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Mappatura del cervello traslazionale presso il centro medico dell'Università di Rochester: Preservare la mente attraverso la mappatura del cervello personalizzata

Neuroscience
 

Summary

Questo articolo fornisce una panoramica di un programma di mappatura del cervello multimodale progettato per identificare le regioni del cervello che supportano le funzioni cognitive critiche nei singoli pazienti di neurochirurgia.

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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

Il Translational Brain Mapping Program presso l'Università di Rochester è uno sforzo interdisciplinare che integra la scienza cognitiva, la neurofisiologia, la neuroanestesia e la neurochirurgia. I pazienti che hanno tumori o tessuto epilettico in aree cerebrali eloquenti sono studiati preoperatorio con risonanza magnetica funzionale e strutturale e intraoperatoriamente con la mappatura diretta della stimolazione elettrica. Le misure di esito neurale e cognitivo post-operatorio alimentano gli studi scientifici di base sui fattori che mediano il buon risultato rispetto al risultato negativo dopo l'intervento chirurgico e su come la mappatura del cervello può essere ulteriormente ottimizzata per garantire il miglior risultato per i futuri pazienti. In questo articolo viene descritto il flusso di lavoro interdisciplinare che consente al nostro team di raggiungere gli obiettivi sinergici di ottimizzare il risultato del paziente e far progredire la comprensione scientifica del cervello umano.

Introduction

Interventi neurochirurgici per rimuovere tumori cerebrali o tessuto epilettico adiacente alle aree cerebrali che supportano le funzioni cognitive critiche devono bilanciare l'obiettivo clinico dell'intervento chirurgico (rimuovere il più possibile tumore, o tessuto epilettico) contro danni al tessuto sano che potrebbero causare deficit neurologici. Nel contesto della chirurgia del tumore al cervello, questo equilibrio è indicato come l'equilibrio onco-funzionale. Sul lato 'onco' dell'equilibrio, i chirurghi vogliono rimuovere la maggior parte del tumore possibile, poiché i tassi di 'resezione tumorale totale lorda' sono legati alla sopravvivenza più lunga1,2. Sul lato 'funzionale', la rimozione dei tumori può danneggiare i substrati corticali e subcorticali della cognizione; le difficoltà post-operatorie possono coinvolgere il linguaggio, l'azione, la visione, l'udito, il tatto o il movimento, a seconda del sistema neurale interessato. L'equilibrio onco-funzionale è di fondamentale importanza perché una maggiore morbilità è associata a i) una qualità della vita inferiore, ii) una maggiore complicanza post-operatoria che può aumentare la mortalità (ad esempio, i pazienti che non possono più muoversi sono a un rischio maggiore di coaguli di sangue3,4). La tensione insita nell'equilibrio "onco-funzionale" nell'impostazione della chirurgia del tumore al cervello si traduce anche in chirurgia dell'epilessia - lì l'equilibrio è tra l'obiettivo clinico di rimuovere tutti i tessuti che generano crisi, senza rimuovere i tessuti che supporta le funzioni critiche.

A livello ampio, la neuroanatomia funzionale è altamente stereotipata da individuo a individuo. Tuttavia, ci può essere un alto grado di variabilità individuale nella posizione precisa (cioè, da mm a mm) di funzioni corticali più elevate. Inoltre, è generalmente riconosciuto che la presenza di patologia corticale o subcorticale può stimolare la riorganizzazione corticale, anche se i principi che guidano tale riorganizzazione sono poco compresi5. Gli interventi neurochirurgici procedono millimetri al millimetro per millimetro. È quindi fondamentale mappare il cervello di ogni paziente, in dettaglio e con sensibilità e precisione, al fine di capire quali regioni in quel paziente specifico supportano quali funzioni sensoriali, cognitive e motorie6.

Il programma per la mappatura del cervello traslazionale presso l'Università di Rochester è stato progettato per soddisfare le esigenze di mappatura del cervello personalizzato nell'impostazione di una pratica ad alto attraverso-put che abbraccia più chirurghi accademici. Gli obiettivi sinergici del Brain Mapping Program sono i) utilizzare gli strumenti delle neuroscienze cognitive per far avanzare la neuromedicina personalizzata, sotto forma di mappe cerebrali funzionali specifiche del paziente, e ii) utilizzare la preparazione clinica di interventi neurochirurgici per testare ipotesi meccanicistiche su come funziona il cervello umano.

Protocol

Le attività mostrate nel video e descritte nel presente documento rientrano in un IRB a rischio superiore al minimo presso il centro medico dell'Università di Rochester.

1. Assunzioni

  1. Stabilire un programma ad alto processo per la valutazione cognitiva pre-operatoria e basata sulla risonanza magnetica per catturare i pazienti da tutti i fornitori di riferimento in modo tempestivo ed efficiente. Coinvolgere il personale amministrativo e clinico nello sforzo più ampio.
    NOTA: Un passo concreto che si è dimostrato efficace è stato l'istituzione di una lista di e-mail di gruppo che viene inviata automaticamente dal chirurgo che si presenta (o da qualcuno nel loro staff di supporto) quando un nuovo paziente presenta alla clinica che può essere un candidato per il reclutamento nel cervello Programma di mappatura.

2. Mappatura RM pre-operatoria

  1. Acquisire i dati di risonanza magnetica su uno scanner RM 3T con una bobina di testa a 64 canali presso il Center for Advanced Brain Imaging and Neurophysiology (formalmente noto come il 'Rochester Center for Brain Imaging') presso l'Università della Rochester Medical School. Utilizzare sequenze standard per la risonanza magnetica BOLD e dTI per consentire l'imaging cerebrale completo, come descritto nelle pubblicazioni precedenti7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.
  2. Monitorare la fissazione, e registrare la respirazione e la frequenza cardiaca raccolti durante tutta la fMRI per la regressione del rumore si fonde26,27.
    NOTA: Negli ultimi 10 anni, abbiamo sviluppato una libreria di esperimenti di risonanza magnetica funzionale per mappare il linguaggio (parlato, uditivo, parole singole, intere frasi), funzione motoria (dai movimenti intransitivi di dito, lingua e piede alle azioni transitive di alto livello), musica capacità, matematica e conoscenza dei numeri, e la funzione sensoriale di base (ad esempio, la mappatura retinotopica alla mappa dell'elaborazione visiva di basso livello11,14,24). Tutti gli esperimenti, i materiali e gli script di analisi sono disponibili presso www.openbrainproject.org.

3. Test neuropsicologici

  1. Prestare attenzione durante tutti i test cognitivi per garantire che i pazienti siano confortevoli, garantiti utilizzando una configurazione ergonomicamente ottimizzata (Figura 1) e costruendo frequenti pause (ogni 8 min) nella struttura di tutti i test.
  2. Avere tutti i pazienti tumorali di basso grado completare i seguenti test 1 mese prima dell'intervento chirurgico, 1 mese dopo l'intervento chirurgico, e 6 mesi dopo l'intervento chirurgico (test 12 e 13 sono completati solo ai punti di tempo pre-operatorio e 6 mesi post-operatorio)28,29 ,30,31,32.
    1. Discorso spontaneo (Cookie Theft Picture33, Cenerentola Story34,35,36).
    2. Categoria Fluidanza (azioni, categorie semantiche, parole che iniziano con F, A, S).
    3. Lettura e ripetizione delle parole (sostantivi, verbi, aggettivi, non parole, corrispondenti alla lunghezza e alla frequenza).
    4. Snodgrass Denominazione degli oggetti (n : 26037).
    5. Denominazione uditiva (n - 6038).
    6. Completamento della frase ad alto contenuto di cloze (30 min).
    7. Batteria per il riconoscimento degli oggetti di Birmingham (BORB, compresa la lunghezza) Proprietà Size (Dimensioni) . Proprietà Orientation . Corrispondenza gap Figure sovrapposte Viste abbreviate Object Reality Decision39).
    8. Discriminazione delle coppie minime uditive (ad esempio, pa vs. , ga vs.
    9. Corrispondenza immagine frase (incluse le passive reversibili40).
    10. Color Naming e Farnsworth Munsell Hue Sorting41.
    11. Cambridge Face Test30,42.
    12. Test di apprendimento verbale della California (43)
    13. Weshler IQ (44,45,46). Le misure chiave per valutare i risultati linguistici sono i test 4-6; la caratterizzazione di abilità più ampie garantisce compromissione dei test di denominazione non sono dovuti al calo generale delle prestazioni47.
      NOTA: In passato, abbiamo utilizzato una combinazione di piattaforme di presentazione software per controllare la presentazione dello stimolo e la registrazione delle risposte durante i test pre e post-operatori. Attualmente stiamo progettando un'unica piattaforma plug-and-play per supportare tutti i test cognitivi (test pre, intra e post-operatori) nonché la presentazione degli stimoli e la registrazione delle risposte durante la risonanza magnetica funzionale (vedere di seguito per la descrizione di StrongViewTM ). StrongView, insieme ai test neuropsicologici integrati, sarà disponibile per il download (licenza aperta) presso www.openbrainproject.org.

4. Neuroanestesia ed ergonomia della mappatura linguistica intraoperatoria

  1. Utilizzare tecniche anestetiche per craniotomie sveglie48,49,50; presso l'Università di Rochester, craniotomie sveglie sono in genere eseguite utilizzando un sonno-veglia-asleep approccio.
  2. Evitare premedicazioni come anticonvulsivi e ansiolitici in quanto possono compromettere la funzione conoscitiva e contribuire alla derivazione dell'emergere.
  3. Applicare monitor standard (EKG, NIBP, ossimetria a impulsi) e indurre l'anestesia generale con fentanil endovenoso (0,5 mg/kg), lidocaina (1-1,5 mg/kg) e propofol (1-2 mg/kg).
  4. Utilizzare le vie respiratorie supraglottice per la ventilazione meccanica.
  5. Posizionare il paziente lateralmente o semi-lateralmente con la testa fissata in un telaio bloccato; come descritto nel video, il posizionamento del paziente dipende dalla posizione della lesione e dalla finestra craniotomia pianificata, tenendo anche conto che i tipi di test cognitivi al paziente verrà chiesto di eseguire una volta sveglio durante l'intervento.
  6. Applicare l'analgesia sul sito di perno e incisione (30 mL dello 0,5% Lidocaine, 30 mL di 0,5% Di concimato di pianura sensoriano, 6 mL di bicarbonato di sodio). Durante questo periodo, posizionare l'apparecchiatura di test (piccolo monitor, videocamere, microfoni direzionali).
  7. Determinare la dimensione della finestra craniotomia da più fattori, che variano nella loro ponderazione in base ai risultati della mappatura clinica pre-operatoria del cervello del paziente, studi di mappatura funzionale del cervello, e il piano per la mappatura intra-operatoria. Nel caso descritto nel video, il chirurgo presente (Dr. Pilcher) ha scelto una grande craniotomia al fine di avere pieno accesso per mappare il linguaggio positivo e siti motori nell'emisfero dominante.
  8. All'inizio della fase di risveglio, interrompere la sedazione (gli analgesici locali vengono applicati prima dell'incisione).
  9. Rimuovere le vie respiratorie suplatlottiche una volta che il paziente riacquista conoscenza. Non c'è o minima sedazione durante la fase di veglia.
  10. Utilizzare l'elettrocorticografia (ECoG) per monitorare le scariche post-scarico (scariche epilettifore subcliniche indotte dalla stimolazione corticale) per garantire che i livelli di DES siano fissati appena al di sotto della soglia di post-scarico. La procedura di mappatura DES inizia trovando la soglia di post-scarico e regolando l'ampiezza di stimolazione (nei passi di 0,5 milliamp).
  11. Regolare l'ampiezza di stimolazione durante tutta la sessione di mappatura (da 2 a 15 mA) a discrezione del chirurgo che si cura. I pazienti visualizzano gli stimoli su un monitor e possono parlare e muovere gli avambracci e le mani.

5. Procedure per l'acquisizione di dati di livello di ricerca durante la mappatura della stimolazione elettrica diretta intraoperatoria

  1. Esegui tutti i test cognitivi intraoperatori su un sistema hardware/software personalizzato chiamato "StrongView", disponibile allwww.openbrainproject.org. L'impronta hardware è indipendente su un carrello di piccole dimensioni ed è dotata di una fonte di alimentazione a batteria di backup indipendente, altoparlanti, tastiera e display touch. La persona incaricata di eseguire il test cognitivo può avviare, arrestare e mettere in pausa la presentazione dello stimolo, mentre continua la registrazione (audio e video) durante il caso.
  2. Utilizzare un sistema audio sul carrello in modo che un microfono direzionale che viene addestrato sulla bocca del paziente, che si alimenta attraverso uno splitter. Un canale che esce dalla barra di divisione passa attraverso un amplificatore e direttamente a un altoparlante. Ciò consente achirurghi e ricercatori di ascoltare facilmente le risposte del paziente contro il rumore di fondo della sala operatoria con zero ritardo percepibile (cioè eliminando gli effetti "eco"). Il secondo canale dallo splitter va al PC sul carrello mobile, dove è marcato con data e ora, registrato e memorizzato (questi file vengono utilizzati per l'analisi offline). StrongView ha anche un sistema audio separato (stand-alone) che consiste in un secondo microfono direzionale addestrato anche sul paziente, un microfono direzionale addestrato sui chirurghi, e un microfono 'rumore' in un angolo della sala operatoria per il tono sala di esempio per la sottrazione dai file audio principali. Questi tre canali audio si alimentano in un MIDI, e ad un secondo computer che registra ogni canale separatamente. Questo secondo sistema audio fornisce ridondanza in caso di guasto del sistema primario, tutte le risposte verbali del paziente saranno disponibili per l'analisi offline.
  3. Collegare uno schermo ether disponibile in commercio All'ore utilizzando un morsetto DA tavolo OR. Attaccare i bracci articolatori (ad esempio, Manfrotto 244 Variable Friction Magic Arms) allo schermo etere L-bracket, e quelle braccia articolari supportano il monitor del paziente, i microfoni direzionali, la videocamera addestrata sul viso del paziente e un monitor consentire a un membro del team di ricerca o a un infermiere della sala operatoria di vedere facilmente ciò che il paziente vede mentre interagisce con il paziente.
  4. Eseguire tutti i cavi necessari per gli schermi, microfoni e fotocamera lungo il braccio e proteggere da tubi di plastica fissati con Velcro.
    NOTA: Nessuna di queste apparecchiature deve essere sterilizzata in quanto è (solo mai) sul lato non sterile del campo (Figura 1). Questo modo di supportare le apparecchiature di presentazione e registrazione degli stimoli fornisce la massima flessibilità per tener conto della diversa ergonomia dei test cognitivi in base al posizionamento del paziente, che varia caso per caso, ma fornisce un'affidabilità e una piattaforma stabile su cui collegare le apparecchiature. Inoltre, e soprattutto, perché tutti i monitor, microfoni e telecamere sono collegati alla tabella OR tramite singolo dispositivo (ether schermo L-bracket), se il posizionamento del tavolo viene regolato durante il caso questo non influisce sulla configurazione di prova. (Si noti che la configurazione illustrata nella Figura 1 proviene da una configurazione di generazione precedente in cui un supporto montato sul pavimento supportava lo schermo del paziente, il microfono e la videocamera; il supporto montato sul pavimento è stato sostituito dal 2018 con lo schermo etere L-bracket). Inoltre, e soprattutto per la sicurezza del paziente, l'intera configurazione per i test cognitivi può essere suddivisa in meno di 20 secondi durante il caso nel caso in cui si presenti una situazione emergente che impone un accesso completo e senza ostacoli al paziente (ad es. vie aeree).
  5. Il cuore di StrongView è un sistema software flessibile per i) che presenta stimoli (visivi, uditivi) ai pazienti e registra le risposte dei pazienti (verbale, risposta del pulsante, video), ii) registrando temporalmente tutti gli eventi sperimentalmente rilevanti e misure (stimolo su, ECoG, contatto con il cervello della sonda stimolatrice elettrica diretta, risposte del paziente); iii) e la comunicazione con i sistemi di navigazione cranica per ottenere la coordinata tridimensionale per ogni applicazione della stimolazione elettrica diretta. StrongView consente la ri-calibrazione on-line di variabili sperimentali come la durata dello stimolo, gli intervalli interstimolati, la randomizzazione, il numero di ripetizioni o blocchi di stimoli e il controllo dei canali video e audio del paziente. StrongView trasmette la videocamera del paziente, i dati ECoG online e lo stimolo che il paziente sta attualmente vedendo / ascoltando su un display desktop, che si specchia anche su un grande monitor che è nella linea di vista del chirurgo.
  6. Collegare un fotodiode al monitor del paziente e alimentarlo in un canale aperto sull'amplificatore ECoG. Ciò fornisce una sincronizzazione temporale tra la presentazione di ogni stimolo ed ECoG per l'analisi offline.
  7. Utilizzare hardware e software di navigazione cranica (presso l'Università di Rochester, BrainLab Inc., Monaco di Baviera, Germania) in tutti i casi dal team chirurgico per la navigazione cranica intraoperatoria basata sulla risonanza magnetica pre-operatoria. Si tratta di un sistema ottico costituito da un insieme di telecamere che visualizzano il campo operatorio e registrano la testa del paziente tramite una stella di registrazione fissa che è apposto al tavolo operatorio (vedi Figura 1).
    1. In particolare, dopo che il paziente è stato messo nel titolare del capo, ma prima del drappeggio, utilizzare la fisionomia facciale del paziente per registrare la testa del paziente alla risonanza magnetica preoperatoria. Ciò consente di portare la risonanza magnetica preoperatoria (funzionale e strutturale) in allineamento diretto con il cervello del paziente sul tavolo operatorio.
    2. Allegare una seconda stella di registrazione (molto più piccola) allo stimolatore bipolare (vedere la Figura 1) e utilizzare per registrare la lunghezza e la posizione dello stimolatore nel campo. Ciò consente al team di ricerca di acquisire la posizione precisa di ogni punto di stimolazione e i margini della resezione, rispetto alla risonanza magnetica preoperatoria. Come notato in precedenza, StrongView è collegato con il sistema di navigazione cranica (presso l'Università di Rochester, BrainLab, connessione tramite collegamento IGT) per consentire lo streaming in tempo reale (e la marcatura temporale) delle coordinate della mappatura diretta della stimolazione elettrica. StrongView è attualmente in fase di sviluppo per interfacciarsi con altri sistemi di navigazione cranica (ad esempio, Stryker).
      NOTA: saranno disponibili (accesso aperto) presso l'OpenBrainProject.org gli aspetti di StrongView che supportano l'amministrazione e la raccolta dei dati durante gli esperimenti cognitivi e fMRI, insieme a una libreria di test. Le versioni beta sono disponibili prima del rilascio completo contattando l'autore corrispondente. L'intera suite StrongView, che include sistemi hardware per l'integrazione con elettrocorticografia e software di navigazione cranica, è disponibile per medici e scienziati contattando l'autore corrispondente. Questi strumenti di acquisizione dei dati saranno in grado di accedere a una pipeline di post-elaborazione e a un consorzio di dati aperti, che sarà lanciato nel 2020 presso OpenBrainProject.org.

Representative Results

La figura 2, la figura 3e la figura 4 presentano risultati rappresentativi della mappatura funzionale e strutturale pre-operatoria per tre pazienti con tumori adiacenti a regioni eloquenti del cervello. I risultati illustrati nella Figura 2, Figura 3e Figura 4 sono destinati a essere illustrativi (anziché un riepilogo completo) dei tipi di mappe generati per ogni paziente. I dettagli sui casi presentati in Figura 2, Figura 3e Figura 4 sono disponibili in: Figura 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, nella stampa51), Figura 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher e Mahon, 201952) e Figura 4 (Garcea et al., 201716). Un'importante conseguenza del reclutamento consecutivo di pazienti affetti da glioma in un protocollo uniforme è che rende possibili analisi a livello di gruppo che valutano l'effetto dei tumori cerebrali sulla funzione e sull'organizzazione della rete. Come esempio di questo tipo di analisi, la Figura 5 presenta i risultati di un recente studio 14 che ha scoperto che i tumori nella corteccia parietale sinistra hanno modulato le risposte neurali agli "strumenti" (piccoli oggetti manipolabili) nel lobo temporale, un esempio di fenomeno più generale, definito diaschesi dinamica53.

Figure 1
Figura 1Panoramica dell'Attrezzatura utilizzata per test cognitivi extra-operatori e intraoperatori. (A) Esempio di configurazione per test neuropsicologici cognitivi ad alta velocità attuati dal Programma per la mappatura del cervello traslazionale del Dipartimento di Neurochirurgia presso il Centro Medico dell'Università di Rochester. Gli elementi chiave per garantire che tutti i pazienti reclutati siano in grado di completare tutti i test pianificati includono: i) un luogo in cui i pazienti possono sedersi e completare i test completamente regolabili in base alle dimensioni di ciascun paziente, tra cui una sedia appositamente progettata per ridurre affaticamento, e ii) localizzando test cognitivi/comportamentali fisicamente adiacenti alla risonanza magnetica. Questi elementi consentono ai pazienti di visitare la struttura e completare la risonanza magnetica funzionale e strutturale all'interno della stessa sessione in cui vengono misurati i dati comportamentali fondamentali. I partecipanti completano più prove con prestazioni migliori se sono confortevoli, soprattutto per le popolazioni partecipanti più anziane con altre comorbilità che possono rendere scomoda la seduta per periodi prolungati. (B) Attrezzature utilizzate durante la mappatura intraoperatoria. L'immagine a sinistra mostra un paziente prima di essere drappeggiato (a destra è dopo il drappeggio). Prima di drappeggiare, il team di scienze cognitive imposta le loro attrezzature, tra cui registratori audio e video del paziente, un monitor posizionato davanti alla linea di vista del paziente e un secondo monitor posizionato in modo che la persona che lavora con il paziente possa facilmente vedere lo stimolo al quale il paziente sta attualmente cercando (vedi 'Procedura' per i dettagli). (C) Stimolatore bipolare con stella di registrazione collegata a posizioni record di stimolazione intraoperatoria nello spazio DICOM MR preoperatorio. Di solito nel punto dell'intervento chirurgico in cui la dura è stata ritratta e il paziente viene svegliato dall'anestesia generale, ci sono alcuni minuti in cui registrare lo stimolatore bipolare al campo. Questo deve essere fatto da un membro del team che è lavato al caso (cioè, sia medico presente o chirurgo residente o un scrub tech / infermiere). Si realizza allegando una piccola stella di registrazione allo stimolatore bipolare e seguendo le istruzioni del sistema di navigazione cranica per registrare un nuovo strumento sul campo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 . Risonanza magnetica funzionale pre-operatoria e Diffusion Tensor Imaging (DTI) nel paziente AH con un glioma parietale inferiore sinistro che si è infiltrato nel fascino arcuato. (A) Risonanza magnetica preoperatoria T1 e ricostruzione 3D del fascicolo arcuato sinistro e del glioma. Il fascino arcuato è mostrato in arancione ad una soglia del 5% con il tumore ricostruito in blu. (B) Risonanza magnetica funzionale pre-operativa. Il paziente ha completato diverse sessioni di risonanza magnetica funzionale che sono state progettate ciascuna per mappare una funzione che si prevedeva di essere adiacente all'area di intervento chirurgico. Tutte le mappe sono fissate a FDR q < .05 o superiore. In blu sono voxel che presentano risposte neurali differenziali quando si nominano strumenti rispetto agli animali; in linea con gli studi precedenti del nostro laboratorio utilizzando gli stessi stimoli, viene identificata una solida rete che coinvolge le aree temporali premotorie, parietali e laterali e ventrali7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Al paziente è stato anche chiesto di svolgere un compito di numerosità in cui doveva giudicare quale delle due nuvole di punti aveva più punti; le due nuvole di punti potrebbero avere un numero simile di punti (confronto hard, rapporto - 0,8) o numeri molto diversi di punti (facile confronto, rapporto : 0,25). In verde sono voxel che presentano risposte neurali differenziali durante l'esecuzione del compito su stimoli hard ratio (rapporto - 0,8) rispetto a stimoli facili (rapporto : .25 54,55). Al paziente è stato anche chiesto di muovere mani e piedi (flessibilità/estensione o rotazionedi 25). In rosso sono voxel che hanno mostrato risposte neurali differenziali ai movimenti della mano destra rispetto ai movimenti del piede destro. Infine, al paziente è stato chiesto di generare il maggior numero di elementi che poteva pensare in 30 secondi da varie categorie (ad esempio, 'cose che fai in cucina', 'animali', parole che iniziano con 'F', ecc.). In viola sono voxel che hanno mostrato attività neurale differenziale per la produzione di parole overt rispetto alla fissazione / riposo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 . Trattografia pre-operante a materia bianca del tratto frontale Aslant e delle fibre a forma di U adiacenti. Precedente esperienza nel programma per la mappatura del cervello traslazionale (Chernoff et al., 201756) con mappatura del cervello in pazienti con glioma adiacenti al tratto aslant frontale ha dimostrato che (anche parziale) la transezione di questo percorso può essere associata con disfluenze nel linguaggio spontaneo, mentre la ripetizione della lingua parlata può rimanere intatta. Tale esperienza precedente è stata utilizzata per informare la mappatura pre-operatoria del tratto di aslant frontale nel paziente AI11. (A) Le fette coronali che mostrano il tratto di aslant frontale (blu-azzurro) e le fibre a forma di te (rosso-giallo). Il tratto di aslant frontale passa solo anteriore e mediale al glioma. (B) Rendering 3D del tratto aslant frontale (blu) e del tumore (rosso) da più prospettive. Gli studi anatomici preoperatori (Pannelli A e B) hanno indicato che alla fine della resezione tumorale, sarebbe possibile definire il margine anteriore del tumore utilizzando la mappatura diretta della stimolazione elettrica. Abbiamo così progettato un nuovo compito linguistico basato sulla nostra precedente esperienza, in particolare per verificare se la stimolazione del tratto di aslant frontale interrompesse la produzione di frasi ai confini delle frasi grammaticali. (C) La stimolazione elettrica diretta del tratto di aslant frontale interrompe differenziale la produzione di frasi ai confini delle frasi grammaticali. Lo screenshot (Pannello C, a sinistra) del video mostra il paziente, lo stimolo con cui è stato presentato, la mano del chirurgo che tiene lo stimolatore bipolare a contatto con il tratto di aslant frontale al margine anteriore del tumore, e la posizione in coronale e fette sagittali della posizione di stimolazione corrente (punto rosso) in relazione al tratto aslant frontale (blu). Il compito del paziente era quello di descrivere la relazione spaziale della forma bersaglio in relazione alla posizione di una forma di riferimento (per lo studio mostrato, la risposta corretta sarebbe: "Il quadrato rosso è sotto il diamante rosso"). Abbiamo scoperto che la stimolazione del tratto di aslant frontale interrompeva la produzione di frasi, e differenziale così all'inizio di nuove frasi grammaticali (Pannello C, grafico a destra; per il video della procedura di mappatura intraoperatoria in questo paziente, vedi www.openbrainproject.org). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

Figure 4
Figura 4. Risonanza magnetica funzionale e strutturale pre-operativa e mappatura della stimolazione elettrica diretta intraoperatoria in un musicista professionista con un glioma nel lobo temporale posteriore destro.(un) Mappatura fMRI pre-operatoria dell'elaborazione visiva di alto livello, della produzione linguistica e delle conoscenze degli strumenti. Il tumore, giallo ombreggiato, era nel lobo temporale destro, visibile attraverso il solco temporale superiore destro (sulci leggermente ampliato per facilitare la visualizzazione). Poiché il tumore si trovava vicino alle aree di elaborazione del movimento nella corteccia temporale laterale, abbiamo localizzato MT/V5 confrontando l'attività neurale quando il paziente ha frequentato serie di punti in movimento all'attività neurale suscitata da punti fissi; voxel che mostrano risposte neurali differenziali per il movimento rispetto ai punti statici sono tracciati sulla scala dei colori viola-bianco (siamo grati a Duje Tadin per assistenza nello sviluppo di questo localizzatore funzionale). Come per tutti gli altri casi studiati nel Programma per la mappatura traslazionale del cervello (ad es.Figura 2,Figura 3), i voxel che presentano risposte neurali differenziali per la denominazione di immagini comuni sono confrontati con una linea di base di visualizzazione di versioni strapazzate di fase delle stesse immagini; questo viene tracciato sulla scala di colori verde-bianco. Tale contrasto ha identificato il complesso occipitale laterale bilaterale, il giro temporale medio/superiore bilaterale e la corteccia motoria (associata all'attività motoria del linguaggio). Anche come inFigura 2, voxel che mostrano risposte neurali differenziali quando sono stati trovati strumenti di denominazione nel lobulo parietale inferiore di sinistra, nella corteccia parietale/occipitale superiore superiore e nel giro medio/temporale posteriore sinistro (scala di colori blu-bianco). Infine, e ancora come inFigura 2, al paziente è stato chiesto di completare un compito di produzione verbale di parole di fluidità. I Voxel associati alla generazione di parole rispetto a una linea di base a riposo sono tracciati sulla scala dei colori rosso-bianco e sono stati trovati nel giro frontale inferiore sinistro (area di Broca), nella corteccia parietale temporale/inferiore superiore e nel sistema motorio vocale. (B) Il paziente ha completato più esperimenti di risonanza magnetica funzionale pre-operatori in modo pre-operatorio specificamente per mappare l'elaborazione musicale. In un esperimento, modellato sul lavoro precedente dal laboratorio di Greg Hickok57, il paziente sentì brevi melodie di pianoforte e dovette ronzio alla melodia, o udì brevi frasi e dovette ripetere le frasi. Tracciati sul cervello sulla scala dei colori rosso-viola sono voxel che mostravano un'attività neurale differenziale per la musica che per il linguaggio. Quattro studenti della Eastman School of Music Graduate hanno completato lo stesso esperimento fMRI; il bordo della regione identificato per lo stesso contrasto funzionale nei controlli integri corrispondenti viene tracciato in contorno verde. Inoltre, altri 10 pazienti di neurochirurgia hanno completato lo stesso esperimento, anche nella fase preoperatoria del loro trattamento. Mentre l'obiettivo prossimo in quei 10 pazienti era quello di identificare le aree sensibili alla lingua (con il contrasto della musica linguistica), il contrasto della lingua musicale identifica una regione molto simile del giro temporale superiore destro (confini del 10 pazienti di neurochirurgia di controllo sono tratti in azzurro). (sec) Trattografia probabilistica preoperatoria sui dati DTI che mostrano le giuste radiazioni acustiche e il fasciculus arcuato in relazione al tumore del paziente AE (soglia del 5%, sovrapposto all'immagine nativa ponderata T2). (d) Durante l'intervento, il paziente AE ha svolto lo stesso compito durante la fMRI in cui ha dovuto ascoltare brevi melodie di pianoforte e canticchiarli indietro, o una breve frase e ripeterla. Si è scoperto che la stimolazione elettrica diretta al giro temporale superiore posteriore posteriore destro interrompeva le prestazioni nel compito di ripetizione quando eseguito su melodie (per alcune prove), ma non ha influenzato le prestazioni (su qualsiasi prova) per lo stesso compito di ripetizione eseguita su frasi (vedi www.openbrainproject.org per video di mappatura musicale intraoperatoria).Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5 . Dimostrazione di diaschesi specifica del dominio: Analisi della relazione tra la posizione della lesione e l'attività neurale stimolo attraverso un gruppo di pazienti affetti da glioma studiati pre-operatori nel Programma per il cervello traslazionale. Un'importante conseguenza della somministrazione di un insieme comune di risonanza magnetica funzionale e studi comportamentali a tutti i pazienti che passano attraverso il programma di mappatura del cervello traslazionale presso il centro medico dell'Università di Rochester è l'opportunità di effettuare attività a livello di gruppo analisi su più grandi gruppi di pazienti studiati consecutivamente. Ad esempio, la figura 5 mostra i risultati di un test dell'ipotesi scientifica di base che le risposte neurali agli "strumenti" nel lobo temporale sono modulate online da input della corteccia parietale. Se tale ipotesi è corretta, le lesioni (tumori) nella corteccia parietale dovrebbero alterare le risposte neurali nel lobo temporale in "strumenti" e la varianza tra i pazienti in attività neurale per "strumenti" nel lobo temporale dovrebbe essere correlata con la presenza di lesioni ( tumori) nella corteccia parietale. (A) Le lesioni alla corteccia parietale sono previste a livello di gruppo (regressione logistica) dalla varianza tra i pazienti nelle risposte neurali nel giro fusiforme mediale sulla superficie ventrale del lobo temporale. (B) Le risposte neurali agli strumenti del giro fusiforme mediale sono previste a livello di gruppo (regressione logistica) dalla varianza nel fatto che la lesione/tumore coinvolga il Sulco intraparietale anteriore (aIPS). I risultati riassunti nei pannelli A e B rappresentano un'istanza di diaschesi dinamica53, in questo caso diaschesi dinamica 'specifica del dominio', perché la relazione tra la posizione della lesione e l'attività neurale è modulata dal tipo di stimolo in fase di elaborazione ( cioè, la relazione è presente per gli utensili, e non per luoghi, viso o animali)-per tutti i dettagli vedere Garcea e colleghi14. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

Discussion

Le conoscenze acquisite dall'esperienza di creazione del Programma di mappatura del cervello traslazionale presso l'Università di Rochester possono essere distillate in due elementi fondamentali. In primo luogo, sono stati stabiliti canali di comunicazione strutturati tra scienziati cognitivi, neuro-oncologi, neuropsicologi, epiptologi, neurofisiologi, neuro-anestesisti, neurochirurghi e i loro rispettivi tecnici e il supporto amministrativo. Ciò consente ai pazienti, compresi i pazienti tumorali urgenti di alto grado, di essere indirizzati per la valutazione pre-operatoria con il tempo sufficiente per trasformare le analisi ai chirurghi prima della procedura. La seconda componente fondamentale per il successo del Programma di mappatura del cervello è stata quella di piegare in opportunità di formazione per studenti universitari, laureati (MS, PhD) studenti di medicina, così come neurochirurgia, neurologia e neuroradiologia residenti e Compagni. La combinazione di questi due elementi serve a coinvolgere tutti i fornitori clinici con gli obiettivi scientifici del programma di mappatura del cervello e assicura che gli obiettivi scientifici di base siano intrecciati con l'obiettivo clinico di ottimizzare il risultato di ogni paziente.

Disclosures

Un brevetto provvisorio (U.S. Provisional Patent Number 62/917,258) è stato depositato per "StongView: Un sistema hardware/software integrato per facilitare i test cognitivi durante la chirurgia cerebrale in tempo reale e per supportare analisi in tempo reale al servizio di prevedere l'esito del paziente."

Acknowledgments

Questo lavoro è stato supportato da NIH Grants R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535, e NSF Grant BCS-1349042 a B-M, e da un'Università di Rochester Center for Visual Science predoctoral training fellowship (formazione NIH Grant Grant 5T32EY007125-24) a FEG. Siamo grati a Keith Parkins per il suo lavoro sullo sviluppo di StrongView, che è stato supportato dalla sovvenzione di base P30EY00131 al Center for Visual Science presso l'Università di Rochester Medical School. Il Programma per la mappatura del cervello traslazionale presso l'Università di Rochester è stato istituito, in parte, con il sostegno di Norman e Arlene Leenhouts, e con una sovvenzione dal Wilmot Cancer Institute ai dottori Kevin Walter e Bradford Mahon. Le informazioni sul Programma per la mappatura del cervello traslazionale presso il centro medico dell'Università di Rochester sono disponibili all'indirizzo: www.tbm.urmc.edu.

Materials

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