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Cartographie du cerveau translationnelle au Centre médical de l'Université de Rochester : préserver l'esprit grâce à la cartographie personnalisée du cerveau

Neuroscience
 

Summary

Cet article donne un aperçu d'un programme multimodal de cartographie du cerveau conçu pour identifier les régions du cerveau qui soutiennent les fonctions cognitives critiques chez les patients en neurochirurgie individuels.

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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

Le Programme de cartographie du cerveau translationnel de l'Université de Rochester est un effort interdisciplinaire qui intègre les sciences cognitives, la neurophysiologie, la neuroanesthésie et la neurochirurgie. Les patients qui ont des tumeurs ou des tissus épileptogéniques dans des zones éloquentes de cerveau sont étudiés preoperatively avec MRI fonctionnel et structurel, et peropératoirement avec la cartographie électrique directe de stimulation. Les mesures des résultats neuronaux et cognitifs postopératoires alimentent les études scientifiques de base sur les facteurs qui favorisent les bons résultats par rapport aux mauvais résultats après la chirurgie, et sur la façon dont la cartographie du cerveau peut être optimisée pour assurer les meilleurs résultats pour les futurs patients. Dans cet article, nous décrivons le flux de travail interdisciplinaire qui permet à notre équipe d'atteindre les objectifs synergiques d'optimiser les résultats des patients et de faire progresser la compréhension scientifique du cerveau humain.

Introduction

Les interventions neurochirurgicales pour enlever les tumeurs cérébrales ou les tissus épileptogéniques adjacents aux zones du cerveau qui soutiennent les fonctions cognitives critiques doivent équilibrer l'objectif clinique de la chirurgie (enlever autant de tumeur, ou de tissu épileptogénique que possible) contre des lésions aux tissus sains qui pourraient causer des déficits neurologiques. Dans le contexte de la chirurgie de tumeur de cerveau, cet équilibre est appelé l'équilibre onco-fonctionnel. Du côté 'onco' de l'équilibre, les chirurgiens veulent enlever autant de la tumeur que possible, que les taux de «résection totale brute de la tumeur» sont liés à une survie plus longue1,2. Du côté 'fonctionnel', l'ablation des tumeurs peut endommager les substrats corticaux et subcortical de la cognition; les difficultés postopératoires peuvent impliquer le langage, l'action, la vision, l'ouïe, le toucher ou le mouvement, selon le système neuronal(s) affecté. L'équilibre oncofonctionnel est d'une importance cruciale parce qu'une morbidité accrue est associée à i) une qualité de vie inférieure, ii) une augmentation des complications postopératoires qui peuvent augmenter la mortalité (p. ex., les patients qui ne peuvent plus se déplacer sont risque plus élevé de caillots sanguins3,4). La tension inhérente à l'équilibre «onco-fonctionnel» dans le cadre de la chirurgie tumorale du cerveau se traduit aussi bien à la chirurgie de l'épilepsie - là l'équilibre est entre l'objectif clinique d'enlever tous les tissus qui génèrent des convulsions, tout en n'enlevant pas les tissus qui prend en charge les fonctions critiques.

À un niveau large, la neuroanatomie fonctionnelle est très stéréotypée d'un individu à l'autre. Cependant, il peut y avoir un degré élevé de variabilité individuelle dans l'emplacement précis (c.-à-d., mm à mm) des fonctions corticales plus élevées. En outre, il est généralement reconnu que la présence de pathologie corticale ou subcorticale peut stimuler la réorganisation corticale, bien que les principes qui conduisent une telle réorganisation sont mal compris5. Les interventions neurochirurgicales se déroulent millimètre par millimètre. Il est donc essentiel de cartographier le cerveau de chaque patient, en détail et avec sensibilité et précision, afin de comprendre quelles régions dans ce soutien patient spécifique qui fonctions sensorielles, cognitives et motrices6.

Le Programme de cartographie du cerveau translationnel de l'Université de Rochester a été conçu pour répondre aux besoins de la cartographie personnalisée du cerveau dans le cadre d'une pratique de haut niveau couvrant plusieurs chirurgiens universitaires. Les objectifs synergiques du Programme de cartographie du cerveau sont d'utiliser les outils des neurosciences cognitives pour faire progresser la neuromédecine personnalisée, sous la forme de cartes fonctionnelles spécifiques du cerveau aux patients, et ii) utiliser la préparation clinique de interventions neurochirurgicales pour tester des hypothèses mécanistes sur le fonctionnement du cerveau humain.

Protocol

Les activités montrées dans la vidéo et décrites ci-contre relèvent d'une CISR à risque plus élevé que minime au Centre médical de l'Université de Rochester.

1. Recrutement

  1. Établir un programme de pointe pour l'évaluation cognitive préopératoire et l'évaluation par IRM afin d'attraper les patients de tous les fournisseurs de services de référence en temps opportun et de façon efficace. Impliquer le personnel administratif et clinique dans l'effort plus large.
    REMARQUE : Une étape concrète qui s'est avérée efficace a été l'établissement d'une liste de courriel de groupe qui est automatiquement envoyée par le chirurgien traitant (ou quelqu'un de son personnel de soutien) lorsqu'un nouveau patient se présente à la clinique qui peut être un candidat au recrutement dans le cerveau Programme de cartographie.

2. Cartographie IRM préopératoire

  1. Acquérir des données D'IRM sur un scanner IRM 3T avec une bobine de tête de 64 canaux au Center for Advanced Brain Imaging and Neurophysiology (officiellement connu sous le nom de «Rochester Center for Brain Imaging») à l'Université de Rochester Medical School. Utilisez des séquences standard pour L'IRM BOLD et l'ITD permettant l'imagerie cérébrale complète, tel que décrit dans les publications précédentes7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.
  2. Surveiller la fixation, et enregistrer la respiration et la fréquence cardiaque recueillies pendant toute l'IRMf pour la régression du bruit confond26,27.
    REMARQUE : Au cours des 10 dernières années, nous avons développé une bibliothèque d'expériences d'IRM fonctionnelles pour cartographier le langage (parlé, auditif, mots simples, phrases entières), la fonction motrice (des mouvements intransitifs du doigt, de la langue et des pieds aux actions transitoires de haut niveau), la musique la capacité, les mathématiques et la connaissance de nombre, et la fonction sensorielle de base (par exemple, cartographie rétinotopique à la carte du traitement visuel de bas niveau11,14,24). Toutes les expériences, les matériaux et les scripts d'analyse sont disponibles à www.openbrainproject.org.

3. Tests neuropsychologiques

  1. Prenez soin pendant tous les tests cognitifs pour s'assurer que les patients sont à l'aise, assuré en utilisant une configuration ergonomique optimisée (Figure 1) et en construisant des pauses fréquentes (toutes les 8 minutes) dans la structure de tous les tests.
  2. Demandez à tous les patients atteints de tumeurs de bas grade de terminer les tests suivants 1 mois avant la chirurgie, 1 mois après la chirurgie et 6 mois après la chirurgie (les tests 12 et 13 ne sont effectués qu'aux points de temps préopératoires et de 6 mois postopératoires)28,29 ,30,31,32.
    1. Discours spontané (Cookie Theft Picture33, Cendrillon Story34,35,36).
    2. Catégorie Fluency (actions, catégories sémantiques, mots commençant par F, A, S).
    3. Lecture et répétition des mots (noms, verbes, adjectifs, non-mots, assortis sur la longueur et la fréquence).
    4. Nommage d'objets Snodgrass (n ' 26037).
    5. Nommage auditif (n 6038).
    6. Achèvement de la phrase à haute teneur en cloze (30 min).
    7. Batterie de reconnaissance d'objets de Birmingham (BORB, y compris la longueur Taille de la taille Orientation (orientation) Gap Matching - France Chiffres qui se chevauchent (fr) Vues raccourcies (en anglais seulement) Object Reality Decision39).
    8. Audity Minimal Pair Discrimination (p. ex., pa vs da, ga vs ta31,40).
    9. Sentence Picture Matching (y compris les passifs réversibles40).
    10. Color Naming et Farnsworth Munsell Hue Triing41.
    11. Cambridge Face Test30,42.
    12. California Verbal Learning Test (43)
    13. Weshler IQ (44,45,46). Les principales mesures d'évaluation des résultats linguistiques sont les tests 4-6; la caractérisation des capacités plus larges garantit que les déficiences lors des tests de nommage ne sont pas dues à la baisse générale du rendement47.
      REMARQUE : Dans le passé, nous avons utilisé une combinaison de plates-formes de présentation logicielle pour contrôler la présentation des stimulus et l'enregistrement des réponses pendant les tests pré- et postopératoires. Nous concevons actuellement une plate-forme plug-and-play unique pour prendre en charge tous les tests cognitifs (tests pré, intra et postopératoires) ainsi que la présentation de stimulus et l'enregistrement de la réponse pendant l'IRM fonctionnelle (voir ci-dessous pour la description de StrongViewTM ). StrongView, ainsi que des tests neuropsychologiques intégrés, seront disponibles en téléchargement (licence ouverte) à www.openbrainproject.org.

4. Neuroanesthésie et ergonomie de la cartographie du langage peropératoire

  1. Utilisez des techniques anesthésiques pour les craniotomies éveillées48,49,50; à l'Université de Rochester, les craniotomies éveillées sont typiquement exécutées utilisant une approche endormi-éveil-sommeil-sommeil.
  2. Évitez les prémédications telles que les anticonvulsivants et les anxiolytiques car ils peuvent altérer la fonction cognitive et contribuer au délire d'émergence.
  3. Appliquer des moniteurs standard (EKG, NIBP, oxymétrie des impulsions) et induire une anesthésie générale avec du fentanyl par voie intraveineuse (0,5 mg/kg), de la lidocaïne (1-1,5 mg/kg) et du propofol (1-2 mg/kg).
  4. Utilisez une voie aérienne supraglottique pour la ventilation mécanique.
  5. Placez le patient latéralement ou semi-latéralement avec la tête fixée dans un cadre épinglé ; comme décrit dans la vidéo, le positionnement du patient dépend de l'emplacement de la lésion et de la fenêtre de craniotomie prévue, tout en tenant compte du fait que les types de tests cognitifs que le patient sera invité à effectuer une fois éveillé pendant la chirurgie.
  6. Appliquer l'analgésie au site de l'épingle et de l'incision (30 ml de 0,5 % de lidocaïne, 30 ml de 0,5 % de nature Sensorcaine, 6 ml de bicarbonate de sodium). Pendant cette période, positionnez l'équipement d'essai (petit moniteur, caméras vidéo, micros directionnels).
  7. Déterminer la taille de la fenêtre craniotomie par de multiples facteurs, qui varient dans leur pondération en fonction des résultats de la cartographie clinique préopératoire du cerveau du patient, des études fonctionnelles de cartographie du cerveau, et le plan de cartographie intra-opératoire. Dans le cas décrit dans la vidéo, le chirurgien traitant (Dr Pilcher) a choisi une grande craniotomie afin d'avoir un accès complet à la carte des sites de langage positif et de moteur dans l'hémisphère dominant.
  8. Au début de la phase éveillée, dissémissez la sédation (des analgésiques locaux sont appliqués avant l'incision).
  9. Retirez les voies aériennes supraglottes une fois que le patient reprend conscience. Il n'y a pas ou une sédation minimale pendant la phase éveillée.
  10. Utilisez l'électrocorticographie (ECoG) pour surveiller les rejets après-décharge (décharges épileptiformes subcliniques induites par la stimulation corticale) afin de s'assurer que les niveaux de DES sont fixés juste en dessous du seuil après décharge. La procédure de cartographie DES commence en trouvant le seuil après décharge et en ajustant l'amplitude de stimulation (par étapes de 0,5 milliamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamamp).
  11. Ajuster l'amplitude de stimulation tout au long de la séance de cartographie (2 à 15 mA) à la discrétion du chirurgien traitant. Les patients voient les stimuli sur un moniteur et peuvent parler et bouger leurs avant-bras et leurs mains.

5. Procédures d'acquisition de données de qualité de recherche pendant la cartographie de stimulation électrique directe peropératoire

  1. Exécutez tous les tests cognitifs peropératoires sur un système matériel/logiciel sur mesure appelé 'StrongView', disponible à www.openbrainproject.org. L'empreinte matérielle est autonome sur un petit chariot, et est équipée d'une source d'alimentation indépendante de la batterie de secours, haut-parleurs, clavier et écran tactile. La personne chargée d'exécuter les tests cognitifs peut démarrer, arrêter et mettre en pause la présentation de stimulus, tout en enregistrant en continu (audio et vidéo) pendant l'affaire.
  2. Utilisez un système audio sur le chariot de telle sorte qu'un microphone directionnel qui est formé sur la bouche du patient, qui se nourrit à travers un séparateur. Un canal sortant du séparateur passe par un amplificateur et directement à un haut-parleur. Cela permet aux chirurgiens et aux chercheurs d'entendre facilement les réponses du patient contre le bruit de fond de la salle d'opération avec zéro retard perceptible (c.-à-d., éliminant les effets « écho »). Le deuxième canal du splitter va au PC sur le chariot mobile, où il est horodaté, enregistré et stocké (ces fichiers sont utilisés pour l'analyse hors ligne). StrongView dispose également d'un système audio séparé (autonome) qui se compose d'un microphone de deuxième direction également formé sur le patient, un microphone directionnel formé sur les chirurgiens, et un microphone «bruit» dans un coin de la salle d'opération pour échantillonner la tonalité de la salle pour soustraction des fichiers audio principaux. Ces trois canaux audio se nourrissent d'un MIDI, et d'un deuxième ordinateur qui enregistre chaque canal séparément. Ce deuxième système audio fournit la redondance en cas de défaillance du système primaire, toutes les réponses verbales du patient seront disponibles pour l'analyse hors ligne.
  3. Fixez un écran d'éther disponible dans le commerce À la table de la salle d'opération (OU) à l'aide d'une pince OU. Attachez les bras articulés (p. ex., Manfrotto 244 Variable Friction Magic Arms) à l'éther l'écran L-bracket, et ceux qui articulent les bras soutiennent le moniteur patient, les microphones directionnels, la caméra vidéo formée sur le visage du patient, et un moniteur auxiliaire pour permettre à un membre de l'équipe de recherche ou à une infirmière de la salle d'opération de voir facilement ce que le patient voit lorsqu'il interagit avec le patient.
  4. Exécutez tous les câbles nécessaires pour les écrans, microphones et caméra le long du bras et protégez-les par des tubes en plastique fixés avec Velcro.
    REMARQUE : Aucun de ces équipements n'a besoin d'être stérilisé tel qu'il est (seulement jamais) du côté non stérile du champ (figure 1). Cette manière de soutenir la présentation de stimulus et l'équipement d'enregistrement de réponse fournit la flexibilité maximale pour prendre en compte l'ergonomie différente des essais cognitifs selon le positionnement patient qui varie cas par cas, mais fournit un fiable plate-forme stable sur laquelle attacher l'équipement. En outre, et surtout, parce que tous les moniteurs, microphones et caméras sont fixés à la table OU via un seul appareil (éther écran L-bracket), si le positionnement de la table est ajusté pendant le cas cela n'affecte pas la configuration de test. (Remarquez que la configuration montrée dans la figure 1 provient d'une configuration de génération antérieure dans laquelle un support monté au sol supportait l'écran, le microphone et la caméra vidéo du patient; ce support monté au sol a été remplacé depuis 2018 par l'écran l'éther L-bracket). En outre, et surtout pour la sécurité des patients, l'ensemble de la configuration pour les tests cognitifs peut être décomposé en moins de 20 secondes au cours de l'affaire si une situation émergente se présente qui exige un accès complet et sans entrave sa vie au patient (p. ex., voies respiratoires).
  5. Le cœur de StrongView est un système logiciel flexible pour i) présentant des stimuli (visuels, auditifs) aux patients et enregistrant les réponses des patients (verbale, réponse au bouton, vidéo), ii) enregistrant temporellement tous les événements expérimentaux pertinents et mesures (stimulus sur, ECoG, contact avec le cerveau de sonde de stimulateur électrique direct, réponses des patients); iii) et la communication avec les systèmes de navigation crânienne pour obtenir la coordonnées tridimensionnelles pour chaque application de stimulation électrique directe. StrongView permet un réétalonnage en ligne de variables expérimentales telles que la durée de stimulation, les intervalles inter-stimulus, la randomisation, le nombre de répétitions ou de blocs de stimuli, et le contrôle des canaux vidéo et audio des patients. StrongView diffuse la caméra vidéo du patient, les données ECoG en ligne, et le stimulus que le patient est actuellement voir / audition à un écran de bureau, qui est également reflété sur un grand moniteur qui est dans la ligne de mire du chirurgien.
  6. Fixez une photodiode au moniteur du patient et alimentez-le dans un canal ouvert sur l'amplificateur ECoG. Cela fournit une synchronisation temporelle entre la présentation de chaque stimulus et ECoG pour l'analyse hors ligne.
  7. Utilisez du matériel et des logiciels de navigation crânienne (à l'Université de Rochester, BrainLab Inc., Munich, Allemagne) dans tous les cas par l'équipe chirurgicale pour la navigation crânienne intraopératoire basée sur l'IRM préopératoire. Il s'agit d'un système optique composé d'un ensemble de caméras qui voient le champ d'opération et enregistrent la tête du patient via une étoile d'enregistrement fixe qui est apposée sur la table d'opération (voir figure 1).
    1. Plus précisément, après que le patient est réglé dans le titulaire de tête, mais avant de draper, utilisez la physionomie faciale du patient pour enregistrer la tête du patient à l'IRM préopératoire. Ceci permet à mrI préopératoire (fonctionnel et structurel) d'être mis en alignement direct avec le cerveau du patient sur la table d'opération.
    2. Fixez une deuxième étoile d'enregistrement (beaucoup plus petite) au stimulateur bipolaire (voir figure 1) et utilisez-la pour enregistrer la longueur et la position du stimulateur sur le terrain. Cela permet à l'équipe de recherche d'acquérir l'emplacement précis de chaque point de stimulation ainsi que les marges de la résection, par rapport à l'IRM préopératoire. Comme indiqué ci-dessus, StrongView est connecté avec le système de navigation crânienne (à l'Université de Rochester, BrainLab, connexion via la liaison IGT) pour permettre le streaming en temps réel (et l'horodatage) des coordonnées de la cartographie de stimulation électrique directe. StrongView est actuellement en cours de développement pour interagir avec d'autres systèmes de navigation crânienne (par exemple, Stryker).
      REMARQUE : Les aspects de StrongView qui prennent en charge l'administration et la collecte de données lors d'expériences cognitives et d'IRMf, ainsi qu'une bibliothèque de tests, seront disponibles (accès libre) à OpenBrainProject.org. Les versions bêta sont disponibles avant la version complète en contactant l'auteur correspondant. L'ensemble de la suite StrongView, qui comprend des systèmes matériels à intégrer à l'électrocorticographie et aux logiciels de navigation crânienne, est disponible pour les cliniciens et les scientifiques en contactant l'auteur correspondant. Ces outils d'acquisition de données seront confluents avec un pipeline post-traitement et un consortium de données ouvertes, qui sera lancé en 2020 à OpenBrainProject.org.

Representative Results

La figure 2, la figure 3et la figure 4 présentent des résultats représentatifs de la cartographie fonctionnelle et structurale préopératoire pour trois patients atteints de tumeurs adjacentes à des régions éloquentes du cerveau. Les résultats présentés à la figure 2, à la figure 3et à la figure 4 sont destinés à illustrer (plutôt qu'un résumé exhaustif) des types de cartes générées pour chaque patient. Vous trouverez des détails sur les cas présentés à la figure 2, à la figure 3et à la figure 4 : Figure 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, dans la presse51), Figure 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher et Mahon, 201952), et Figure 4 (Garcea et al., 201716). Une conséquence importante du recrutement consécutif des patients de gliome dans un protocole uniforme est qu'il rend possible des analyses de groupe-niveau qui évaluent l'effet des tumeurs de cerveau sur la fonction et l'organisation de réseau. À titre d'exemple de ce type d'analyses, la figure 5 présente les résultats d'une étude récente 14 qui a révélé que les tumeurs du cortex pariétal gauche modulé réponses neuronales à des «outils» (petits objets manipulables) dans le lobe temporal, un exemple d'un phénomène plus général appelé diasche dynamique53.

Figure 1
Figure 1Aperçu de l'équipement utilisé pour les tests cognitifs extraopératoires et intraopératoires. (A) Configuration d'exemple pour les tests neuropsychologiques cognitifs à haut niveau tels qu'ils sont mis en œuvre par le Programme de cartographie du cerveau translationnel du Département de neurochirurgie du Centre médical de l'Université de Rochester. Les éléments clés pour s'assurer que tous les patients recrutés sont en mesure de compléter tous les tests prévus comprennent: i) un endroit pour les patients de s'asseoir et de compléter des tests qui est entièrement réglable à la taille de chaque patient, y compris une chaise spécialement conçu pour réduire fatigue, et ii) la localisation des tests cognitifs/comportementaux physiquement adjacents à l'IRM. Ces éléments permettent aux patients de visiter l'établissement et de compléter leur IRM fonctionnelle et structurelle au cours de la même session que les données comportementales de base sont mesurées. Les participants terminent plus d'essais avec de meilleures performances s'ils sont à l'aise, en particulier pour les populations de participants plus âgés avec d'autres comorbidités qui peuvent rendre la séance pendant de longues périodes inconfortable. (B) Équipement utilisé lors de la cartographie peropératoire. L'image à gauche montre un patient avant d'être drapé (à droite est après drapage). Avant de draper, l'équipe des sciences cognitives met en place son équipement, y compris les enregistreurs audio et vidéo du patient, un moniteur placé devant la ligne de mire du patient, et un deuxième moniteur positionné de sorte que la personne qui travaille avec le patient peut facilement voir le stimulus auquel le patient est actuellement à la recherche (voir «Procédure» pour plus de détails). (C) Stimulateur bipolaire avec étoile d'enregistrement attaché à des emplacements d'enregistrement de stimulation intraopératoire dans l'espace préopératoire de MRI DICOM. Habituellement au point dans la chirurgie à laquelle le dura a été rétracté et le patient est réveillé de l'anesthésie générale, il ya quelques minutes dans lequel pour enregistrer le stimulateur bipolaire sur le terrain. Cela doit être fait par un membre de l'équipe qui est frotté dans le cas (c.-à-d., soit assistant ou chirurgien résident ou un technicien de gommage / infirmière). Il est accompli en attachant une petite étoile d'enregistrement au stimulateur bipolaire et en suivant les instructions dans le système de navigation crânienne pour enregistrer un nouvel instrument sur le terrain. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 . Imagerie fonctionnelle préopératoire de MRI et de tenseur de diffusion (DTI) dans l'AH patient avec un glioma pariétal inférieur gauche qui a infiltré le fasciculus d'arcuate. (A) Irm T1 préopératoire et reconstruction 3D du fasciculus et du gliome d'arcuategauche. Le fasciculus arcuate est montré en orange à un seuil de 5% avec la tumeur reconstruite en bleu. (B) IRM fonctionnelle préopératoire. Le patient a accompli plusieurs sessions de MRI fonctionnel qui ont été chacunes conçues pour cartographier une fonction qui était prévue pour être adjacente à la zone de l'intervention chirurgicale. Toutes les cartes sont seuils à FDR q 'lt; 0,05 ou mieux. En bleu sont des voxels qui présentent des réponses neuronales différentielles lors du nom des outils par rapport aux animaux; conformément aux études antérieures de notre laboratoire utilisant les mêmes stimuli, un réseau robuste est identifié impliquant des zones temporelles prémotrices, pariétales et latérales et ventrales7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Le patient a également été invité à effectuer une tâche de numéroosité dans laquelle il a dû juger lequel de deux nuages de points avait plus de points; les deux nuages de points pourraient avoir un nombre similaire de points (comparaison dure, ratio de 0,8) ou des nombres très différents de points (comparaison facile, ratio de 0,25). En vert sont voxels qui présentent des réponses neuronales différentielles lors de l'exécution de la tâche sur les stimuli de ratio dur (ratio de 0,8) par rapport aux stimuli faciles (ratio de 0,25 54,55). Le patient a également été invité à déplacer ses mains et ses pieds (soit flex / extension ou tourner25). En rouge sont voxels qui ont montré des réponses neuronales différentielles aux mouvements de la main droite par rapport aux mouvements du pied droit. Enfin, on a demandé au patient de générer autant d'articles qu'il pouvait penser en 30 secondes à partir de différentes catégories (par exemple, « choses que vous faites dans la cuisine », « animaux », mots qui commencent par « F », etc.). Dans le violet sont des voxels qui ont montré l'activité neurale différentielle pour la production manifeste de mot comparée à la fixation/repos. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 . Tractographie de matière blanche préopératoire de la tractaire aslantfrontal frontale et des fibres adjacentes en forme de u. Une expérience antérieure dans le programme de cartographie du cerveau translationnelle (Chernoff et al., 201756) avec la cartographie du cerveau chez les patients atteints de gliomes adjacents à l'aslant frontal a démontré que la transection (même partielle) de cette voie peut être associée avec des dysfluencies dans la parole spontanée, tandis que la répétition de la langue parlée peut rester intacte. Cette expérience antérieure a été utilisée pour éclairer la cartographie préopératoire du tractus frontal aslant dans l'AI11du patient. (A) Tranches de coronale montrant la voie frontale de l'aslant (bleu-lumière) et les fibres en forme de vous (rouge-jaune). Le tractus frontal estpassant passe juste antérieur et médial au gliome. (B) Rendu 3D du tractus frontal d'aslant (bleu) et de tumeur (rouge) des perspectives multiples. Les études anatomiques préopératoires (Panels A et B) ont indiqué qu'à la fin de la résection de tumeur, il serait possible de définir la marge antérieure de la tumeur utilisant la cartographie électrique directe de stimulation. Nous avons ainsi conçu une nouvelle tâche linguistique basée sur notre expérience antérieure, spécifiquement pour tester si la stimulation du tractus frontal aslant a perturbé la production de phrases aux limites des phrases grammaticales. (C) Stimulation électrique directe du tractus frontal de l'aslant perturbe la production de phrases différemment aux limites des phrases grammaticales. La capture d'écran (Panel C, à gauche) de la vidéo montre le patient, le stimulus avec lequel il a été présenté, la main du chirurgien tenant le stimulateur bipolaire en contact avec le tractus frontal aslant à la marge antérieure de la tumeur, et l'emplacement dans coronal et tranches sagittales de l'emplacement de stimulation actuel (point rouge) par rapport à la région d'aslant frontal (bleu). La tâche du patient était de décrire la relation spatiale de la forme de la cible par rapport à l'emplacement d'une forme de référence (pour l'essai montré, la réponse correcte serait : « Le carré rouge est en dessous du diamant rouge »). Nous avons constaté que la stimulation du tractus frontal aslant a perturbé la production de phrase, et différentiellement ainsi au début de nouvelles phrases grammaticales (Panel C, graphique à droite ; pour la vidéo de la procédure de cartographie peropératoire dans ce patient, voyez www.openbrainproject.org). Cette observation motive une nouvelle hypothèse sur le rôle de la voie aslant frontale dans la production de phrases : l'hypothèse des contraintes syntagmatiques sur les éléments de position (SCOPE)11. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. 

Figure 4
Figure 4. Irm fonctionnelle et structurale fonctionnelle préopératoire et cartographie électrique directe peropératoire dans un musicien professionnel avec un glioma dans le lobe temporel postérieur droit.(un) Cartographie préopératoire de l'IRMf du traitement visuel de haut niveau, de la production linguistique et des connaissances sur les outils. La tumeur, jaune ombragé, était dans le lobe temporel droit, visible par le sulcus temporel supérieur droit (sulci légèrement élargi pour faciliter la visualisation). Puisque la tumeur a été localisée près des secteurs de traitement de mouvement dans le cortex temporel latéral, nous avons localisé MT/V5 en comparant l'activité neurale quand le patient a assisté aux rangées des points mobiles à l'activité neurale obtenue par des points stationnaires ; voxels présentant des réponses neuronales différentielles pour le mouvement par rapport aux points statiques sont tracés sur l'échelle de couleur pourpre-blanc (nous sommes reconnaissants à Duje Tadin pour l'aide au développement de ce localisateur fonctionnel). Comme pour tous les autres cas étudiés dans le cadre du Programme de cartographie du cerveau translationnel (p. ex.,Figure 2,Figure 3), les voxels présentant des réponses neuronales différentielles pour nommer des images communes sont comparés à une ligne de base de visualisation des versions brouillées par phase des mêmes images ; ceci est tracé sur l'échelle de couleur vert-blanc. Ce contraste a identifié le complexe occipital latéral bilatéral, le gyrus temporel moyen/supérieur bilatéral, et le cortex moteur (associé à l'activité motrice de la parole). Aussi comme dansFigure 2, voxels présentant des réponses neuronales différentielles lors du nom des « outils » ont été trouvés dans le lobule pariétal inférieur gauche, cortex occipital supérieur bilatéral/dorsal, et le gyrus temporel moyen/inférieur postérieur gauche (échelle de couleur bleu-blanc). Enfin, et encore comme dansFigure 2, le patient a été invité à accomplir une tâche verbale de production de mot d'aisance. Les voxels associés à la génération de mots par rapport à une ligne de base au repos sont tracés sur l'échelle de couleur rouge-blanc et ont été trouvés dans le gyrus frontal inférieur gauche (région de Broca), cortex pariétal temporel supérieur/inférieur, et le système moteur de la parole. (B) Le patient a accompli plusieurs expériences fonctionnelles de MRI pre-operatively spécifiquement pour mapper le traitement de musique. Dans une expérience, calquée sur des travaux antérieurs du laboratoire de Greg Hickok57, le patient a entendu de courtes mélodies de piano et a dû fredonner la mélodie en arrière, ou a entendu de courtes phrases et a dû répéter les phrases en arrière. Tracésur sur le cerveau sur l'échelle de couleur rouge-violet sont voxels qui ont montré l'activité neuronale différentielle pour la musique que pour le langage. Quatre étudiants diplômés de l'Eastman School of Music ont terminé la même expérience de l'IRMf; la frontière de la région identifiée pour le même contraste fonctionnel dans les contrôles sains assortis est tracée dans le contour vert. En outre, 10 autres patients de neurochirurgie ont accompli la même expérience, également dans la phase préopératoire de leur traitement. Alors que l'objectif immédiat de ces 10 patients était d'identifier les zones sensibles à la langue (thorugh le contraste de la langue et de la musique), le contraste de la musique-langue identifie une région très similaire du gyrus temporel supérieur droit (frontières de la fonction région des 10 patients témoins de neurochirurgie sont dessinés en bleu clair). (C) Tractographie probabilistique préopératoire sur les données DTI montrant les radiations acoustiques droites et les fasciculus d'arcuate par rapport à la tumeur du patient AE (seuil de 5%, superposé sur l'image T2-weighted indigène). (D) Pendant son opération, le patient AE a effectué la même tâche que pendant l'IRMf dans laquelle il a dû écouter de courtes mélodies de piano et les hum en arrière, ou une courte phrase et le répéter. Il a été constaté que la stimulation électrique directe au gyrus temporel supérieur postérieur droit a perturbé la performance dans la tâche de répétition lorsqu'elle est exécutée sur des mélodies (pour certains essais), mais n'a pas affecté la performance (sur les essais) pour la même tâche de répétition sur des phrases (voir www.openbrainproject.org pour les vidéos de cartographie musicale peropératoire).Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 . Démonstration de la diasèse spécifique au domaine : Analyse de la relation entre l'emplacement des lésions et l'activité neuronale stimulée chez un groupe de patients atteints de gliome étudiés de façon préopératoire dans le cadre du Programme pour le cerveau translationnel. Une conséquence importante de l'administration d'un ensemble commun d'IRM fonctionnelles et d'études comportementales à tous les patients qui passent par le Programme de cartographie du cerveau translationnel à l'Université de Rochester Medical Center est l'occasion de mener à bien le groupe-niveau analyses sur de plus grands ensembles de patients étudiés consécutivement. À titre d'exemple, la figure 5 montre les résultats d'un test de l'hypothèse scientifique fondamentale selon lequel les réponses neuronales aux « outils » du lobe temporal sont modulées en ligne par des entrées du cortex pariétal. Si cette hypothèse est correcte, alors les lésions (tumeurs) dans le cortex pariétal devraient modifier des réponses neurales dans le lobe temporel aux « outils », et la variance entre les patients dans l'activité neurale aux « outils » dans le lobe temporel devrait être corrélée avec la présence des lésions ( dans le cortex pariétal. (A) Les lésions au cortex pariétal sont prédites au niveau du groupe (régression logistique) de la variance entre les patients dans les réponses neuronales dans le gyrus fusiforme médial sur la surface ventrale du lobe temporal. (B) Les réponses neuronales aux outils dans le gyrus fusiforme médial sont prédites au niveau du groupe (régression logistique) de la variance dans la question de savoir si la lésion/tumeur implique le Sulcus intrapariétal antérieur (aIPS). Les résultats résumés dans les panneaux A et B représentent un exemple de diaschesis dynamique53, dans ce cas,« spécifique au domaine » diaschesis dynamique, parce que la relation de l'emplacement de la lésion à l'activité neuronale est modulée par le type de stimulus en cours de traitement ( c'est-à-d., la relation est présente pour les outils, et non pour les lieux, le visage ou les animaux)-pour tous les détails voir Garcea et ses collègues14. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. 

Discussion

Les connaissances acquises grâce à l'expérience acquise lors de l'établissement du Programme de cartographie du cerveau translationnel de l'Université de Rochester peuvent être résumées en deux éléments fondamentaux. Tout d'abord, des canaux de communication structurés ont été établis entre les scientifiques cognitifs, les neurooncologues, les neuropsychologues, les épileptologues, les neurophysiologistes, les neuro-anesthésistes, les neurochirurgiens et leur soutien respectif techniciens et le soutien administratif. Ceci permet aux patients, y compris les patients urgents de tumeur de haut grade, d'être référépour l'évaluation préopératoire avec le temps suffisant pour tourner des analyses autour aux chirurgiens avant la procédure. Le deuxième élément essentiel à la réussite du Programme de cartographie du cerveau a été de se multiplier dans les possibilités de formation pour les étudiants de premier cycle, les étudiants diplômés (MS, PhD), les étudiants en médecine, ainsi que les résidents en neurochirurgie, neurologie et neuroradiologie et Boursiers. La combinaison de ces deux éléments sert à faire participer tous les fournisseurs cliniques aux objectifs scientifiques du Programme de cartographie du cerveau et à faire en sorte que les objectifs scientifiques fondamentaux soient étroitement liés à l'objectif clinique d'optimiser les résultats de chaque patient.

Disclosures

Un brevet provisoire (U.S. Provisional Patent Number 62/917,258) a été déposé 11/30/18 pour "StongView: An integrated hardware/software system to facilitate cognitive testing during awake brain surgery and to support real-time analyses in the service of prédire les résultats des patients.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par les subventions des NIH R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535, et NSF Grant BCS-1349042 à BZM, et par une bourse de formation prédoctorale de l'Université de Rochester Center for Visual Science (Subvention de formation des NIH 5T32EY0007125-24) à FEG. Nous sommes reconnaissants à Keith Parkins pour son travail sur le développement de StrongView, qui a été soutenu par la subvention de base P30EY00131 au Centre des sciences visuelles de l'Université de Rochester Medical School. Le Programme de cartographie du cerveau translationnel de l'Université de Rochester a été créé, en partie, avec le soutien de Norman et Arlene Leenhouts, et avec une subvention du Wilmot Cancer Institute aux Drs Kevin Walter et Bradford Mahon. Vous trouverez de l'information sur le Programme de cartographie du cerveau translationnel du Centre médical de l'Université de Rochester à l'adresse suivante : www.tbm.urmc.edu.

Materials

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