Author Produced

Mapeamento cerebral translacional na Universidade de Rochester Medical Center: preservando a mente através de mapeamento cerebral personalizado

Neuroscience
 

Summary

Este artigo fornece uma visão geral de um programa de mapeamento de cérebro multimodal projetado para identificar regiões do cérebro que suportam funções cognitivas críticas em pacientes de neurocirurgia individuais.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

O programa de mapeamento cerebral translacional na Universidade de Rochester é um esforço interdisciplinar que integra a ciência cognitiva, neurofisiologia, Neuroanestesia e neurocirurgia. Os pacientes que têm tumores ou tecido epileptogênico em áreas de cérebro eloqüente são estudados no pré-operatório com RM funcional e estrutural, e no intraoperatório com mapeamento de estimulação elétrica direta. O resultado neural e cognitivo pós-operatórios mede os estudos de ciência básica sobre os fatores que mediam o desfecho bom versus o ruim após a cirurgia e como o mapeamento cerebral pode ser otimizado para garantir o melhor resultado para futuros pacientes. Neste artigo, descrevemos o fluxo de trabalho interdisciplinar que permite que nossa equipe atenda aos objetivos sinergéticos de otimizar o desfecho do paciente e avançar na compreensão científica do cérebro humano.

Introduction

Intervenções neurocirúrgicas para remover tumores cerebrais ou tecido epileptogênico adjacente a áreas cerebrais que suportam funções cognitivas críticas devem equilibrar o objetivo clínico da cirurgia (remover tanto tumor, ou tecido epileptogênico quanto possível) contra danos ao tecido saudável que pode causar déficits neurológicos. No contexto da cirurgia do tumor cerebral, este equilíbrio é referido como o equilíbrio Onco-funcional. No lado ' Onco ' do saldo, os cirurgiões querem remover o máximo possível do tumor, pois as taxas de ' ressecção tumoral total bruta ' estão ligadas à sobrevida mais longa1,2. No lado ' funcional ', a remoção de tumores pode danificar substratos corticais e subcortical da cognição; as dificuldades pós-operatórias podem envolver a linguagem, a ação, a visão, a audição, o toque ou o movimento, dependendo do (s) sistema (es) neural afetado. O equilíbrio Onco-funcional é extremamente importante porque o aumento da morbidade está associado à i) menor qualidade de vida, II) aumento das complicações pós-operatórias que podem aumentar a mortalidade (por exemplo, pacientes que não podem mais se mover são maior risco de coágulos sanguíneos3,4). A tensão inerente ao equilíbrio ' Onco-funcional ' no cenário da cirurgia do tumor cerebral traduz-se também na cirurgia de epilepsia — existe o equilíbrio entre o objetivo clínico de remover todo o tecido que está gerando convulsões, enquanto não remove o tecido que suporta funções críticas.

Em um nível largo, a neuroanatomia funcional é altamente estereotipada de indivíduo para indivíduo. No entanto, pode haver um alto grau de variabilidade individual na localização precisa (i.e., mm a mm) de funções corticais mais elevadas. Além disso, é geralmente reconhecido que a presença de patologia cortical ou subcortical pode estimular a reorganização cortical, embora os princípios que impulsionam tal reorganização sejam pouco compreendidos5. Intervenções neurocirúrgicas prosseguem milímetro por milímetro. É assim crítico mapear o cérebro de cada paciente, em detalhe e com sensibilidade e precisão, a fim compreender que regiões nesse apoio paciente específico que funções sensoriais, cognitivas e motoras6.

O programa de mapeamento cerebral translacional na Universidade de Rochester foi projetado para atender às necessidades de mapeamento cerebral personalizado no cenário de uma prática de alta através de Put abrangendo vários cirurgiões acadêmicos. Os objetivos sinergéticos do programa de mapeamento cerebral são para i) usar as ferramentas de neurociência cognitiva para avançar a neuromedicina personalizada, na forma de mapas cerebrais funcionais específicos do paciente, e II) usar a preparação clínica de intervenções Neurosurgical para testar hipóteses mecanicista sobre como as funções humanas do cérebro.

Protocol

As atividades mostradas no vídeo e descritas neste documento caem dentro de um IRB de risco maior do que o mínimo no centro médico da Universidade de Rochester.

1. o recrutamento

  1. Estabeleça um programa High through-Put para a avaliação cognitiva e MRI-baseada pré-operativa para travar pacientes de todos os fornecedores consultando em uma maneira oportuna e eficiente. Envolver o pessoal administrativo e clínico no esforço mais amplo.
    Nota: um passo concreto que provou ser eficaz foi o estabelecimento de uma lista de e-mail do grupo que é automaticamente enviado pelo cirurgião assistente (ou alguém em sua equipe de apoio) quando um novo paciente apresenta a clínica que pode ser um candidato para o recrutamento para o cérebro Programa de mapeamento.

2. mapeamento pre-operative de MRI

  1. Adquira dados de MRI em um varredor de 3T MRI com uma bobina da cabeça 64-Channel no centro para a imagem latente e a neurofisiologia avançadas do cérebro (sabido formalmente como o ' centro de Rochester para a imagem latente do cérebro ") na Universidade da escola médica de Rochester. Use sequências padrão para RM em negrito e DTI permitindo a imagem cerebral completa, conforme descrito nas publicações anteriores7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.
  2. Monitore a fixação, e recorde a respiração e a frequência cardíaca coletadas durante toda a fMRI para a regressão de confunde do ruído26,27.
    Nota: nos últimos 10 anos, desenvolvemos uma biblioteca de experimentos funcionais de RM para mapear a linguagem (falada, auditiva, palavras únicas, frases inteiras), função motora (de movimentos intransitivos de dedo, língua e pé para ações transitivas de alto nível), música habilidade, matemática e conhecimento de número, e função sensorial básica (por exemplo, mapeamento retinotópico para mapear o processamento visual de baixo nível11,14,24). Todos os experimentos, materiais e scripts de análise estão disponíveis em www.openbrainproject.org.

3. testes neuropsicológicos

  1. Tome cuidado durante todos os testes cognitivos para garantir que os pacientes sejam confortáveis, assegurados usando uma configuração ergonomicamente otimizada (Figura 1) e construindo pausas freqüentes (a cada 8 min) na estrutura de todos os testes.
  2. Todos os pacientes com tumores de baixo grau completam os seguintes testes 1 mês antes da cirurgia, 1 mês após a cirurgia e 6 meses após a cirurgia (os testes 12 e 13 são completados apenas no pré-operatório e 6 meses no pós-operatório)28,29 ,30,31,32.
    1. Discurso espontâneo (cookie Theft Picture33, Cinderela Story34,35,36).
    2. Categoria fluência (ações, categorias semânticas, palavras começando com F, A, S).
    3. Palavra leitura e repetição (substantivos, verbos, adjetivos, não-palavras, correspondido no comprimento e frequência).
    4. Nome do objeto Snodgrass (n = 26037).
    5. Nomeação auditiva (n = 6038).
    6. Conclusão da sentença High-Cloze (30 min).
    7. Birmingham objeto reconhecimento bateria (BORB, incluindo comprimento | Tamanho | Orientação | Correspondência de Gap | Figuras sobrepostas | Visões antecipadas | Decisão de realidade de objeto39).
    8. Discriminação auditiva de pares mínimos (p. ex., PA vs. da, GA vs. ta31,40).
    9. Frase correspondência de imagem (incluindo passivas reversível40).
    10. Nomeação de cores e Farnsworth Munsell Hue classificação41.
    11. Teste de rosto de Cambridge30,42.
    12. Teste de aprendizagem verbal da Califórnia (43)
    13. Weshler IQ (44,45,46). As principais medidas para avaliar o desfecho da linguagem são os testes 4-6; caracterizar habilidades mais amplas garante prejuízos nos testes de nomeação não são devidos ao declínio geral do desempenho47.
      Nota: no passado, nós usamos uma combinação de plataformas da apresentação do software para controlar a apresentação do estímulo e a gravação da resposta durante testes pre-e post-operative. Estamos atualmente projetando uma única plataforma plug-and-Play para apoiar todos os testes cognitivos (pré, intra e pós-operatórios), bem como apresentação de estímulo e gravação de resposta durante a ressonância magnética funcional (veja abaixo para descrição de StrongViewTM ). StrongView, juntamente com built-in testes neuropsicológicos, estará disponível para download (licença aberta) em www.openbrainproject.org.

4. Neuroanestesia e ergonomia do mapeamento da linguagem intraoperatória

  1. Uso de técnicas anestésicas para craniotomias acordadas48,49,50; na Universidade de Rochester, os craniotomias acordados são executados tipicamente usando uma aproximação adormecida-acordado-adormecida.
  2. Evite pré-medicações como anticonvulsivantes e ansiolíticos, pois podem prejudicar a função cognitiva e contribuir para o delirium de emergência.
  3. Aplicar monitores padrão (EKG, NIBP, oximetria de pulso) e induzir anestesia geral com fentanil intravenoso (0,5 mg/kg), lidocaína (1-1,5 mg/kg) e propofol (1-2 mg/kg).
  4. Use uma via aérea supraglótica para ventilação mecânica.
  5. Posicione o paciente lateralmente ou semilateralmente com a cabeça fixada em um quadro fixado; conforme descrito no vídeo, o posicionamento do paciente depende da localização da lesão e da janela de craniotomia planejada, ao mesmo tempo que leva em consideração que os tipos de testes cognitivos que o paciente será solicitado a realizar uma vez acordado durante a cirurgia.
  6. Aplicar analgesia no local do pino e da incisão (30 mL de lidocaína a 0,5%, 30 mL de 0,5% de planície de Sensorcaine, 6 mL de bicarbonato de sódio). Durante este período, posicione o equipamento de teste (monitor pequeno, câmeras de vídeo, microfones direcionais).
  7. Determine o tamanho da janela de craniotomia por múltiplos fatores, que variam em sua ponderação de acordo com os resultados do mapeamento clínico pré-operatório do cérebro do paciente, estudos funcionais de mapeamento cerebral e o plano de mapeamento intraoperatório. No caso descrito no vídeo, o cirurgião assistente (Dr. Pilcher) escolheu uma grande craniotomia para ter acesso total para mapear sítios de linguagem e motor positivos no hemisfério dominante.
  8. No início da fase acordada, interrompa a sedação (os analgésicos locais são aplicados antes da incisão).
  9. Retire a via aérea supraglótica uma vez que o paciente recupera a consciência. Não há nenhuma ou sedação mínima durante a fase acordada.
  10. Use o electrocorticography (ECoG) para monitorar após-descargas (descargas epileptiformes subclinical induzidas pela estimulação cortical) para assegurar-se de que os níveis de DES estejam ajustados apenas abaixo do limiar After-Discharge. O procedimento de mapeamento DES inicia encontrando o limiar de pós-descarga e ajustando a amplitude da estimulação (em passos de. 5 miliampères).
  11. Ajuste a amplitude da estimulação durante toda a sessão de mapeamento (2 a 15 mA) a critério do cirurgião assistente. Os pacientes visualizam estímulos em um monitor e podem falar e mover seus antebraços e mãos.

5. procedimentos para aquisição de dados de grau de pesquisa durante o mapeamento de estimulação elétrica direta intraoperatória

  1. Execute todos os testes cognitivos intraoperatórios em um sistema de hardware/software personalizado chamado ' StrongView ', disponível em www.openbrainproject.org. A pegada de hardware é auto-suficiente em um carrinho pequeno, e é equipado com uma fonte de alimentação de bateria de backup independente, alto-falantes, teclado e tela sensível ao toque. A pessoa encarregada de executar o teste cognitivo pode iniciar, parar e pausar a apresentação do estímulo, enquanto grava continuamente (áudio e vídeo) durante o caso.
  2. Use um sistema de áudio no carrinho de tal forma que um microfone direcional que é treinado na boca do paciente, que se alimenta através de um divisor. Um canal que sai do divisor atravessa um amplificador e diretamente para um alto-falante. Isso permite que cirurgiões e pesquisadores ouçam facilmente as respostas do paciente contra o ruído de fundo da sala de operação com um atraso perceptível zero (ou seja, eliminando os efeitos de ' eco '). O segundo canal do divisor vai para o PC no carrinho móvel, onde é carimbado no tempo, gravado e armazenado (esses arquivos são usados para análise offline). StrongView igualmente tem um sistema audio separado (autônomo) que consista em um segundo microfone direcional treinado também no paciente, em um microfone direcional treinado nos cirurgiões, e em um microfone do "ruído" em um canto da sala de operação para provar o tom do quarto para subtração dos arquivos de áudio principais. Esses três canais de áudio feed para um MIDI, e para um segundo computador que registra cada canal separadamente. Este segundo sistema de áudio fornece redundância caso o sistema primário falhe, todas as respostas verbais do paciente estarão disponíveis para análise offline.
  3. Anexe um suporte de tela de éter L comercialmente disponível à tabela de sala de operação (OR) usando um grampo de mesa ou. Prenda os braços articulados (por exemplo, Manfrotto 244 braços mágicos da fricção variável) à tela do éter L-suporte, e aqueles braços articulando apoiam o monitor paciente, os microfones direcionais, a câmara de vídeo treinada na cara do paciente, e um monitor auxiliar a permitir que um membro da equipe de pesquisa ou enfermeira da sala de operação para ver facilmente o que o paciente vê enquanto interage com o paciente.
  4. Execute todos os cabos necessários para as telas, os microfones, e a câmera ao longo do braço e proteja-o pela tubulação plástica fixada com Velcro.
    Obs.: nenhum desses equipamentos precisa ser esterilizado como é (somente sempre) no lado não estéril do campo (Figura 1). Esta maneira de suportar a apresentação do estímulo e o equipamento de gravação da resposta fornecem a flexibilidade máxima para tomar em consideração a ergonomia de deferimento do teste cognitivo de acordo com o posicionamento paciente que varia o caso pelo caso, contudo fornece uma confiança e plataforma estável em que para anexar o equipamento. Além disso, e importante, porque todos os monitores, microfones e câmeras são anexados à tabela ou através de um único dispositivo (éter tela L-Bracket), se o posicionamento da tabela é ajustado durante o caso, isso não afeta a configuração de teste. (Observe que a configuração mostrada na Figura 1 é de uma configuração de geração anterior na qual um suporte montado no chão suportou a tela do paciente, o microfone e a câmera de vídeo; que o suporte montado no chão foi substituído desde 2018 com a tela de éter L-Bracket). Também, e importante para a segurança paciente, a instalação inteira para o teste cognitivo pode ser discriminada em menos de 20 segundos durante o caso se uma situação emergente se apresentar que exige o acesso cheio e desobstruído ao paciente (por exemplo, ao patient ' s via aérea).
  5. O coração de StrongView é um sistema de software flexível para i) apresentando estímulos (visuais, auditivos) para pacientes e registrando respostas do paciente (verbal, resposta de botão, vídeo), II) registrando temporalmente todos os eventos relevantes experimentalmente e medidas (estímulo em, ECoG, contato com cérebro de sonda de estimulador elétrico direto, respostas do paciente); III) e comunicação com sistemas de navegação craniana para obtenção da coordenada 3 dimensional para cada aplicação de estimulação elétrica direta. StrongView permite a re-calibração em linha de variáveis experimentais tais como a duração do estímulo, interestímulo-intervalos, randomização, número de repetições ou blocos de estímulos, e controle dos canais video e Audio pacientes. StrongView córregos a câmara de vídeo paciente, os dados em linha de ECoG, e o estímulo que o paciente está vendo atualmente/audição a uma exposição do desktop, que seja espelhada igualmente em um grande monitor que esteja na linha de vista do cirurgião.
  6. Prenda um fotodiodo ao monitor paciente e alimente-o em um canal aberto no amplificador de ECoG. Isso fornece uma sincronização temporal entre a apresentação de cada estímulo e ECoG para análise offline.
  7. Use hardware e software de navegação craniana (na Universidade de Rochester, BrainLab Inc., Munique, Alemanha) em todos os casos pela equipe cirúrgica para a navegação craniana intraoperatória baseada na RM pré-operatória. Este é um sistema óptico constituído por um conjunto de câmaras que visualizam o campo de funcionamento e registam a cabeça do doente através de uma estrela de registo fixa que é aposta na mesa de operação (ver Figura 1).
    1. Especificamente, depois que o paciente é ajustado no headholder, mas antes de drapejar, use a fisionomia facial do paciente para registrar a cabeça do paciente à MRI pré-operativa. Isto permite que MRI pre-operative (funcional e estrutural) seja trazido no alinhamento direto com o patient ' cérebro de s na tabela de funcionamento.
    2. Anexe uma segunda estrela de registro (muito menor) ao estimulador bipolar (veja a Figura 1) e use para registrar o comprimento e a posição do estimulador no campo. Isso permite que a equipe de pesquisa adquira a localização exata de cada ponto de estimulação, bem como as margens da ressecção, em relação à RM pré-operatória. Como observado acima, StrongView está conectado com o sistema de navegação craniana (na Universidade de Rochester, BrainLab, conexão via link IGT) para permitir a transmissão em tempo real (e carimbo de tempo) das coordenadas de mapeamento de estimulação elétrica direta. StrongView está atualmente sendo desenvolvido para interface com outros sistemas de navegação craniana (por exemplo, Stryker).
      Observação: aspectos de StrongView que suportam a administração e coleta de dados durante experimentos cognitivos e fMRI, juntamente com uma biblioteca de testes, estarão disponíveis (acesso aberto) em OpenBrainProject.org. As versões beta estão disponíveis antes da liberação completa entrando em contato com o autor correspondente. Toda a Suite StrongView, que inclui sistemas de hardware para integrar com Electrocorticography e software de navegação craniana, está disponível para clínicos e cientistas contactando o autor correspondente. Estas ferramentas de aquisição de dados serão confluentes com um pipeline de pós-processamento e Open Data Consortium, a ser lançado em 2020 em OpenBrainProject.org.

Representative Results

A figura 2, Figura 3, e a Figura 4 apresentam resultados representativos do mapeamento funcional e estrutural pré-operatório para três pacientes com tumores adjacentes a regiões eloqüentes do cérebro. Os achados mostrados na figura 2, Figura 3e Figura 4 destinam-se a ser ilustrativos (em vez de um resumo exaustivo) dos tipos de mapas que são gerados para cada paciente. Detalhes sobre os casos apresentados na figura 2, Figura 3e Figura 4 podem ser encontrados em: Figura 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, na imprensa51), Figura 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher e Mahon, 201952), e Figura 4 (garcea et al., 201716). Uma consequência importante do recrutamento consecutivo de pacientes com glioma em um protocolo uniforme é que ele faz possíveis análises em nível de grupo que avaliam o efeito dos tumores cerebrais na função e organização da rede. Como exemplo desse tipo de análise, a Figura 5 apresenta resultados de um estudo recente 14 que constatou que tumores no córtex parietal esquerdo modularam respostas neurais a ' ferramentas ' (pequenos objetos manipuláveis) no lobo temporal, um exemplo de um fenômeno mais geral referido como diaschesis dinâmico53.

Figure 1
Figura 1Visão geral do equipamento utilizado para testes cognitivos extra-operatórios e intraoperatórios. (A) configuração de exemplo para testes neuropsicológicos cognitivos de alta passagem, conforme implementado pelo programa de mapeamento cerebral translacional no departamento de neurocirurgia da Universidade de Rochester Medical Center. Os principais elementos para garantir que todos os pacientes recrutados são capazes de completar todos os testes planejados incluem: i) um local para os pacientes sentarem-se e concluírem os testes que são totalmente ajustáveis ao tamanho de cada paciente, incluindo uma cadeira projetada especificamente para reduzir fadiga, e II) localizando testes cognitivos/comportamentais fisicamente adjacentes à RM. Estes elementos permitem que os pacientes visitem a instalação e completem sua RM funcional e estrutural dentro da mesma sessão que os dados comportamentais do núcleo são medidos. Os participantes concluem mais testes com melhor desempenho se forem confortáveis, especialmente para populações participantes mais antigas com outras comorbidades que podem tornar a sessão por períodos prolongados desconfortável. (B) equipamento utilizado durante o mapeamento intraoperatório. A imagem à esquerda mostra um paciente antes de ser drapejado (direito é após drapejar). Antes de drapejar, a equipe de ciência cognitiva configura seus equipamentos, incluindo gravadores de áudio e vídeo do paciente, um monitor posicionado na frente da linha de visão do paciente, e um segundo monitor posicionado para que a pessoa que trabalha com o paciente possa facilmente Ver o estímulo em que o paciente está atualmente olhando (ver "procedimento" para detalhes). (C) estimulador bipolar com a estrela do registro unida aos locais do registro da estimulação intraoperativa no espaço pré-operativo de MRI DICOM. Geralmente no momento da cirurgia em que a dura foi retraído e o paciente está sendo despertado da anestesia geral, há alguns minutos em que para registrar o estimulador bipolar para o campo. Isso deve ser feito por um membro da equipe que é esfregando para o caso (ou seja, ou cirurgião residente ou um Scrub Tech/enfermeira). É conseguido anexando uma pequena estrela de registro ao estimulador bipolar e seguindo as instruções no sistema de navegação craniana para registrar um novo instrumento no campo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2 . MRI funcional pre-operativo e imagem latente do tensor da difusão (DTI) no paciente AH com um glioma parietal inferior esquerdo que infiltrou o fasciculus arcuo. (A) pré-operatório T1 RM e reconstrução 3D do fascículo arcuo esquerdo e glioma. O fascículo arcuo é mostrado na laranja em um ponto inicial de 5% com o tumor reconstruído no azul. (B) RM funcional pré-operatória. O paciente completou várias sessões de RM funcional que foram projetadas para mapear uma função que era esperada para ser adjacente à área de intervenção cirúrgica. Todos os mapas são limitados em FDR q <. 05 ou melhor. Em azul são voxels que exibem respostas neurais diferenciais ao nomear ferramentas em comparação com animais; em consonância com estudos anteriores de nosso laboratório utilizando os mesmos estímulos, uma rede robusta é identificada envolvendo áreas temporais pré-motoras, parietal e lateral e ventral7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. O paciente foi pedido igualmente para realizar uma tarefa do aprender em que teve que julgar que de duas nuvens dos pontos teve mais pontos; as duas nuvens de pontos poderiam ter um número semelhante de pontos (comparação difícil, ratio = 0,8) ou números muito diferentes de pontos (comparação fácil, relação = 0,25). Em verde são voxels que exibem respostas neurais diferenciais ao realizar a tarefa sobre estímulos de relação dura (ratio = .8) em comparação com estímulos fáceis (ratio = .25 54,55). O paciente também foi solicitado a mover as mãos e os pés (ou Flex/extensão ou girar25). Em vermelho são voxels que exibiram respostas neurais diferenciais aos movimentos da mão direita em comparação com os movimentos do pé direito. Finalmente, o paciente foi convidado a gerar tantos itens como ele poderia pensar em 30 segundos de várias categorias (por exemplo, ' coisas que você faz na cozinha ', ' animais ', palavras que começam com ' F ', etc.). Em roxo são voxels que exibiam atividade neural diferencial para a produção de palavras evidente em comparação com a fixação/descanso. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 . Tractography pre-operative da matéria branca do intervalo de Aslant frontal e das fibras u-dadas forma adjacentes. Experiência prévia no programa de mapeamento cerebral translacional (Chernoff et al., 201756) com mapeamento cerebral em pacientes com gliomas adjacentes ao trato aslant frontal demonstraram que a transecção (mesmo parcial) desta via pode ser associada com disfluências na fala espontânea, enquanto a repetição da língua falada pode permanecer intacta. Essa experiência prévia foi utilizada para informar o mapeamento pré-operatório do trato aslant frontal em AI paciente11. (A) fatias coronais mostrando o trato aslant frontal (azul-azul claro) e fibras em forma de você (vermelho-amarelo). O trato aslant frontal passa apenas anterior e medial para o glioma. (B) renderização 3D do trato aslant frontal (azul) e tumor (vermelho) a partir de múltiplas perspectivas. Os estudos anatômicos pré-operatórios (painéis A e B) indicaram que, ao término da ressecção tumoral, seria possível definir a margem anterior do tumor por meio do mapeamento direto da estimulação elétrica. Assim, projetamos uma nova tarefa de linguagem com base em nossa experiência prévia, especificamente para testar se a estimulação do trato aslant frontal interromliam a produção de sentenças nos limites das frases gramaticais. (C) a estimulação elétrica direta do trato aslant frontal interrompe a produção de sentenças diferencialmente nos limites das frases gramaticais. A captura de tela (painel C, à esquerda) do vídeo mostra o paciente, o estímulo com o qual ele foi apresentado, a mão do cirurgião segurando o estimulador bipolar em contato com o trato aslant frontal na margem anterior do tumor, e a localização em coronal e fatias sagitais do local de estimulação atual (ponto vermelho) em relação ao trato aslant frontal (azul). A tarefa do paciente era descrever a relação espacial da forma alvo em relação à localização de uma forma de referência (para o ensaio mostrado, a resposta correta seria: "o quadrado vermelho está abaixo do diamante vermelho"). Nós encontramos que a estimulação do intervalo aslant frontal interromperam a produção da sentença, e diferencialmente assim no começo de frases gramaticais novas (painel C, gráfico à direita; para o vídeo do procedimento de mapeamento intraoperativo neste paciente, veja www.openbrainproject.org). esta observação motiva uma hipótese nova sobre o papel do intervalo aslant frontal na produção da sentença: as limitações Syntagmatic na hipótese de elementos posicionais (SCOPE)11. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 

Figure 4
A Figura 4. MRI funcional e estrutural pre-operative e mapeamento elétrico direto intraoperativo da estimulação em um músico profissional com um glioma no lóbulo temporal direito do posterior.(Um) Mapeamento de fMRI pré-operativo de processamento visual de alto nível, produção de linguagem e conhecimento de ferramentas. O tumor, amarelo sombreado, estava no lobo temporal direito, visível através do sulco temporal superior direito (sulcos ligeiramente expandidos para facilitar o visualização). Porque o tumor foi encontrado perto das áreas de processamento do movimento no córtice temporal lateral, nós localizamos MT/V5 comparando a atividade neural quando o paciente atendeu às matrizes de pontos moventes à atividade neural eliciada por pontos estacionários; voxels exibindo respostas neurais diferenciais para movimento em comparação com pontos estáticos são plotados na escala de cor branco-púrpura (estamos gratos a Duje Tadin para obter assistência com o desenvolvimento deste localizador funcional). Quanto a todos os outros casos estudados no programa de mapeamento cerebral translacional (por exemplo,A Figura 2,A Figura 3), os voxels que exibem respostas neurais diferenciais para nomear imagens comuns são comparados a uma linha de base da visualização de versões codificou em fases das mesmas imagens; Isso é plotado na escala de cores verde-branco. Esse contraste identificou o complexo occipital lateral bilateral, o giro temporal médio/superior bilateral, e o córtice do motor (associado com a atividade do motor da fala). Também como emA Figura 2, os voxels que exibem respostas neural diferenciais ao nomear ' ferramentas ' foram encontrados no lóbulo parietal inferior esquerdo, no córtice occipital parietal/dorsal superior bilateral, e no giro temporal médio/inferior esquerdo do posterior (escala de cor azul-branca). Finalmente, e novamente como emA Figura 2, o paciente foi pedido para terminar uma tarefa verbal da produção da palavra da fluência. Os voxels associados à geração de palavras em comparação com uma linha de base de repouso são plotados na escala de cor vermelho-branco e foram encontrados no giro frontal inferior esquerdo (área de broca), córtex parietal temporal/inferior superior e sistema motor de fala. (B) O paciente concluiu experimentos funcionais múltiplos de MRI pre-operatively especificamente para mapear o processamento da música. Em uma experiência, modelado após o trabalho anterior do laboratório de Greg Hickok57, o paciente ouviu melodias curtas do piano e teve que zumbido a melodia para trás, ou ouviu sentenças curtas e teve que repetir as sentenças para trás. Plotado no cérebro na escala de cor vermelho-roxa são voxels que exibiu a atividade neural diferencial para a música do que para a língua. Quatro estudantes de pós-graduação da Eastman School of Music completaram o mesmo experimento de fMRI; a borda da região identificada para o mesmo contraste funcional nos controles saudáveis combinados é plotada no contorno verde. Além disso, outros 10 pacientes com neurocirurgia completaram o mesmo experimento, também na fase pré-operatória de seu tratamento. Quando o objetivo centesimal naqueles 10 pacientes era identificar áreas língua-responsivas (thorugh o contraste da música da língua >), o contraste da música > a língua identifica uma região muito similar do giro temporal superior direito (beiras do funcional região dos 10 pacientes de neurocirurgia de controle são desenhados em azul claro). (C) Tractografia probabilística pré-operatória sobre dados de DTI mostrando as radiações acústicas direitas e o fascículo arcuo em relação ao tumor do AE do paciente (limiar de 5%, sobreposto na imagem de T2-weighted nativa). (D) Durante sua cirurgia, o AE paciente executou a mesma tarefa que durante o fMRI em que teve que escutar melodias curtas do piano e os zumbido para trás, ou uma sentença curta e repete-a para trás. Verificou-se que a estimulação elétrica direta para o giro posterior direito temporal superior interromvertido o desempenho na tarefa de repetição quando realizada sobre melodias (para alguns ensaios), mas não afetou o desempenho (em quaisquer ensaios) para a mesma tarefa de repetição executado sobre sentenças (veja www.openbrainproject.org para vídeos do mapeamento intraoperativo da música).Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5 . Demonstração de diaschesis domínio-específico: análise da relação da posição da lesão e da atividade neural estímulo-eliciada através de um grupo de pacientes do glioma estudados pre-operatively no programa para o cérebro translational. Uma consequência importante da administração de um conjunto comum de RM funcional e estudos comportamentais a todos os pacientes que passam pelo programa de mapeamento cerebral translacional no centro médico da Universidade de Rochester é a oportunidade de realizar o nível de grupo análises em séries maiores de pacientes consecutivamente estudados. Como exemplo, a Figura 5 mostra os resultados de um teste da hipótese da ciência básica de que as respostas neurais a ' ferramentas ' no lobo temporal são moduladas on-line por insumos do córtex parietal. Se essa hipótese estiver correta, então as lesões (tumores) no córtex parietal devem alterar as respostas neurais no lobo temporal para ' ferramentas ', e a variância entre os pacientes em atividade neural para ' ferramentas ' no lobo temporal deve ser correlacionada com a presença de lesões ( tumores) no córtex parietal. (A) as lesões ao córtice parietal são previstas a nível do grupo (regressão logística) da variância através dos pacientes em respostas neural no giro fusiforme medial na superfície ventral do lóbulo temporal. (B) as respostas neurais às ferramentas no giro fusiforme medial são previstas no nível do grupo (regressão logística) da variância em se a lesão/tumor envolve o sulcus Intraparietal anterior (AIPS). Os achados resumidos nos painéis A e B representam uma instância de diaschese dinâmica53, neste caso, "domínio-específico" diaschesis dinâmico, porque a relação do local da lesão à atividade neural é modulada pelo tipo de estímulo que está sendo processado ( ou seja, a relação está presente para ferramentas, e não para lugares, rosto ou animais)-para detalhes completos ver Garcea e colegas14. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 

Discussion

O conhecimento adquirido a partir da experiência de estabelecer o programa de mapeamento cerebral translacional na Universidade de Rochester pode ser destilado em dois elementos principais. Em primeiro lugar, foram estabelecidos canais estruturados de comunicação entre cientistas cognitivos, neuro-oncologistas, neuropsicólogos, epileptólogos, neurofisiologistas, neuro-anestesiologistas, neurocirurgiões e seus respectivos apoio técnicos e apoio administrativo. Isso permite que pacientes, incluindo pacientes com tumores de alta qualidade urgentes, sejam encaminhados para avaliação pré-operatória com tempo suficiente para transformar as análises ao redor dos cirurgiões antes do procedimento. O segundo componente crítico para o sucesso do programa de mapeamento cerebral tem sido o de dobrar em oportunidades de formação para estudantes de graduação, estudantes de pós-graduação (MS, PhD), estudantes de medicina, bem como neurocirurgia, a Neurologia e neuroradiologia residentes e Companheiros. A combinação desses dois elementos serve para envolver todos os prestadores clínicos com os objetivos científicos do programa de mapeamento cerebral, e assegura que os objetivos da ciência básica estão entrelaçados com o objetivo clínico de otimizar o resultado de cada paciente.

Disclosures

Uma patente provisória (U.S. patente provisória número 62/917258) foi arquivada 11/30/18 para "StongView: um sistema de hardware/software integrado para facilitar o teste cognitivo durante a cirurgia do cérebro acordado e para apoiar análises em tempo real no serviço de prevendo o desfecho do paciente. "

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado por NIH Grants R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535, e NSF Grant BCS-1349042 para BZM, e por uma Universidade de Rochester Center for Visual Science pré-doutorado formação Fellowship (NIH formação Grant 5T32EY007125-24) para FEG. Estamos gratos a Keith Parkins por seu trabalho sobre o desenvolvimento de StrongView, que foi apoiado pelo núcleo Grant P30EY00131 para o centro de ciência Visual da Universidade de Rochester Medical School. O programa de mapeamento cerebral translacional na Universidade de Rochester foi criado, em parte, com o apoio de Norman e Arlene Leenhouts, e com uma subvenção do Wilmot Cancer Institute para Drs. Kevin Walter e Bradford Mahon. Informações sobre o programa de mapeamento cerebral translacional na Universidade de Rochester Medical Center podem ser encontradas em: www.tbm.urmc.edu.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
NA NA NA

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Usage Statistics