |予言ビュー |オブジェクトの現実の決定 39)。
    8. 聴覚最小ペア差別(例えば、pa対da、ga対ta 31、40)。
    9. 文画像マッチング(可逆的なパッシブ40を含む)。
    10. カラーネーミングとファーンズワースマンセル色相ソート41.
    11. ケンブリッジフェイステスト30、42 .
    12. カリフォルニア州言語学習テスト (43)
    13. ウェシュラーIQ (44,45,46)言語の結果を評価するための重要な手段は、テスト 4 - 6 です。より広範な能力を特徴付けることは、命名テストの障害が一般的なパフォーマンス低下によるものではないことを保証します 47 .
      注:過去には、ソフトウェアプレゼンテーションプラットフォームの組み合わせを使用して、術前および術後のテスト中に刺激プレゼンテーションと応答記録を制御しました。現在、機能的MRI中のすべての認知テスト(術前、術後試験)、刺激プレゼンテーションと応答記録をサポートする単一のプラグアンドプレイプラットフォームを設計しています(StrongView TMの説明については以下を参照)。).StrongViewは、組み込みの神経心理学的テストと共に、www.openbrainproject.orgでダウンロード(オープンライセンス)を利用できるようになります。

4. 神経麻酔と術中言語マッピングの人間工学

  1. 目を覚ます頭蓋切開術 48,49,50のための麻酔技術を使用します。;ロチェスター大学では、覚醒頭蓋は通常、眠覚醒アプローチを使用して行われます。
  2. 彼らは認知機能を損ない、出現せん妄に貢献することができるので、抗けいれん薬や抗不安薬などの前投薬を避けてください。.
  3. 標準モニタ(EKG、NIBP、パルスオキシメトリー)を適用し、静脈内フェンタニル(0.5 mg/kg)、リドカイン(1-1.5mg/kg)およびプロポフォール(1-2 mg/kg)で全身麻酔を誘導する。
  4. 機械的換気のために上気道を使用してください。
  5. 固定されたフレームで固定された頭部で患者を横または半横に置きます。ビデオで説明されているように、患者の位置決めは病変の位置と計画された開頭術の窓に依存する一方で、患者が手術中に一度目を覚ますと、患者が認知検査の種類を考慮に入れる。
  6. ピンおよび切開部位に鎮食薬を塗布する(0.5%リドカインの30mL、0.5%センサカインプレーンの30mL、重炭酸ナトリウム6mL)。この期間中、テスト機器(小型モニター、ビデオカメラ、指向性マイク)を配置します。
  7. 患者の脳の術前臨床マッピングの結果、機能的な脳マッピング研究、および術中マッピング計画の結果に従って重み付けが異なる複数の要因によって開頭窓のサイズを決定する。ビデオで説明されている場合、出席外科医(ピルチャー博士)は、支配的な半球の肯定的な言語と運動部位をマップするための完全なアクセスを持つために大きな頭蓋摘出術を選択しました。
  8. 覚醒期の開始時に、鎮痛を中止する(局所鎮痛薬は切開前に適用される)。
  9. 患者が意識を取り戻したら、上隔性気道を取り除く。覚醒段階の間に、または最小限の下降の間に、または最小限の間のすできはありません。
  10. 電気皮質検査(ECoG)を使用して、放電後(皮質刺激によって誘発されるサブ臨床てんかん放出)を監視し、DESレベルが排出後閾値のすぐ下に設定されていることを確認します。DES マッピング手順は、放電後のしきい値を見つけ、刺激振幅を調整します (.5 ミリアプのステップ)。
  11. 出席外科医の裁量でマッピングセッション全体(2~15 mA)全体の刺激振幅を調整します。患者はモニターで刺激を見て、話し、彼らの前腕および手を動かすことができる。

5. 術中直接電気刺激マッピング中に研究グレードのデータを取得する手順

  1. www.openbrainproject.orgで利用可能な「StrongView」と呼ばれるカスタム構築されたハードウェア/ソフトウェアシステム上で、術中認知テストをすべて実行します。ハードウェアフットプリントは、小さなカートに自己完結型で、独立したバックアップバッテリ電源、スピーカー、キーボード、タッチディスプレイが装備されています。認知テストの実行を担当する人は、ケースの間に継続的に記録(オーディオとビデオ)しながら、刺激プレゼンテーションを開始、停止、および一時停止することができます。
  2. カートのオーディオシステムを使用して、患者の口の上で訓練された指向性マイクがスプリッタを通して供給されます。スプリッタから出てくる1つのチャンネルは、アンプを通過し、スピーカーに直接行きます。これにより、外科医や研究者は、知覚遅延ゼロ(すなわち「エコー」効果を排除する)で手術室のバックグラウンドノイズに対する患者の反応を容易に聞くことができます。スプリッタからの2番目のチャネルは、タイムスタンプが付け、記録され、保存されているモバイルカート上のPCに移動します(これらのファイルはオフライン分析に使用されます)。StrongViewはまた、患者に訓練された第二方向マイク、外科医に訓練された指向性マイク、および部屋のトーンをサンプリングするために手術室の隅に「ノイズ」マイクで構成される独立した(スタンドアロン)オーディオシステムを持っていますメインオーディオファイルから減算します。これらの 3 つのオーディオ チャンネルは、MIDI にフィードし、各チャンネルを個別に記録する 2 台目のコンピュータにフィードします。この第2のオーディオシステムは、プライマリシステムが故障した場合に冗長性を提供し、患者のすべての口頭応答がオフライン分析に利用できるようになります。
  3. ORテーブルクランプを使用して、市販のエーテルスクリーンLブラケットを手術室(OR)テーブルに取り付けます。アーティキュレーションアーム(例えば、マンフロット244可変摩擦マジックアーム)をエーテルスクリーンLブラケットに取り付け、それらの関節アームは患者モニター、指向性マイク、患者の顔に訓練されたビデオカメラ、および補助モニターをサポートします。研究チームのメンバーまたは手術室の看護師が患者と対話している間に患者が見るものを容易に見ることを可能にする。
  4. 腕に沿って画面、マイク、カメラに必要なすべてのケーブルを実行し、ベルクロで固定されたプラスチックチューブで保護します。
    注:この装置のどれも、フィールドの非滅菌側にある(これまでにない)ように殺菌する必要はありません(図1)。刺激のプレゼンテーションおよび応答記録装置をサポートするこの方法は、ケースによって異なる患者の位置決めに従って認知テストの異なるアーゴノミックスを考慮に入れる最大の柔軟性を提供し、まだ信頼性の高い提供します機器を取り付ける安定したプラットフォーム。また、重要なのは、すべてのモニタ、マイク、カメラが単一のデバイス(エーテルスクリーンLブラケット)を介してORテーブルに取り付けられているため、ケースの間にテーブルの位置が調整された場合、これはテストセットアップに影響を与えません。(図1に示すセットアップは、床に取り付けられたスタンドが患者の画面、マイク、ビデオカメラをサポートしていた以前の世代のセットアップから、そのフロアマウントスタンドはエーテルスクリーンLブラケットに2018年から交換されています)。また、患者の安全のために重要なことは、認知検査のセットアップ全体を、患者への完全かつ妨害のないアクセスを義務付ける緊急の状況が存在する場合(例えば、患者に対して、例えば、患者に対して)を存在する場合、ケースの間に20秒以内に分解することができます。気道)。
  5. StrongViewの心臓部は、i)患者に刺激(視覚、聴覚)を提示し、患者の応答(口頭、ボタン応答、ビデオ)を記録するための柔軟なソフトウェアシステムであり、すべての実験的に関連するイベントを一時的に登録し、対策(刺激、ECoG、直接電気刺激プローブの脳との接触、患者の応答);iii)および頭蓋ナビゲーションシステムとの通信は、直接電気刺激の適用ごとに3次元座標を得る。StrongViewは刺激持続時間、刺激間間隔、ランダム化、繰り返しまたは刺激のブロックの数、および患者のビデオおよびオーディオチャネルの制御のような実験変数のオンライン再校正を可能にする。StrongViewは患者のビデオカメラ、オンラインECoGデータ、および患者が現在見ている/聴覚している刺激をデスクトップディスプレイにストリーミングし、外科医の視線にある大型モニターにもミラーリングされる。
  6. 患者モニターにフォトダイオードを取り付け、ECoGアンプの開いているチャネルに供給する。これにより、各刺激のプレゼンテーションとオフライン分析用の ECoG の間の時間的な同期が提供されます。
  7. 術前MRIに基づく術中頭蓋骨ナビゲーションのための外科チームによるすべての場合(ロチェスター大学、ブレインラボ社、ドイツ、ドイツ)の頭蓋ナビゲーションハードウェアとソフトウェアを使用してください。これは、手術場を表示し、手術台に貼付された固定登録星を介して患者の頭部を登録する一連のカメラからなる光学系です(図1参照)。
    1. 具体的には、患者がヘッドホルダーに設定された後、ドレープする前に、患者の顔面生理学を使用して、患者の頭部を術前MRIに登録する。これは手術前のMRI(機能および構造)が手術台の患者の脳と直接整列するように持って来ることを可能にする。
    2. 双極刺激器(図1参照)に2つ目の(はるかに小さい)登録星を取り付け、刺激器の長さとフィールドの位置を登録するために使用します。これにより、研究チームは、術前MRIに対する刺激の各点の正確な位置と切除の余白を取得することができます。前述のように、StrongViewは頭蓋ナビゲーションシステム(ロチェスター大学、BrainLab、IGTリンクによる接続)と接続され、直接電気刺激マッピングの座標のリアルタイムストリーミング(およびタイムスタンプ)を可能にします。StrongViewは現在、他の頭蓋骨ナビゲーションシステム(例えば、ストライカー)とインターフェースするために開発されています。
      注:認知およびfMRI実験中の管理とデータ収集をサポートするStrongViewの側面は、テストのライブラリと共に、OpenBrainProject.orgで利用可能になります(オープンアクセス)。ベータ版は、対応する著者に連絡して、完全なリリースの前に利用可能です。Electrocorticographyおよび頭蓋ナビゲーションソフトウェアと統合するハードウェアシステムを含むStrongViewスイート全体は、対応する著者に連絡することで臨床医や科学者に利用可能です。これらのデータ取得ツールは、後処理パイプラインとオープンデータコンソーシアムと組み合わされ、2020年にOpenBrainProject.orgで開始される予定です。

Representative Results

図2、図3、および図4は、脳の雄弁領域に隣接した腫瘍を有する3人の患者に対する術前機能および構造マッピングの代表的な結果を示す。2、3、および図4に示す調査結果は、各患者に対して生成されるマップの種類を示す (網羅的な要約ではなく) を示すことを目的としています。図2、図3、図4に示されている症例の詳細は、図2(チェルノフ、テギプコ、ガルシア、シムズ、ベルキル、ポール、ティヴァルス、スミス、ヒンツ、ピルチャー、マホン、プレス51)、図3で見つけることができます。 (チェルノフ、シムズ、スミス、ピルチャーとマホン、201952)、および図4(Garcea et al., 201716)。神経膠腫患者を均一なプロトコルに連続的に採用した結果は、脳腫瘍がネットワーク機能および組織に及ぼす影響を評価するグループレベルの分析を可能にするということです。この種の分析の一例として、図5は、左頭蓋皮質の腫瘍が側頭葉の「ツール」(小さな可動性物体)に対する神経応答を調節したことを発見した最近の研究14の結果を示す。動的ジアシェシス53と呼ばれるより一般的な現象。

Figure 1
図 1.術外および術中認知テストに使用される機器の概要(A) ロチェスター大学医療センターの神経外科における翻訳脳マッピングプログラムによって実施される高スループット認知神経心理学的検査の例。すべての募集された患者がすべての計画されたテストを完了できることを保証するための重要な要素は次のとおりです:i)患者が座る場所と、各患者のサイズに完全に調整可能な完全な検査を行う場所(特に減らすように設計された椅子を含む)。疲労、およびii)MRIに物理的に隣接する認知/行動テストを見つける。これらの要素は患者が施設を訪問し、コア行動データが測定されるのと同じセッション内で機能および構造MRIを完了することを可能にする。参加者は、特に長期間座って不快にさせることができる他の併存の高齢の参加者の場合は、より良いパフォーマンスでより多くの試験を完了します。(B) 術中マッピング中に使用される機器。左の画像は、ドレープされる前の患者を示しています(右はドレープ後です)。ドレープの前に、認知科学チームは、患者のオーディオレコーダーとビデオレコーダー、患者の視線の前に配置されたモニター、患者と一緒に働く人が簡単にできるように配置された2台目のモニターを含む機器をセットアップします。患者が現在探している刺激を参照してください(詳細については「手順」を参照してください)。(C) 術前MRI DICOM空間における術中刺激の記録位置に登録星が付着した双極刺激剤。通常、硬膜が引き込まれ、患者が全身麻酔から目覚めている手術の時点で、双極刺激剤を現場に登録する数分がある。これは、ケースにスクラブされたチームメンバー(すなわち、外科医または常駐外科医またはスクラブ技術/看護師のいずれか)によって行われる必要があります。これは、双極刺激器に小さな登録星を取り付け、頭蓋ナビゲーションシステムの指示に従ってフィールドに新しい機器を登録することによって達成されます。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図 2.術前機能MRIおよび拡散テンソルイメージング(DTI)は、左下頭蓋神経膠腫を有する患者AHにおいて、筋膜筋膜に浸潤した。(A) 手術前T1 MRIおよび左円弧筋膜および神経膠腫の3D再構成。 円弧筋膜は、青色で再構成された腫瘍と5%の閾値でオレンジ色で示される。(B) 術前機能MRI.患者は、外科的介入の領域に隣接すると予想された機能をマッピングするように設計された機能的MRIのいくつかのセッションを完了しました。すべてのマップは FDR q < .05 以上でしきい値化されます。青色は、動物と比較してツールを命名する際に差動神経応答を示すボクセルです。同じ刺激を使用して私たちの研究室からの以前の研究に沿って、堅牢なネットワークは、前運動、頭頂部、および側および心室の側頭部領域7、8、9、10を含む識別される。 14,15,17,18,19,20,21,22,28.患者はまた、ドットの2つの雲のうちどちらがより多くのドットを持っていたかを判断しなければならなかった数値タスクを実行するように求められました。ドットの2つの雲は、類似した数のドット(ハード比較、比率= 0.8)または非常に異なる数のドット(簡単な比較、比率= 0.25)のいずれかを持つことができます。緑色では、難しい刺激(比=.8)を超えてタスクを実行する際に差動神経応答を示すボクセル(比=.2554,55)である。 患者はまた、彼の手と足を動かすために求められました(屈曲/延長または回転25)。赤色は、右足の動きと比較して右手の動きに対する差動神経反応を示したボクセルです。最後に、患者は様々なカテゴリー(例えば、「台所で行うこと」、'動物'、'F'で始まる単語など)から30秒で考えることができる限り多くのアイテムを生成するように求められました。紫色では、固定/休息と比較して、オプレットワード産生のための差動神経活動を示したボクセルです。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図 3.前操作前の白色物質トラクグラフィーの前のアスラント路および隣接するU字型繊維。翻訳脳マッピングプログラムの以前の経験 (Chernoff et al., 201756)前頭アスラント管に隣接する神経膠腫患者の脳マッピングを用いて、この経路の(部分的な)切除が関連できることを実証した自発的なスピーチの不調を伴い、話し言葉の繰り返しはそのまま残ることができます。その以前の経験は、患者AI11における前頭アスラント管の術前マッピングを知らせるために使用された。(A) 正面のアスラント管(青い水色)とあなたの形の繊維(赤黄色)を示すコロナスライス。前頭アスラント管は、単に前部と中間をグリオーマに渡します。(B) 多元的な傾斜路(青)と腫瘍(赤)の3Dレンダリング術前解剖学的研究(パネルAおよびB)は、腫瘍切除の終わりに、直接電気刺激マッピングを使用して腫瘍の前縁を定義することが可能であることを示した。したがって、我々は、特に前頭のアスラント管の刺激が文法的なフレーズの境界で文の生産を妨害するかどうかをテストするために、我々の以前の経験に基づいて新しい言語タスクを設計しました。(C) 正面のアスラント管の直接的な電気刺激は、文法的なフレーズの境界で文章の生産を差別的に妨害する。ビデオからのスクリーンショット(パネルC、左)は、患者、彼が提示された刺激、腫瘍の前縁の前頭角路と接触する双極刺激器を保持する外科医の手、および冠状動脈および前頭アスラント管(青)に対する現在の刺激位置(赤い点)の矢状スライス。患者のタスクは、参照形状の位置に関連してターゲット形状の空間的関係を記述することになっていました(示された試験では、正しい応答は「赤い正方形は赤いダイヤモンドの下にあります」)。我々は、前頭アスラント管の刺激が文の生産を妨害し、新しい文法フレーズの開始時に差別化を図ることがわかった(パネルC、右のグラフ;この患者の術中マッピング手順のビデオについては、www.openbrainproject.org) この観察は、文の生産における正面のアスラント管の役割に関する新しい仮説を動機づける:位置要素(SCOPE)仮説11に対するシンタグマティック制約。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 

Figure 4
図 4.術前の機能的および構造的なMRIおよび術中直接電気刺激マッピング右後側側頭葉の神経膠腫を有するプロのミュージシャンの。(A) 高レベルの視覚処理、言語生産、およびツール知識の術前fMRIマッピング。腫瘍は、黄色に陰を付け、右の側頭葉に、右上質の側頭硫黄(可視化を容易にするためにわずかに膨張した)を通して見える。腫瘍は横側側皮質の運動処理領域の近くに位置していたため、患者が静止したドットによって引き起こされた神経活動に移動するドットの配列に出席したときの神経活動を比較することにより、MT/V5を局在化した。静的ドットと比較して運動に対する差動神経応答を示すボクセルは、紫白色スケールにプロットされます(この機能的なローカライザの開発を支援してくださで、Duje Tadinに感謝しています)。翻訳脳マッピングプログラムで研究された他のすべてのケースについては(例えば、図 2,図 3)、一般的な画像の命名のための差動神経応答を示すボクセルは、同じ画像のフェーズスクランブルバージョンを表示するベースラインと比較されます。これは緑と白のカラースケールでプロットされます。その対照は、両側側後頭複合体、両側中間/優れた側頭部ジラー、および運動皮質(音声運動活動に関連する)を同定した。また、図 2、左下頭葉、両側優れた頭頂頭葉/後頭部皮質、左後部中/下側側側皮質(青白色スケール)に「ツール」と命名した際に差異神経応答を示すボクセルが見つかった。最後に、そして再び図 2、患者は、言語流暢な単語の生産タスクを完了するように求められました。安静時ベースラインと比較して単語生成に関連するボクセルは、赤白色スケールでプロットされ、左下前頭骨(ブロカの領域)、優れた側時間/下頭側皮質、および音声運動システムで見つかった。(B)患者は、特に音楽処理をマッピングするために、手術前に複数の機能的MRI実験を完了した。ある実験では、グレッグ・ヒッコックの研究室からの以前の研究をモデル化した57、患者は短いピアノのメロディーを聞いて、メロディーをハミングしなければならなかった、または短い文章を聞いて、文章を繰り返さなければならなかった。赤紫色の色スケールで脳にプロットされたボクセルは、言語よりも音楽の差異神経活動を示したボクセルです。4人のイーストマン音楽学校大学院生が同じfMRI実験を完了しました。一致する正常なコントロールで同じ機能コントラストで識別される領域の境界線は、緑色のアウトラインでプロットされます。さらに、他の10人の神経外科患者は、治療の術前段階においても、同じ実験を完了した。これらの10人の患者の近接目標は、言語応答領域(言語と音楽のコントラストを引き出す)を特定することでしたが、音楽>言語のコントラストは、右の優れた側頭症(機能の境界線)の非常に類似した領域を識別する10コントロール神経外科患者からの領域は、水色で描かれています)。(C)患者AEの腫瘍に関連して右の音響放射線および筋膜を示すDTIデータ上の術前確率的なトラクトグラフィー(5%閾値、ネイティブT2重み付け画像上に重ね合わされる)。(D)手術中、患者AEはfMRIの間と同じ作業を行い、短いピアノのメロディーを聴いてハミングしたり、短い文章を繰り返したりしました。右後部の優れた時間的なジャイルへの直接的な電気刺激は、メロディー(一部の試験)で行われたときに繰り返しタスクのパフォーマンスを中断したが、同じ繰り返しタスクのパフォーマンス(任意の試行)に影響を与えなかったことが判明した。(術中音楽マッピングのビデオについては、www.openbrainproject.orgを参照してください)。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図 5.ドメイン特異的ジアシェシスのデモンストレーション:グリアマ患者のグループ全体にわたる病変位置と刺激誘発神経活動の関係の分析は、翻訳脳プログラムで術前に研究した。ロチェスター大学医療センターの翻訳脳マッピングプログラムを通過するすべての患者に機能的MRIと行動研究の共通セットを管理する重要な結果は、グループレベルを実行する機会です連続して研究された患者のより大きいセットの分析。例として、図5は、側頭葉の「ツール」に対する神経応答が頭頂皮質からの入力によってオンラインで変調されるという基礎科学仮説の結果を示す。その仮説が正しければ、頭頂皮質の病変(腫瘍)は、側頭葉の神経応答を「ツール」に変えるべきであり、側頭葉の「ツール」に対する神経活動における患者間の分散は、病変の存在と相関する必要があります(頭頂皮質の腫瘍)。(A)頭頂皮質に対する病変は、側頭葉の腹部表面上の中間フシフォーム・ジャラスにおける神経応答における患者間の分散からグループレベル(ロジスティック回帰)で予測される。(B) 中間フシフォーム・ジルのツールに対する神経応答は、病変/腫瘍が前部イントラパタール・サルカス(aIPS)を含むかどうかの分散からグループレベル(ロジスティック回帰)で予測される。パネルAとBに要約された所見は、動的diaschesis53のインスタンスを表し、この場合は「ドメイン特異的」動的ジアシェスは、病変位置と神経活動の関係が処理される刺激の種類によって調節されるため(すなわち、関係はツールのために存在し、場所、顔や動物のためではない)-詳細については、Garceaと同僚14を参照してください。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 

Discussion

ロチェスター大学で翻訳脳マッピングプログラムを設立した経験から得られた知識は、2つのコア要素に蒸留することができます。第一に、認知科学者、神経腫瘍学者、神経心理学者、てんかん学者、神経生理学者、神経麻酔科医、神経外科医、およびそれぞれの支援の間で、構造化されたコミュニケーションチャネルが確立されました。技術者と管理サポート。これにより、緊急の高品位腫瘍患者を含む患者は、手術前の評価を受け、手術前に手術前の評価を受け、手術前に手術前に分析を外科医に回すことができます。脳マッピングプログラムの成功に不可欠な第2の要素は、学部生、大学院生(MS、博士課程)の学生、医学生、ならびに神経外科、神経学および神経放射線学の居住者のための訓練の機会を折りたたむことです。仲間。これらの2つの要素の組み合わせは、脳マッピングプログラムの科学的目的を持つすべての臨床提供者を従事させるのに役立ち、基本的な科学の目的は、すべての患者の結果を最適化する臨床目標と絡み合っていることを保証します。

Disclosures

暫定特許(米国暫定特許番号62/917,258)は、11/30/18に「StongView:覚醒脳外科手術中の認知テストを容易にし、サービスにおけるリアルタイム分析をサポートするための統合ハードウェア/ソフトウェアシステム」を出願しました。患者の結果を予測する」

Acknowledgments

この研究は、NIH助成金R21NS076176、R01NS089069、R01EY028535、およびBZMへのNSFグラントBCS-1349042、およびロチェスター大学視覚科学センターのプレドクタートレーニングフェローシップ(NIHトレーニンググラント5T32000122)によってサポートされました。私たちは、ロチェスター医科大学の視覚科学センターにコア助成金P30EY00131によってサポートされたStrongViewの開発に関するキース・パーキンズの研究に感謝しています。ロチェスター大学の翻訳脳マッピングプログラムは、ノーマンとアーリーン・リーンハウツの支援を受け、ウィルモット癌研究所からケビン・ウォルター博士とブラッドフォード・マホン博士への助成金を得て設立されました。ロチェスター大学医療センターの翻訳脳マッピングプログラムに関する情報は、次の場所www.tbm.urmc.edu。

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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).

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