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Asignación de cerebro traslacional en el Centro Médico de la Universidad de Rochester: Preservar la mente a través de la asignación cerebral personalizada

Neuroscience
 

Summary

Este artículo proporciona una visión general de un programa de mapeo cerebral multimodal diseñado para identificar regiones del cerebro que apoyan las funciones cognitivas críticas en pacientes de neurocirugía individuales.

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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

El Programa de Cartografía Cerebral Traslacional de la Universidad de Rochester es un esfuerzo interdisciplinario que integra ciencia cognitiva, neurofisiología, neuroanestesia y neurocirugía. Los pacientes que tienen tumores o tejido epileptogénico en áreas cerebrales elocuentes se estudian preoperatoriamente con resonancia magnética funcional y estructural, e intraoperatoriamente con mapeo directo de estimulación eléctrica. Las medidas de resultados neuronales y cognitivos postoperatorios impulsan los estudios científicos básicos sobre los factores que median bien frente a los malos resultados después de la cirugía, y cómo el mapeo cerebral se puede optimizar aún más para garantizar el mejor resultado para los futuros pacientes. En este artículo, describimos el flujo de trabajo interdisciplinario que permite a nuestro equipo cumplir con los objetivos sinérgicos de optimizar el resultado del paciente y avanzar en la comprensión científica del cerebro humano.

Introduction

Las intervenciones neuroquirúrgicas para extirpar tumores cerebrales o tejido epileptogénico adyacentes a áreas cerebrales que apoyan las funciones cognitivas críticas deben equilibrar el objetivo clínico de la cirugía (eliminar tanto tumor, o tejido epileptogénico como sea posible) tejido sano que podría causar déficits neurológicos. En el contexto de la cirugía de tumor cerebral, este equilibrio se conoce como el equilibrio oncofuncional. En el lado 'onco' de la balanza, los cirujanos quieren extirpar la mayor cantidad posible del tumor,ya que las tasas de "resección total bruta del tumor" están vinculadas a una supervivencia más larga 1,2. En el lado "funcional", la extirpación de tumores puede dañar sustratos corticales y subcorticales de la cognición; las dificultades postoperatorias pueden involucrar el lenguaje, la acción, la visión, la audición, el tacto o el movimiento, dependiendo del sistema neural afectado. El equilibrio oncofuncional es de vital importancia porque el aumento de la morbilidad está asociado con i) menor calidad de vida, ii) mayores complicaciones postoperatorias que pueden aumentar la mortalidad (por ejemplo, los pacientes que ya no pueden moverse son con mayor riesgo de coágulos sanguíneos3,4). La tensión inherente al equilibrio "oncofuncional" en el entorno de la cirugía tumoral cerebral se traduce también en la cirugía de epilepsia — allí el equilibrio está entre el objetivo clínico de extirpar todo el tejido que está generando convulsiones, sin eliminar el tejido que soporta funciones críticas.

A un nivel amplio, la neuroanatomía funcional es altamente estereotipada de individuo a individuo. Sin embargo, puede haber un alto grado de variabilidad individual en la ubicación precisa (es decir, mm a mm) de funciones corticales más altas. Además, generalmente se reconoce que la presencia de patología cortical o subcortical puede estimular la reorganización cortical, aunque los principios que impulsan dicha reorganización no se entienden mal5. Las intervenciones neuroquirúrgicas proceden milímetro a milímetro. Por lo tanto, es fundamental mapear el cerebro de cada paciente, en detalle y con sensibilidad y precisión, para entender qué regiones de ese paciente específico apoyan qué funciones sensoriales, cognitivas y motoras6.

El Programa de Cartografía Cerebral Traslacional de la Universidad de Rochester ha sido diseñado para satisfacer las necesidades de mapeo cerebral personalizado en el entorno de una práctica de alto uso a través de la universidad que abarca múltiples cirujanos académicos. Los objetivos sinérgicos del Programa de Mapeo Cerebral son i) utilizar las herramientas de la neurociencia cognitiva para avanzar en la neuromedicina personalizada, en forma de mapas cerebrales funcionales específicos del paciente, y ii) utilizar la preparación clínica de intervenciones neuroquirúrgicas para probar hipótesis mecanicistas sobre cómo funciona el cerebro humano.

Protocol

Las actividades que se muestran en el video y descritas en este documento se encuentran dentro de un IRB de riesgo mayor que mínimo en el Centro Médico de la Universidad de Rochester.

1. Reclutamiento

  1. Establecer un programa de alto a través de la marcha para la evaluación cognitiva y basada en RMN preoperatoria para atrapar a los pacientes de todos los proveedores de referencia de manera oportuna y eficiente. Involucrar al personal administrativo y clínico en el esfuerzo más amplio.
    NOTA: Un paso concreto que ha demostrado ser eficaz fue el establecimiento de una lista de correo electrónico grupal que es enviada automáticamente por el cirujano asistente (o alguien en su personal de apoyo) cuando un nuevo paciente se presenta a la clínica que puede ser un candidato para el reclutamiento en el cerebro Programa de mapeo.

2. Mapeo de resonancia magnética preoperatoria

  1. Adquiera datos de RMN en un escáner de RMN 3T con una bobina de cabezal de 64 canales en el Centro de Imagen Cerebral Avanzada y Neurofisiología (formalmente conocido como el "Centro de Imágenes Cerebrales de Rochester") en la Escuela de Medicina de la Universidad de Rochester. Utilice secuencias estándar para BOLD MRI y DTI que permitan imágenes cerebrales completas, como se describe en publicaciones anteriores7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.
  2. Supervise la fijación y registre la respiración y la frecuencia cardíaca recogidas durante todo el fMRI para la regresión del ruido confunde26,27.
    NOTA: En los últimos 10 años, hemos desarrollado una biblioteca de experimentos funcionales de resonancia magnética para mapear el lenguaje (hablado, auditivo, palabras simples, frases enteras), función motora (desde movimientos intransitivos de dedo, lengua y pies hasta acciones transitivas de alto nivel), música conocimientos de capacidad, matemáticas y números, y función sensorial básica (por ejemplo, mapeo retinotópico al mapa de procesamiento visual de bajo nivel11,14,24). Todos los experimentos, materiales y scripts de análisis están disponibles en www.openbrainproject.org.

3. Pruebas neuropsicológicas

  1. Tenga cuidado durante todas las pruebas cognitivas para asegurarse de quelos pacientes se sienten cómodos, se garantice el uso de una configuración ergonómicamente optimizada (Figura 1) y mediante la construcción de pausas frecuentes (cada 8 minutos) en la estructura de todas las pruebas.
  2. Hacer que todos los pacientes con tumores de bajo grado completen las siguientes pruebas 1 mes antes de la cirugía, 1 mes después de la cirugía y 6 meses después de la cirugía (las pruebas 12 y 13 se completan solo en los puntos de tiempo preoperatorios y 6 meses postoperatorios)28,29 ,30,31,32.
    1. Discurso espontáneo (Cookie Theft Picture33, Cenicienta Story34,35,36).
    2. Fluidez de categoría (acciones, categorías semánticas, palabras a partir de F, A, S).
    3. Lectura y repetición de palabras (nombres, verbos, adjetivos, no palabras, coincidiendo con la longitud y la frecuencia).
    4. Nomenclatura de objetos snodgrass (n a 26037).
    5. Nomenclatura auditiva (n a 6038).
    6. Finalización de la sentencia High-Cloze (30 min).
    7. Batería de reconocimiento de objetos de Birmingham (BORB, incluida la longitud de la longitud? Tamaño de la aplicación ? Orientación ? Coincidencia de brechas ? Cifras superpuestas ? Vistas escorzadas Decisión39de la Realidad del Objeto ).
    8. Discriminación de pares mínimos auditivos (p. ej., pa vs. da, ga frente a ta31,40).
    9. Coincidencia de imágenes de frases (incluidas las pasivas reversibles40).
    10. Nombres de color y Farnsworth Munsell Hue Sorting41.
    11. Cambridge Face Test30,42.
    12. Prueba de Aprendizaje Verbal de California (43)
    13. Weshler IQ (44,45,46). Las medidas clave para evaluar el resultado del lenguaje son las pruebas 4-6; caracterizar habilidades más amplias garantiza que las deficiencias en las pruebas de nomenclatura no se deban a una disminución general del rendimiento47.
      NOTA: En el pasado, hemos utilizado una combinación de plataformas de presentación de software para controlar la presentación de estímulos y la grabación de respuestas durante las pruebas pre y postoperatorias. Actualmente estamos diseñando una única plataforma plug-and-play para apoyar todas las pruebas cognitivas (pruebas pre, intra y postoperatorias), así como la presentación de estímulos y la grabación de respuestadurante durante la RMN funcional (ver más abajo para la descripción de StrongViewTM ). StrongView, junto con las pruebas neuropsicológicas incorporadas, estarán disponibles para su descarga (licencia abierta) en www.openbrainproject.org.

4. Neuroanestesia y ergonomía de la cartografía intraoperatoria del lenguaje

  1. Utilizar técnicas anestésicas para despertar craneotomías48,49,50; en la Universidad de Rochester, las craneotomías despiertas se realizan típicamente usando un enfoque dormido-dormido.
  2. Evita las premedicaciones como anticonvulsivos y ansiolíticos, ya que pueden afectar la función cognitiva y contribuir al delirio de emergencia.
  3. Aplicar monitores estándar (EKG, NIBP, oximetría de pulso) e inducir anestesia general con fentanilo intravenoso (0,5 mg/kg), lidocaína (1-1,5 mg/kg) y propofol (1-2 mg/kg).
  4. Utilice una vía supraglotótica para la ventilación mecánica.
  5. Coloque al paciente lateralmente o semilateralmente con la cabeza fijada en un marco anclado; como se describe en el video, el posicionamiento del paciente depende de la ubicación de la lesión y la ventana de craneotomía planificada, teniendo en cuenta también que los tipos de pruebas cognitivas se le pedirá al paciente que realice una vez despierto durante la cirugía.
  6. Aplicar analgesia en el pasador y en el lugar de la incisión (30 ml de lidocaína al 0,5%, 30 ml de llanura de sensorcaína al 0,5%, 6 ml de bicarbonato sódico). Durante este período, coloque el equipo de prueba (monitor pequeño, cámaras de vídeo, micrófonos direccionales).
  7. Determinar el tamaño de la ventana de craneotomía por múltiples factores, que varían en su ponderación de acuerdo con los resultados de la cartografía clínica preoperatoria del cerebro del paciente, estudios funcionales de mapeo cerebral y el plan para la cartografía intraoperatoria. En el caso descrito en el video, el cirujano asistente (Dr. Pilcher) eligió una craneotomía grande con el fin de tener acceso completo al lenguaje positivo del mapa y a los sitios motores en el hemisferio dominante.
  8. Al comienzo de la fase de despertar, interrumpa la sedación (los analgésicos locales se aplican antes de la incisión).
  9. Retire las vías respiratorias supraglotóticas una vez que el paciente recupere la conciencia. No hay sedación o mínima durante la fase de despertar.
  10. Utilice la electrocorticografía (ECoG) para monitorizar las descargas posteriores (descargas epileptiformes subclínicas inducidas por estimulación cortical) para asegurarse de que los niveles de DES se establecen justo por debajo del umbral de descarga posterior. El procedimiento de mapeo DES se inicia mediante la búsqueda del umbral de post-descarga y el ajuste de la amplitud de estimulación (en pasos de .5 miliamperios).
  11. Ajuste la amplitud de estimulación durante toda la sesión de mapeo (2 a 15 mA) a discreción del cirujano asistente. Los pacientes ven los estímulos en un monitor y pueden hablar y mover sus antebrazos y manos.

5. Procedimientos para adquirir datos de grado de investigación durante la cartografía de estimulación eléctrica directa intraoperatoria

  1. Ejecute todas las pruebas cognitivas intraoperatorias en un sistema de hardware/software personalizado llamado 'StrongView', disponible en www.openbrainproject.org. La huella de hardware es independiente en un carro pequeño y está equipada con una fuente de alimentación de batería de respaldo independiente, altavoces, teclado y pantalla táctil. La persona encargada de ejecutar las pruebas cognitivas puede iniciar, detener y pausar la presentación del estímulo, mientras que la grabación continua (audio y vídeo) durante el caso.
  2. Utilice un sistema de audio en el carro de tal forma que un micrófono direccional que se entrene en la boca del paciente, que se alimenta a través de un divisor. Un canal que sale del divisor pasa a través de un amplificador y directamente a un altavoz. Esto permite a los cirujanos e investigadores escuchar fácilmente las respuestas del paciente contra el ruido de fondo del quirófano con cero retardo perceptible (es decir, eliminar los efectos de 'eco'). El segundo canal del divisor va al PC en el carro móvil, donde se marca el tiempo, se registra y se almacena (estos archivos se utilizan para el análisis sin conexión). StrongView también tiene un sistema de audio independiente (independiente) que consiste en un segundo micrófono direccional también entrenado en el paciente, un micrófono direccional entrenado en los cirujanos, y un micrófono de "ruido" en una esquina del quirófano para tomar muestras de tono de la sala para la resta de los archivos de audio principales. Esos tres canales de audio se alimentan a un MIDI, y a un segundo ordenador que graba cada canal por separado. Este segundo sistema de audio proporciona redundancia en caso de que el sistema primario falle, todas las respuestas verbales del paciente estarán disponibles para el análisis fuera de línea.
  3. Coloque un soporte L de pantalla de éter disponible en el uso comercial a la mesa del quirófano (OR) utilizando una abrazadera de mesa OR. Conecte los brazos articulados (por ejemplo, Manfrotto 244 Variable Friction Magic Arms) a la pantalla de éter L-bracket, y los brazos articulados apoyan el monitor del paciente, micrófonos direccionales, cámara de video entrenada en la cara del paciente y un monitor auxiliar para permitir que un miembro del equipo de investigación o enfermero de quirófano vean fácilmente lo que el paciente ve mientras interactúa con el paciente.
  4. Ejecute todos los cables necesarios para las pantallas, micrófonos y cámara a lo largo del brazo y protéjalo mediante tubos de plástico asegurados con Velcro.
    NOTA: Ninguno de estos equipos necesita ser esterilizado como está (sólo nunca) en el lado no estéril del campo (Figura1). Esta forma de apoyar la presentación de estímulos y el equipo de registro de respuesta proporciona la máxima flexibilidad para tener en cuenta la diferente ergonomía de las pruebas cognitivas de acuerdo con el posicionamiento del paciente, que varía caso por caso, pero proporciona una y plataforma estable en la que conectar el equipo. Además, y lo que es más importante, debido a que todos los monitores, micrófonos y cámaras están conectados a la mesa OR a través de un solo dispositivo (pantalla de éter L-bracket), si el posicionamiento de la tabla se ajusta durante el caso esto no afecta a la configuración de prueba. (Tenga en cuenta que la configuración que se muestra en la Figura 1 es de una configuración de generación anterior en la que un soporte montado en el suelo soportaba la pantalla del paciente, el micrófono y la cámara de vídeo; ese soporte montado en el suelo se ha reemplazado desde 2018 con el soporte L de la pantalla de éter). Además, y lo que es importante para la seguridad del paciente, toda la configuración para las pruebas cognitivas se puede desglosar en menos de 20 segundos durante el caso en caso de que se presente una situación emergente que exige un acceso completo y sin obstáculos al paciente (por ejemplo, a la las vías respiratorias).
  5. El corazón de StrongView es un sistema de software flexible para i) que presenta estímulos (visuales, auditivos) a los pacientes y registra las respuestas de los pacientes (verbal, respuesta de botón, video), ii) registrando temporalmente todos los eventos experimentalmente relevantes y registrando temporalmente todos los eventos experimentalmente relevantes y medidas (estímulo, ECoG, contacto con el cerebro de la sonda estimulador eléctrico directa, respuestas del paciente); iii) y comunicación con sistemas de navegación craneal para obtener la coordenada tridimensional para cada aplicación de estimulación eléctrica directa. StrongView permite la recalibración en línea de variables experimentales como la duración del estímulo, los intervalos entre estímulos, la aleatorización, el número de repeticiones o bloques de estímulos, y el control de los canales de vídeo y audio del paciente. StrongView transmite la cámara de video del paciente, los datos de ECoG en línea y el estímulo que el paciente está viendo/escuchando actualmente a una pantalla de escritorio, que también se refleja en un monitor grande que está en la línea de visión del cirujano.
  6. Fije un fotodiodo al monitor del paciente y alimente en un canal abierto en el amplificador ECoG. Esto proporciona una sincronización temporal entre la presentación de cada estímulo y ECoG para el análisis fuera de línea.
  7. Utilizar hardware y software de navegación craneal (en la Universidad de Rochester, BrainLab Inc., Munich, Alemania) en todos los casos por el equipo quirúrgico para la navegación craneal intraoperatoria basada en la RMN preoperatoria. Se trata de un sistema óptico que consta de un conjunto de cámaras que ven el campo de funcionamiento y registran la cabeza del paciente a través de una estrella de registro fija que se fija a la mesa de operaciones (ver Figura 1).
    1. Específicamente, después de que el paciente se encuentra en el titular del cabezal, pero antes de cubrir, utilice la fisonomía facial del paciente para registrar la cabeza del paciente en la resonancia magnética preoperatoria. Esto permite que la RMN preoperatoria (funcional y estructural) se alinee directamente con el cerebro del paciente en la mesa de operación.
    2. Adjunte una segunda estrella de registro (mucho más pequeña) al estimulador bipolar (ver Figura 1) y utilícelo para registrar la longitud y la posición del estimulador en el campo. Esto permite al equipo de investigación adquirir la ubicación precisa de cada punto de estimulación, así como los márgenes de la resección, en relación con la RMN preoperatoria. Como se señaló anteriormente, StrongView está conectado con el sistema de navegación craneal (en la Universidad de Rochester, BrainLab, conexión a través del enlace IGT) para permitir la transmisión en tiempo real (y el sellado de tiempo) de las coordenadas de la cartografía directa de la estimulación eléctrica. StrongView se está desarrollando actualmente para interactuar con otros sistemas de navegación craneal (por ejemplo, Stryker).
      NOTA: Los aspectos de StrongView que admiten la administración y la recopilación de datos durante experimentos cognitivos y fMRI, junto con una biblioteca de pruebas, estarán disponibles (acceso abierto) en OpenBrainProject.org. Las versiones beta están disponibles antes de la versión completa poniéndose en contacto con el autor correspondiente. Toda la suite StrongView, que incluye sistemas de hardware para integrarse con el software de electrocorticografía y navegación craneal, está disponible para médicos y científicos poniéndose en contacto con el autor correspondiente. Estas herramientas de adquisición de datos confluidarán con una canalización de postprocesamiento y un consorcio de datos abiertos, que se lanzará en 2020 en OpenBrainProject.org.

Representative Results

Figura 2, Figura 3y Figura 4 presentan resultados representativos de mapeo funcional y estructural preoperatorio para tres pacientes con tumores adyacentes a regiones elocuentes del cerebro. Los hallazgos que se muestran en la Figura 2, la Figura 3y la Figura 4 están destinados a ser ilustrativos (en lugar de un resumen exhaustivo) de los tipos de mapas que se generan para cada paciente. Los detalles sobre los casos presentados en la Figura 2, Figura 3, y Figura 4 se pueden encontrar en: Figura 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, en la prensa51), Figura 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher y Mahon, 201952), y Figura 4 (Garcea et al., 201716). Una consecuencia importante del reclutamiento consecutivo de pacientes con glioma en un protocolo uniforme es que hace posibles análisis a nivel de grupo que evalúan el efecto de los tumores cerebrales en la función y organización de la red. Como ejemplo de este tipo de análisis, la Figura 5 presenta los resultados de un estudio reciente 14 que encontró que los tumores en la corteza parietal izquierda modulan las respuestas neuronales a las "herramientas" (pequeños objetos manipulables) en el lóbulo temporal, una instancia de un fenómeno más general conocido como diaschésis dinámica53.

Figure 1
Figura 1Descripción general del equipo utilizado para pruebas cognitivas extraoperatorias e intraoperatorias. (A) Ejemplo de configuración para pruebas neuropsicológicas cognitivas de alta a través de poner según lo implementado por el Programa de Cartografía Cerebral Traslacional en el Departamento de Neurocirugía en el Centro Médico de la Universidad de Rochester. Los elementos clave para garantizar que todos los pacientes reclutados puedan completar todas las pruebas planificadas incluyen: i) un lugar para que los pacientes se sientan y completen las pruebas que sean totalmente ajustables al tamaño de cada paciente, incluyendo una silla diseñada específicamente para reducir fatiga, y ii) localizando pruebas cognitivas/conductuales físicamente adyacentes a la RMN. Estos elementos permiten a los pacientes visitar la instalación y completar su resonancia magnética funcional y estructural dentro de la misma sesión a medida que se miden los datos de comportamiento principales. Los participantes completan más ensayos con un mejor rendimiento si se sienten cómodos, especialmente para las poblaciones de participantes mayores con otras comorbilidades que pueden hacer que sentarse durante períodos prolongados sea incómodo. (B) Equipo utilizado durante la cartografía intraoperatoria. La imagen de la izquierda muestra a un paciente antes de ser cubierto (la derecha es después de la cubierta). Antes de cubrir, el equipo de ciencia cognitiva configura su equipo, incluyendo grabadoras de audio y video del paciente, un monitor colocado frente a la línea de visión del paciente, y un segundo monitor posicionado para que la persona que trabaja con el paciente pueda fácilmente ver el estímulo en el que el paciente está buscando actualmente (ver 'Procedimiento' para más detalles). (C) Estimulador bipolar con estrella de registro adjunta a ubicaciones récord de estimulación intraoperatoria en el espacio preoperatorio de MRI DICOM. Por lo general, en el punto de la cirugía en el que la dura se ha retraído y el paciente está siendo despertado de la anestesia general, hay unos minutos en los que registrar el estimulador bipolar en el campo. Esto debe ser hecho por un miembro del equipo que es borrado en el caso (es decir, asistir o cirujano residente o un técnico de exfoliación / enfermera). Se logra adjuntando una pequeña estrella de registro al estimulador bipolar y siguiendo las instrucciones en el sistema de navegación craneal para registrar un nuevo instrumento sobre el terreno. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 . Resonancia magnética funcional preoperatoria e imágenes de tensor de difusión (DTI) en el paciente AH con un glioma parietal inferior izquierdo que se infiltró en el fascículo arcuado. (A) Reconstrucción preoperatoria t1 de RMN y reconstrucción 3D del fascículo arcado izquierdo y glioma. El fascículo arcuado se muestra en naranja en un umbral del 5% con el tumor reconstruido en azul. (B) RMN funcional preoperatoria. El paciente completó varias sesiones de resonancia magnética funcional que fueron diseñadas para mapear una función que se preveía que era adyacente al área de intervención quirúrgica. Todos los mapas están umbral en FDR q < .05 o superior. En azul hay vóxeles que exhiben respuestas neuronales diferenciales al nombrar herramientas en comparación con los animales; en línea con estudios previos de nuestro laboratorio utilizando los mismos estímulos, se identifica una red robusta que involucra áreas premotoras, parietales y temporales laterales y ventrales7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. También se le pidió al paciente que llevara a cabo una tarea de numerosidad en la que tenía que juzgar cuál de las dos nubes de puntos tenía más puntos; las dos nubes de puntos podrían tener un número similar de puntos (comparación dura, relación 0,8) o números muy diferentes de puntos (comparación fácil, relación a 0,25). En verde hay vóxeles que exhiben respuestas neuronales diferenciales al llevar a cabo la tarea sobre estímulos de relación dura (relación .8) en comparación con los estímulos fáciles (relación .25 54,55). También se le pidió al paciente que moviera las manos y los pies (ya sea flex/extension o rotar25). En rojo hay vóxeles que presentaban respuestas neuronales diferenciales a los movimientos de la mano derecha en comparación con los movimientos del pie derecho. Por último, se le pidió al paciente que generara tantos elementos como se le ocurra en 30 segundos de varias categorías (por ejemplo, "cosas que se hacen en la cocina", "animales", palabras que comienzan con 'F', etc.). En púrpura hay vóxeles que exhibieron actividad neuronal diferencial para la producción de palabras indecisos en comparación con la fijación/descanso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 . Tracto de materia blanca preoperatoria del tracto aslante frontal y fibras adyacentes en forma de U. Experiencia previa en el Programa de Cartografía Cerebral Traslacional (Chernoff et al., 201756) con mapeo cerebral en pacientes con gliomas adyacentes al tracto aslante frontal demostró que la transección (incluso parcial) de esta vía puede estar asociada con disfluencias en el habla espontánea, mientras que la repetición del lenguaje hablado puede permanecer intacta. Esa experiencia previa se utilizó para informar el mapeo preoperatorio del tracto de aslant frontal en el paciente AI11. (A) Rebanadas coronales que muestran el tracto de aslación frontal (azul claro azul) y las fibras en forma de usted (rojo-amarillo). El tracto de alant frontal pasa justo antes y medial al glioma. (B) Representación 3D del tracto aslante frontal (azul) y tumor (rojo) desde múltiples perspectivas. Los estudios anatómicos preoperatorios (Paneles A y B) indicaron que al final de la resección tumoral, sería posible definir el margen anterior del tumor mediante la cartografía directa de la estimulación eléctrica. Por lo tanto, diseñamos una nueva tarea de lenguaje basada en nuestra experiencia previa, específicamente para probar si la estimulación del tracto de aslant frontal interrumpió la producción de oraciones en los límites de las frases gramaticales. (C) La estimulación eléctrica directa del tracto de aslación frontal interrumpe la producción de oraciones diferencialmente en los límites de las frases gramaticales. La captura de pantalla (Panel C, izquierda) del video muestra al paciente, el estímulo con el que se le presentó, la mano del cirujano sosteniendo el estimulador bipolar en contacto con el tracto de alante frontal en el margen anterior del tumor, y la ubicación en coronal y rebanadas sagital de la ubicación actual de estimulación (punto rojo) en relación con el tracto de aslante frontal (azul). La tarea del paciente era describir la relación espacial de la forma objetivo en relación con la ubicación de una forma de referencia (para el ensayo mostrado, la respuesta correcta sería: "El cuadrado rojo está por debajo del diamante rojo"). Encontramos que la estimulación del tracto de aslant frontal interrumpió la producción de oraciones, y diferencialmente al comienzo de nuevas frases gramaticales (Panel C, gráfico a la derecha; para el video del procedimiento de mapeo intraoperatorio en este paciente, ver www.openbrainproject.org). Esta observación motiva una hipótesis novedosa sobre el papel del tracto de aslant frontal en la producción de oraciones: las restricciones sintagmáticas sobre los elementos posicionales (SCOPE) hipótesis11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 

Figure 4
Figura 4. Rmn funcional y estructural preoperatoria y mapeo de estimulación eléctrica directa intraoperatoria en un músico profesional con un glioma en el lóbulo temporal posterior derecho.(Un) Mapeo fMRI preoperatorio del procesamiento visual de alto nivel, la producción del lenguaje y el conocimiento de las herramientas. El tumor, de color amarillo sombreado, estaba en el lóbulo temporal derecho, visible a través del sulcus temporal superior derecho (sulci ligeramente expandido para facilitar la visualización). Debido a que el tumor se encontraba cerca de áreas de procesamiento de movimiento en la corteza temporal lateral, localizamos MT/V5 comparando la actividad neuronal cuando el paciente atendió a matrices de puntos en movimiento a la actividad neuronal provocada por puntos estacionarios; Los vóxeles que exhiben respuestas neuronales diferenciales para el movimiento en comparación con los puntos estáticos se trazan en la escala de color púrpura-blanco (estamos agradecidos a Duje Tadin por su ayuda con el desarrollo de este localizador funcional). En cuanto a todos los demás casos estudiados en el Programa de Cartografía Cerebral Traslacional (por ejemplo,Figura 2,Figura 3), los vóxeles que presentan respuestas neuronales diferenciales para nombrar imágenes comunes se comparan con una línea de base de visualización de versiones codificadas por fases de las mismas imágenes; esto se traza en la escala de color verde-blanco. Ese contraste identificó el complejo occipital lateral bilateral, el génóxido temporal medio/superior bilateral y la corteza motora (asociado con la actividad motora del habla). También como enFigura 2, los vóxeles que presentaban respuestas neuronales diferenciales al nombrar "herramientas" se encontraron en el lóbulo parietal inferior izquierdo, la corteza parietal/dorsal occipital superior bilateral y el gisro temporal medio/inferior inferior izquierdo (escala de color azul-blanco). Finalmente, y de nuevo como enFigura 2, se le pidió al paciente que completara una tarea de producción de palabras de fluidez verbal. Los voxeles asociados con la generación de palabras en comparación con una línea de base en reposo se trazan en la escala de color rojo-blanco y se encuentran en el géresor frontal inferior izquierdo (área de Broca), corteza parietal temporal/inferior superior y el sistema motor del habla. (B) El paciente completó múltiples experimentos de RMN funcionales preoperatoriamente específicamente para mapear el procesamiento de música. En un experimento, modelado después del trabajo previo del laboratorio de Greg Hickok57, el paciente oyó melodías cortas de piano y tuvo que tararear la melodía, u oyó frases cortas y tuvo que repetir las oraciones. Trazados en el cerebro en la escala de color rojo-púrpura son vóxeles que exhibieron actividad neuronal diferencial para la música que para el lenguaje. Cuatro estudiantes de Eastman School of Music Graduate completaron el mismo experimento de fMRI; el borde de la región identificada para el mismo contraste funcional en los controles saludables coincidentes se traza en el contorno verde. Además, otros 10 pacientes de neurocirugía completaron el mismo experimento, también en la fase preoperatoria de su tratamiento. Mientras que el objetivo aproximado en esos 10 pacientes era identificar áreas sensibles al idioma (a través del contraste de la música > del lenguaje), el contraste de la música>lenguaje identifica una región muy similar del giso temporal superior derecho (fronteras de la 10 pacientes de neurocirugía de control se dibujan en azul claro). (C) Tractoprográfico probabilístico preoperatorio sobre datos DTI que muestren las radiaciones acústicas correctas y el fascículo arcuado en relación con el tumor del paciente AE (umbral del 5%, superpuesto en la imagen ponderada en T2 nativa). (D) Durante su cirugía, el paciente AE realizó la misma tarea que durante la fMRI en la que tuvo que escuchar melodías cortas de piano y tararearlas, o una frase corta y repetirla. Se encontró que la estimulación eléctrica directa al giso temporal superior superior posterior derecho interrumpió el rendimiento en la tarea de repetición cuando se realizó sobre melodías (para algunos ensayos), pero no afectó al rendimiento (en ninguna prueba) para la misma tarea de repetición sobre frases (ver www.openbrainproject.org para videos de mapeo de música intraoperatoria).Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5 . Demostración de la diaschesis específica del dominio: Análisis de la relación entre la ubicación de la lesión y la actividad neuronal provocada por estímulos en un grupo de pacientes de glioma estudiados preoperatoriamente en el Programa para el Cerebro Traslacional. Una consecuencia importante de la administración de un conjunto común de resonancias magnéticas funcionales y estudios conductuales a todos los pacientes que pasan por el Programa de Cartografía Cerebral Traslacional en el Centro Médico de la Universidad de Rochester es la oportunidad de llevar a cabo estudios de grupo análisis de grupos más grandes de pacientes estudiados consecutivamente. Como ejemplo, la Figura 5 muestra los resultados de una prueba de la hipótesis científica básica de que las respuestas neuronales a las "herramientas" en el lóbulo temporal se modulan en línea mediante entradas de corteza parietal. Si esa hipótesis es correcta, las lesiones (tumores) en la corteza parietal deben alterar las respuestas neuronales en el lóbulo temporal a "herramientas", y la varianza entre los pacientes en la actividad neuronal a las "herramientas" en el lóbulo temporal debe estar correlacionada con la presencia de lesiones ( tumores) en la corteza parietal. (A) Las lesiones a la corteza parietal se predicen a nivel de grupo (regresión logística) a partir de la varianza entre los pacientes en las respuestas neuronales en el giso fusiforme medial en la superficie ventral del lóbulo temporal. (B) Las respuestas neuronales a las herramientas del gros fusiforme medial se predicen a nivel de grupo (regresión logística) a partir de la varianza en si la lesión/tumor implica el sulcus intraparietal anterior (aIPS). Los hallazgos resumidos en los grupos especiales A y B representan un caso de diaschesis dinámica53, en este caso diaschesis dinámica 'específica del dominio', porque la relación entre la ubicación de la lesión con la actividad neuronal se modula por el tipo de estímulo que se está procesando ( es decir, la relación está presente para las herramientas, y no para lugares, cara o animales)-para todos los detalles ver Garcea y colegas14. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 

Discussion

El conocimiento adquirido a partir de la experiencia de establecer el Programa de Cartografía Cerebral Traslacional en la Universidad de Rochester puede ser destilado en dos elementos centrales. En primer lugar, se establecieron canales estructurados de comunicación entre científicos cognitivos, neurooncólogos, neuropsicólogos, epiepistólogos, neurofisiólogos, neuroanestesiólogos, neurocirujanos y sus respectivos técnicos y apoyo administrativo. Esto permite que los pacientes, incluidos los pacientes tumorales urgentes de alto grado, sean referidos para la evaluación preoperatoria con tiempo suficiente para dirigir los análisis a los cirujanos antes del procedimiento. El segundo componente crítico para el éxito del Programa de Mapeo Cerebral ha sido doblar las oportunidades de capacitación para estudiantes de pregrado, estudiantes de posgrado (MS, Doctorado), estudiantes de medicina, así como residentes de neurocirugía, neurología y neurorradiología y Compañeros. La combinación de estos dos elementos sirve para involucrar a todos los proveedores clínicos con los objetivos científicos del Programa de Mapeo Cerebral, y asegura que los objetivos científicos básicos se entrelazan con el objetivo clínico de optimizar el resultado de cada paciente.

Disclosures

Se presentó una patente provisional (Número provisional de patente 62/917.258) para 11/30/18 para "StongView: Un sistema integrado de hardware/software para facilitar las pruebas cognitivas durante la cirugía cerebral despierta y para apoyar los análisis en tiempo real al servicio de predecir el resultado del paciente."

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por NIH Grants R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535, y NSF Grant BCS-1349042 a BZM, y por una beca de formación predoctoral del Centro de Ciencias Visuales de la Universidad de Rochester (NIH training Grant 5T32EY007125-24) a FEG. Estamos agradecidos a Keith Parkins por su trabajo en el desarrollo de StrongView, que fue apoyado por la beca básica P30EY00131 al Centro de Ciencias Visuales de la Escuela de Medicina de la Universidad de Rochester. El Programa de Cartografía Cerebral Traslacional de la Universidad de Rochester se estableció, en parte, con el apoyo de Norman y Arlene Leenhouts, y con una subvención del Instituto del Cáncer Wilmot a los doctores Kevin Walter y Bradford Mahon. Puede encontrar información sobre el Programa de Cartografía Cerebral Traslacional en el Centro Médico de la Universidad de Rochester en: www.tbm.urmc.edu.

Materials

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