Author Produced

Translational Brain Mapping ved University of Rochester Medical Center: bevare Mind gjennom personlig Brain Mapping

Neuroscience
 

Summary

Denne artikkelen gir en oversikt over en multi-modal hjernen kartlegging program utviklet for å identifisere områder av hjernen som støtter kritiske kognitive funksjoner i individuelle nevrokirurgi pasienter.

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

Den translational Brain Mapping program ved University of Rochester er en tverrfaglig innsats som integrerer kognitiv vitenskap, nevrofysiologi, neuroanesthesia, og nevrokirurgi. Pasienter som har svulster eller epileptogenic vev i veltalende hjerneområder er studert preoperativt med funksjonell og strukturell MRI, og intraoperatively med direkte elektrisk stimulering kartlegging. Post-operative neural og kognitive utfall tiltak drivstoff grunnleggende vitenskap studier om de faktorene som megle gode versus dårlig utfall etter operasjonen, og hvordan hjernen kartlegging kan bli ytterligere optimalisert for å sikre det beste utfallet for fremtidige pasienter. I denne artikkelen beskriver vi den tverrfaglige arbeidsflyten som gjør at vårt team for å møte synergi målene for å optimalisere pasientens utfall og fremme vitenskapelig forståelse av den menneskelige hjerne.

Introduction

Nevrokirurgisk intervensjoner for å fjerne hjernesvulster eller epileptogenic vev ved siden av hjernen områder som støtter kritiske kognitive funksjoner må balansere det kliniske målet for kirurgi (fjerne så mye tumor, eller epileptogenic vev som mulig) mot skade på friskt vev som kan forårsake nevrologiske underskudd. I sammenheng med hjernesvulst kirurgi, er denne balansen referert til som onco-funksjonell balanse. På "onco" siden av balansen, kirurger ønsker å fjerne så mye av svulsten som mulig, som priser på "brutto total tumor reseksjon" er knyttet til lengre overlevelse1,2. På "funksjonell" side, fjerning av svulster kan skade kortikale og subkortikal underlag av kognisjon; post-operative vanskeligheter kan innebære språk, handling, syn, hørsel, berøring eller bevegelse, avhengig av nevrale system (r) berørt. Den onco balansen er svært viktig fordi økt sykelighet er forbundet med i) lavere livskvalitet, II) økt postoperativ komplikasjoner som kan øke dødelighet (f. eks, pasienter som ikke lenger kan bevege seg er med høyere risiko for blodpropp3,4). Spenningen som ligger i "onco-funksjonell" balanse i innstillingen av hjernesvulst kirurgi oversettes i tillegg til epilepsi kirurgi-det balansen er mellom det kliniske målet om å fjerne alt vev som genererer beslag, mens ikke fjerne vev som støtter kritiske funksjoner.

På et bredt nivå er funksjonell nevroanatomi svært stereotype fra individ til individ. Det kan imidlertid være en høy grad av individuell variasjon i nøyaktig (dvs. mm til mm) plassering av høyere kortikale funksjoner. I tillegg er det generelt anerkjent at tilstedeværelsen av kortikale eller subkortikal patologi kan anspore kortikale omorganisering, selv om prinsippene som driver slik omorganisering er dårlig forstått5. Nevrokirurgisk intervensjoner fortsetter millimeter med millimeter. Det er derfor avgjørende å kartlegge hver pasientens hjerne, i detalj og med følsomhet og presisjon, for å forstå hvilke regioner i den spesifikke pasienten støtte hvilke sensoriske, kognitive og motoriske funksjoner6.

Programmet for translational Brain Mapping ved University of Rochester er konstruert for å møte behovene til personlige hjernen kartlegging i innstillingen av en høy gjennom-Put praksis som spenner over flere akademiske kirurger. Den synergi mål av Brain Mapping program er til i) bruke verktøy av kognitiv nevrovitenskap for å fremme personlig neuromedicine, i form av pasientspesifikke funksjonelle hjernens kart, og II) bruk den kliniske utarbeidelsen av nevrokirurgisk intervensjoner for å teste mekanistisk hypoteser om hvordan den menneskelige hjernefunksjoner.

Protocol

Aktivitetene som vises i videoen og beskrevet her faller innenfor en større-enn-minimal-risiko IRB ved University of Rochester Medical Center.

1. rekruttering

  1. Etablere et høyt gjennom-sette program for pre-operative kognitive og MRI-basert vurdering for å fange pasienter fra alle henvisende tilbydere på en betimelig og effektiv måte. Involvere de administrative og kliniske ansatte i den bredere innsats.
    Merk: et konkret skritt som har vist seg effektiv var etablering av en gruppe e-postliste som automatisk sendes av behandlende kirurg (eller noen på deres støttepersonell) når en ny pasient presenterer til klinikken som kan være en kandidat for rekruttering til Brain Kartlegging program.

2. pre-operative MRI-kartlegging

  1. Anskaffe MRI-data på en 3T MRI-skanner med en 64-kanals hode spole ved Center for Advanced Brain Imaging og nevrofysiologi (formelt kjent som "Rochester Center for Brain Imaging") ved University of Rochester Medical School. Bruk standard sekvenser for fet Mr og DTI tillater full Brain Imaging, som beskrevet i tidligere publikasjoner7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.
  2. Overvåke fiksering og registrere åndedrett og hjertefrekvens samlet under alle fMRI for regresjon avstøy forundrer.
    Merk: i løpet av de siste 10 årene har vi utviklet et bibliotek med funksjonelle Mr-eksperimenter for å kartlegge språk (talte, hørbar, enkeltord, hele setninger), motorisk funksjon (fra intransitive finger, tunge og fot bevegelser til høyt nivå Transitive handlinger), musikk evne, matematikk og tall kunnskap, og grunnleggende sensorisk funksjon (f. eks, retinotopic kartlegging til kart over lavt nivå visuell prosessering11,14,24). Alle eksperimenter, materialer og analyse skript er tilgjengelige på www.openbrainproject.org.

3. nevropsykologiske testing

  1. Vær forsiktig under alle kognitive tester for å sikre at pasientene er komfortable, sikres ved hjelp av en ergonomisk optimalisert oppsett (figur 1) og ved å bygge hyppige pauser (hver 8 min) inn i strukturen av alle tester.
  2. Har alle lav karakter svulst pasienter fullføre følgende tester 1 måned før operasjonen, 1 måned etter operasjonen, og 6 måneder etter operasjonen (tester 12 og 13 er fullført bare på pre-operative og 6 måneder etter-operative tid poeng)28,29 ,30,31,32.
    1. Spontan tale (cookie Theft Picture33, Askepott Story34,35,36).
    2. Kategori flyt (handlinger, semantiske kategorier, ord som begynner med F, A, S).
    3. Word Reading og repetisjon (substantiv, verb, adjektiv, ikke-ord, matchet på lengde og frekvens).
    4. Navngivning av Snodgrass objekt (n = 26037).
    5. Hørbar navngiving (n = 6038).
    6. Høy-Cloze setning ferdigstillelse (30 min).
    7. Birmingham objekt Recognition batteri (LUCASIANSK, inkludert lengde | Størrelse | Orientering | Gap Matching | Overlappende tall | Dømmer visninger | Objekt Virkelighets avgjørelse39).
    8. Hørsel minimal par diskriminering (f. eks , PA vs. da, ga vs. ta31,40).
    9. Setnings bilde Matching (inkludert reversibel Passives40).
    10. Color Naming og Farnsworth Munsell Hue sortering41.
    11. Cambridge Face test30,42.
    12. California verbal Learning test (43)
    13. Weshler IQ (44,45,46). De viktigste tiltakene for å evaluere språk utfall er tester 4-6; karakteriserer bredere evner sikrer nedsatt funksjonsevne på å navngi testene er ikke på grunn av generell ytelse nedgang47.
      Merk: i det siste har vi brukt en kombinasjon av programvare presentasjons plattformer for å kontrollere stimulans presentasjon og respons opptak under pre-og post-operative testing. Vi er for tiden å designe en enkelt plug-and-Play-plattform for å støtte alle kognitive tester (pre, intra-og post-operative testing) samt stimulans presentasjon og respons opptak under funksjonell MRI (se nedenfor for beskrivelse av StrongViewTM ). StrongView, sammen med bygget-inne nevropsykologiske prøver, ville være anvendelig for dataoverføre (åpen med lisens) for www.openbrainproject.org.

4. Neuroanesthesia og ergonomi av intraoperativ språk kartlegging

  1. Bruk bedøvelse teknikker for våken craniotomies48,49,50; ved University of Rochester, våken craniotomies er vanligvis utføres ved hjelp av en sovende-våken-sover tilnærming.
  2. Unngå premedications som antiepileptika og Anxiolytika som de kan svekke kognitiv funksjon og bidra til fremveksten delirium.
  3. Bruk standardskjermer (EKG, NIBP, puls oksymetri) og indusere generell anestesi med intravenøs fentanyl (0,5 mg/kg), lidokain (1-1.5 mg/kg) og propofol (1-2 mg/kg).
  4. Bruk en luft luftveier for mekanisk ventilasjon.
  5. Plasser pasienten sideveis eller delvis sidelengs med hodet festet i en festet ramme; som beskrevet i videoen, pasient posisjonering avhenger av plasseringen av lesjon og den planlagte kraniotomi vinduet, samtidig som det tas hensyn til at typer kognitiv testing pasienten vil bli bedt om å utføre en gang våken under operasjonen.
  6. Påfør analgesi på pinnen og snittstedet (30 mL 0,5% lidokain, 30 mL 0,5% Sensorcaine ren, 6 mL av natrium bikarbonat). I denne perioden bør du plassere test utstyret (liten skjerm, videokameraer, retningsmikrofoner).
  7. Bestem størrelsen på kraniotomi vindu av flere faktorer, som varierer i sin vekting i henhold til resultatene av pre-operative klinisk kartlegging av pasientens hjerne, funksjonelle hjernen kartlegging studier, og planen for intra-operative kartlegging. I tilfellet som er beskrevet i videoen, den behandlende kirurg (Dr. Pilcher) valgte en stor kraniotomi for å få full tilgang til kart positive språk og motor nettsteder i den dominerende halvkule.
  8. I begynnelsen av våken-fase, avvikle sedasjon (lokale smertestillende brukes før snitt).
  9. Fjern luft luftveiene når pasienten gjenvinner bevisstheten. Det er ingen eller minimal sedasjon under våken fase.
  10. Bruk electrocorticography (ECoG) til å overvåke etter-utslipp (subklinisk epileptiform utslipp indusert av kortikale stimulering) for å sikre at DES nivåer er satt til rett under etter-utslippet terskel. DES kartlegging prosedyren starter ved å finne etter utslippet terskelen, og justering stimulering amplitude (i trinn av. 5 milliamp).
  11. Juster stimulering amplitude gjennom kartlegging sesjon (2 til 15 mA) ved skjønn av behandlende kirurg. Pasientene ser stimuli på en skjerm og kan snakke og flytte sine underarmer og hender.

5. prosedyrer for å anskaffe forsknings-grade data under intraoperativ direkte elektrisk stimulering kartlegging

  1. Kjør alle intraoperativ kognitive tester på en spesialbygd hardware/software system kalt ' StrongView ', tilgjengelig på www.openbrainproject.org. Maskinvaren fotavtrykk er selvforsynt på en liten vogn, og er utstyrt med en uavhengig backup batteristrøm kilde, høyttalere, tastatur og berøringsskjerm. Personen ladet med å kjøre den kognitive testingen kan starte, stoppe og pause stimulans presentasjonen, mens kontinuerlig opptak (lyd og video) i løpet av saken.
  2. Bruk et lyd system på handlevognen slik at en retningsbestemt mikrofon som er trent på pasientens munn, som strømmer gjennom en splitter. En kanal som kommer ut av splitteren går gjennom en forsterker og direkte til en høyttaler. Dette gjør at kirurger og forskere enkelt kan høre pasientens reaksjoner mot bakgrunnsstøyen fra operasjonsstuen med null merkbar forsinkelse (dvs. eliminerer ekko effekter). Den andre kanalen fra splitter går til PC på mobil cart, hvor det er tid-stemplet, innspilt og lagret (disse filene brukes for offline analyse). StrongView har også en egen (frittstående) lyd system som består av en andre retningsbestemt mikrofon også trent på pasienten, en retningsbestemt mikrofon trent på kirurger, og en "støy" mikrofon i et hjørne av operasjonsstuen for å prøverommet tone for subtraksjon fra de viktigste lydfilene. De tre lydkanaler mates til en MIDI, og til en annen datamaskin som registrerer hver kanal separat. Denne andre lyd system gir redundans bør det primære systemet mislykkes, alle verbale svar på pasienten vil være tilgjengelig for offline analyse.
  3. Fest en kommersielt tilgjengelig Eter skjerm L-brakett til operasjonsstuen (eller) ved hjelp av en eller bord klemme. Feste bevegelig armer (f. eks, Manfrotto 244 variabel friksjon Magic Arms) til Eter skjermen L-brakett, og de bevegelig armene støtte pasienten Monitor, retningsbestemt mikrofoner, videokamera trent på pasientens ansikt, og en ekstra skjerm til tillate et forskerteam medlem eller operasjonsstuen sykepleier for enkelt å se hva pasienten ser mens du samhandler med pasienten.
  4. Kjør alle nødvendige kabler for skjermer, mikrofoner og kamera langs armen og beskytte med plast slange sikret med borrelås.
    Merk: ingenting av dette utstyret må steriliseres slik det er (kun noen gang) på den ikke-sterile siden av feltet (figur 1). Denne måten å støtte stimulans presentasjon og respons opptaksutstyr gir maksimal fleksibilitet til å ta hensyn til ulike ergonomi av kognitiv testing i henhold til pasientens posisjonering som varierer saken etter sak, men gir en pålitelig og stabil plattform for å feste utstyr. Også, og viktigst, fordi alle skjermer, mikrofoner og kameraer er festet til OR-tabellen via én enhet (Eter skjermen L-brakett), hvis plasseringen av tabellen er justert i tilfelle dette ikke påvirker testingen oppsettet. (Merk at oppsettet som vises i figur 1 er fra en tidligere generasjon oppsett der en gulv-montert stativ støttet pasienten skjermen, mikrofon og videokamera, at gulvet montert stativet har blitt erstattet siden 2018 med Eter skjermen L-brakett). Også, og viktigst for pasientens sikkerhet, hele oppsettet for kognitiv testing kan brytes ned i mindre enn 20 sekunder i tilfelle bør en emergent situasjon presentere seg selv som mandater full og uhindret tilgang til pasienten (f. eks, til pasientens luftveiene).
  5. Hjertet av StrongView er et fleksibelt programvaresystem for i) å presentere stimuli (visuell, hørbar) til pasienter og registrere pasientens svar (verbal, knappe respons, video), II) å registrere alle eksperimentelt-relevante hendelser midlertidig og tiltak (stimulans på, ECoG, kontakt med hjernen av direkte elektrisk stimulator sonde, pasientens svar); III) og kommunikasjon med skallen navigasjonssystemer for å oppnå den 3 dimensjonale koordinat for hver påføring av direkte elektrisk stimulering. StrongView tillater on-line re-kalibrering av eksperimentelle variabler som stimulans varighet, Inter-stimulans-intervaller, tilfeldig, antall repetisjoner eller blokker av stimuli, og kontroll av pasientens video-og lydkanaler. StrongView streamer pasienten videokamera, den elektroniske ECoG data, og stimulans at pasienten er for tiden ser/hørsel til en stasjonær skjerm, som også er speilet på en stor skjerm som er i siktelinjen av kirurgen.
  6. Fest en PHOTODIODE til pasient monitoren, og lever inn i en åpen kanal på ECoG-forsterkeren. Dette gir en timelig sync mellom presentasjon av hver stimulans og ECoG for offline analyse.
  7. Bruk skallen navigasjon maskinvare og programvare (ved University of Rochester, BrainLab Inc., München, Tyskland) i alle tilfeller av kirurgisk team for intra-operative skallen navigasjon basert på pre-operative Mr. Dette er et optisk system bestående av et sett med kameraer som viser operasjonsfeltet og registrerer pasientens hode via en fast registrerings stjerne som er festet til drifts tabellen (se figur 1).
    1. Nærmere bestemt, etter at pasienten er satt i headholder, men før drapering, bruk ansikts fysiognomi av pasienten til å registrere pasientens hode til preoperativ MRI. Dette gjør at pre-operative MRI (funksjonell og strukturell) skal bringes i direkte innretting med pasientens hjerne på operasjonsbordet.
    2. Fest en ekstra (mye mindre) registrerings stjerne til den bipolare stimulator (se figur 1) og bruk til å registrere stimulator lengde og posisjon i feltet. Dette gjør det mulig for Forskergruppen å tilegne seg den nøyaktige plasseringen av hvert punkt for stimulering, samt margene i reseksjon, i forhold til pre-operative MRI. Som nevnt ovenfor, er StrongView forbundet med skallen navigasjonssystem (ved University of Rochester, BrainLab, tilkobling via IGT link) for å tillate for sanntids streaming (og tid stempling) av koordinatene til direkte elektrisk stimulering kartlegging. StrongView er nå utviklet for å grensesnitt med andre skallen navigasjonssystemer (f. eks stryker).
      Merk: aspekter av StrongView som støtter administrasjon og datainnsamling under kognitive og fMRI eksperimenter, sammen med et bibliotek med tester, vil være tilgjengelig (åpen tilgang) på OpenBrainProject.org. Beta-versjoner er tilgjengelige før fullversjonen ved å kontakte den tilsvarende forfatteren. Hele StrongView Suite, som inkluderer hardware-systemer for å integrere med Electrocorticography og skallen navigasjonsprogramvare, er tilgjengelig for klinikere og forskere ved å kontakte den tilsvarende forfatteren. Disse datainnsamlings verktøyene vil bli confluent med en pipeline for etterbehandling og åpne data konsortium, som skal lanseres i 2020 på OpenBrainProject.org.

Representative Results

Figur 2, Figur 3, og Figur 4 presentere representative resultater av pre-operative funksjonelle og strukturelle kartlegging for tre pasienter med svulster som var ved siden av veltalende regioner i hjernen. Funnene som vises i figur 2, Figur 3og Figur 4 er ment å være illustrerende (i stedet for en uttømmende oppsummering) av kart typene som genereres for hver pasient. Detaljer om sakene presentert i figur 2, Figur 3, og Figur 4 finner du i: figur 2 (Chernoff, Teghipco, bare, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, i trykk51), Figur 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher og Mahon, 201952), og Figur 4 (bare et al., 201716). En viktig konsekvens av påfølgende rekruttering av glioma pasienter til en enhetlig protokoll er at det gjør mulige gruppenivå analyser som evaluerer effekten av hjernesvulster på nettverksfunksjon og organisasjon. Som et eksempel på denne type analyser, figur 5 presenterer resultater fra en fersk studie 14 som fant at svulster i venstre parietal cortex modulert nevrale reaksjoner på "verktøy" (små manipulable objekter) i Tinning flik, en forekomst av en mer generelt fenomen referert til som dynamisk diaschesis53.

Figure 1
Figur 1Oversikt over utstyr som brukes til ekstra operativ og intra-operative kognitiv testing. (A) eksempel oppsett for høy gjennom-Put kognitiv nevropsykologiske testing som gjennomføres av programmet for translational Brain Mapping i Institutt for nevrokirurgi ved University of Rochester Medical Center. Nøkkelelementer for å sikre at alle rekrutterte pasienter er i stand til å fullføre alle planlagte tester inkluderer: i) et sted for pasienter å sitte og fullføre testing som er fullt justerbar til hver pasientens størrelse, inkludert en stol spesielt designet for å redusere fatigue, og II) finne kognitive/atferdsmessige testing fysisk TILSTØTENDE til MRI. Disse elementene gjør det mulig for pasientene å besøke anlegget og fullføre sin funksjonelle og strukturelle MRI innen samme økt som kjerne atferdsdata måles. Deltakerne fullføre flere forsøk med bedre ytelse hvis de er komfortable, spesielt for eldre deltaker populasjoner med andre komorbiditeter som kan gjøre sitter for lengre perioder ubehagelig. (B) utstyr som brukes under intraoperativ kartlegging. Bildet til venstre viser en pasient før den blir drapert (høyre er etter drapering). Før drapering, den kognitive vitenskapen teamet setter opp sitt utstyr, inkludert lyd-og videospillere av pasienten, en skjerm plassert foran pasientens siktlinje, og en annen skjerm posisjonert slik at personen som arbeider med pasienten kan lett se stimulans som pasienten er for tiden ser (se "prosedyre" for detaljer). (C) bipolar stimulator med registrering stjerne festet til posten steder av intra-operative stimulering i PREOPERATIV Mr DICOM plass. Vanligvis på det punktet i kirurgi der Dura har blitt trukket tilbake og pasienten blir vekket fra narkose, er det noen minutter til å registrere bipolar stimulator til feltet. Dette må gjøres av et team medlem som er skrubbet i saken (dvs. enten til stede eller bosatt kirurg eller en scrub tech/sykepleier). Det oppnås ved å feste en liten registrering stjerne til bipolar stimulator og følge instruksjonene i skallen navigasjonssystem for å registrere et nytt instrument på feltet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 . Pre-operative funksjonell MRI og Diffusion tensor Imaging (DTI) i pasienten AH med en venstre dårligere parietal glioma som infiltrere den arcuate fasciculus. (A) pre-operative T1 MRI og 3D rekonstruksjon av venstre arcuate fasciculus og glioma. Den arcuate fasciculus er vist i oransje ved en 5% terskel med tumor rekonstruert i blått. (B) pre-operative funksjonell Mr. Pasienten fullførte flere sesjoner med funksjonell MRI som hver ble utformet for å kartlegge en funksjon som var forventet å være ved siden av området for kirurgisk inngrep. Alle kartene er thresholded på FDR q <. 05 eller bedre. I blått er voxels som viser differensial nevrale svar når navngi verktøy i forhold til dyr; i tråd med tidligere studier fra laboratoriet vårt med samme stimuli, er et robust nettverk identifisert som involverer premotor, parietal, og lateral og ventrale timelige områder7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Pasienten ble også bedt om å gjennomføre en numerosity oppgave der han måtte bedømme hvilken av to skyer av prikker hadde flere prikker; de to skyene av prikker kan enten ha et lignende antall prikker (hard sammenligning, ratio = 0,8) eller svært forskjellige antall prikker (enkel sammenligning, ratio = 0,25). I grønt er voxels som viser differensial neural responser når utføre oppgaven over hardt forhold stimuli (ratio = .8) sammenlignet med enkle stimuli (ratio = .25 54,55). Pasienten ble også bedt om å flytte hendene og føttene (enten Flex/Extension eller rotere25). I rødt er voxels som viste differensial neural svar på bevegelser av høyre hånd i forhold til bevegelser av høyre fot. Til slutt ble pasienten bedt om å generere så mange elementer som han kunne tenke på i 30 sekunder fra ulike kategorier (f. eks "ting du gjør på kjøkkenet", "dyr", ord som starter med "F", osv.). I lilla er voxels som viste differensial neural aktivitet for åpenbar ord produksjon i forhold til fiksering/hvile. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 . Pre-operative hvite materie tractography av frontal brott tarmkanalen og tilstøtende u-formede fibre. Tidligere erfaring i programmet for translational Brain Mapping (Chernoff et al., 201756) med hjernen kartlegging hos pasienter med gliomas tilstøtende til frontal brott tarmkanalen demonstrert at (selv delvis) transection av denne veien kan knyttes med dysfluencies i spontan tale, mens repetisjon av muntlig språk kan forbli intakt. Det tidligere erfaring ble brukt til å informere pre-operative kartlegging av frontal brott tarmkanalen i pasientens AI11. (A) koronale skiver som viser frontal brott skrift (blå-lys blå) og du-formet fibre (rød-gul). Den frontal brott tarmkanalen passerer bare fremre og midtre til glioma. (B) 3D-gjengivelse av frontal brott skrift (blå) og tumor (rød) fra flere perspektiver. Den pre-operative anatomiske studier (panel A og B) indikerte at på slutten av tumor reseksjon, ville det være mulig å definere fremre margin på tumor ved hjelp av direkte elektrisk stimulering kartlegging. Vi har dermed utviklet et nytt språk oppgave basert på vår tidligere erfaring, spesielt for å teste om stimulering av frontal brott tarmkanalen forstyrret setning produksjon på grensene av grammatiske fraser. (C) direkte elektrisk stimulering av frontal brott tarmkanalen forstyrrer setning produksjon differensielt på grensene av grammatiske fraser. Skjermbildet (panel C, venstre) fra videoen viser pasienten, stimulans som han ble presentert, kirurgen hånd holder bipolar stimulator i kontakt med frontal brott tarmkanalen ved fremre margin av svulsten, og plasseringen i koronale og sagittal skiver av gjeldende stimulering plassering (rød prikk) i forhold til frontal brott tarmkanalen (blå). Pasientens oppgave var å beskrive den romlige relasjonen til målfiguren i forhold til plasseringen av en referansefigur (for prøven som vises, ville det riktige svaret være: "den røde firkanten er under den røde diamanten"). Vi fant at stimulering av frontal brott tarmkanalen forstyrret setning produksjon, og differensielt så i starten av nye grammatiske fraser (panel C, graf til høyre, for video av intraoperativ kartlegging prosedyren i denne pasienten, se www.openbrainproject.org). denne observasjonen motiverer en ny hypotese om rollen til frontal brott veiene i setningen produksjon: den Syntagmatic begrensninger på posisjons elementer (SCOPE) hypotese11. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 

Figure 4
Figur 4. Pre-operative funksjonelle og strukturelle MRI og intraoperativ direkte elektrisk stimulering kartlegging i en profesjonell musiker med en glioma i høyre bakre Temporal flik.(A) Pre-operative fMRI kartlegging av høyt nivå visuell prosessering, språk produksjon og verktøy kunnskap. Svulsten, skyggelagt gul, var i riktig Temporal flik, synlig gjennom høyre overlegen Temporal sulcus (sulci litt utvidet for å lette visualisering). Fordi svulsten ble plassert nær bevegelse behandling områder i lateral Temporal cortex, lokaliserte vi MT/v5 ved å sammenligne neural aktivitet når pasienten gikk til arrays av bevegelige prikker til nevrale aktivitet elicited av stasjonære prikker; voxels viser differensial neural tiltak for bevegelse i forhold til statiske prikker er plottet på lilla-hvit fargeskala (vi er takknemlige for Duje Tadin for hjelp med å utvikle denne funksjonelle localizer). Som for alle andre tilfeller studert i programmet for translational Brain Mapping (f. eksFigur 2,Figur 3), voxels viser differensial neural svar for navngiving vanlige bilder sammenlignes med en Baseline på visning fase-krypterte versjoner av de samme bildene; Dette er plottet på grønn-hvit fargeskala. At kontrasten identifisert bilaterale lateral occipital komplekse, bilaterale midt/overlegen Temporal gyrus, og motorisk cortex (assosiert med tale motorisk aktivitet). Også som iFigur 2, voxels viser differensial nevrale svar når navngi "verktøy" ble funnet i venstre dårligere parietal lobule, bilateral overlegen parietal/rygg occipital cortex, og venstre bakre midtre/mindreverdig Temporal gyrus (blå-hvit fargeskala). Til slutt, og igjen som iFigur 2, ble pasienten bedt om å fullføre en verbal flyt ord produksjon oppgave. Voxels assosiert med ordet generasjon i forhold til en hvile Baseline er plottet på rød-hvit fargeskala og ble funnet i venstre dårligere frontal gyrus (Broca ' s område), overlegen Temporal/mindreverdig parietal cortex, og talen motor system. (B) Pasienten fullførte flere funksjonelle Mr-eksperimenter operativt spesielt for å kartlegge musikk prosessering. I ett eksperiment, modellert etter tidligere arbeid fra Greg Hickok ' s Lab57, hørte pasienten kort piano melodier og måtte nynne melodien tilbake, eller hørt korte setninger og måtte gjenta setningene tilbake. Plottet på hjernen på rød-lilla Fargeskalaen er voxels som utstilt differensial neural aktivitet for musikk enn for språk. Fire Eastman School of Music graduate studenter fullførte samme fMRI eksperimentet; grensen til regionen som identifiseres for den samme funksjonelle kontrasten i de samsvarende sunne kontrollene, tegnes inn i grønn kontur. I tillegg fullførte 10 andre nevrokirurgi pasienter det samme eksperimentet, også i preoperativ fasen av behandlingen. Mens proximate mål i de 10 pasientene var å identifisere språk-responsive områder (thorugh kontrasten av språk > musikk), identifiserer kontrasten av musikk > språk en svært lik region av retten overlegen Temporal gyrus (grenser av funksjonelle fra de 10 kontroll nevrokirurgi pasientene trekkes i lys blå). (C) Pre-operative sannsynlighetsbasert tractography over DTI data viser rett akustisk stråler og arcuate fasciculus i forhold til pasientens AE svulst (5% terskel, kledde på Native T2-vektet bilde). (D) Under hans kirurgi, pasienten AE utført samme oppgave som under fMRI der han måtte lytte til korte piano melodier og nynne dem tilbake, eller en kort setning og gjenta det tilbake. Det ble funnet at direkte elektrisk stimulering til høyre bakre overlegen Temporal gyrus forstyrret ytelse i repetisjon oppgave når utført over melodier (for noen prøvelser), men ikke påvirke ytelsen (på noen forsøk) for samme repetisjon oppgave utført over setninger (se www.openbrainproject.org for videoer av intraoperativ musikk kartlegging).Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 . Demonstrasjon av domenespesifikke diaschesis: analyse av forholdet mellom lesjon plassering og stimulans-elicited neural aktivitet på tvers av en gruppe glioma pasienter studert pre-operativt i programmet for translational Brain. En viktig konsekvens av å administrere et felles sett med funksjonelle Mr og atferdsmessige studier til alle pasienter som går gjennom programmet for translational Brain Mapping ved University of Rochester Medical Center er muligheten til å gjennomføre gruppe-nivå analyser på større sett med etterfølgende studert pasienter. Som et eksempel, figur 5 viser resultatene av en test av grunnleggende vitenskapen hypotesen at nevrale reaksjoner på "verktøy" i Tinning flik er modulert online ved innganger fra parietal cortex. Hvis den hypotesen er riktig, så lesjoner (svulster) i parietal cortex bør endre neural responser i Tinning flik til "verktøy", og varians på tvers av pasienter i neural aktivitet til "verktøy" i Tinning flik bør korrelert med tilstedeværelsen av lesjoner ( svulster) i parietal cortex. (A) lesjoner å parietal cortex er spådd på gruppenivå (logistisk regresjon) fra varians på tvers av pasienter i neural responser i midtre fusiform gyrus på ventrale overflaten av Tinning flik. (B) nevrale svar på verktøy i midtre fusiform gyrus er spådd på gruppenivå (logistisk regresjon) fra varians i om lesjon/tumor involverer den fremre Intraparietal Sulcus (aIPS). Funnene oppsummert i paneler A og B representerer en forekomst av dynamisk diaschesis53, i dette tilfellet "domenespesifikke" dynamisk diaschesis, fordi forholdet mellom lesjon plassering til neural aktivitet er modulert av den type stimulans blir behandlet ( det vil si at forholdet er til stede for verktøy, og ikke for steder, ansikt eller dyr)-for alle detaljer, se bare og kollegaer14. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 

Discussion

Kunnskapen fikk fra opplevelsen av å etablere programmet for translational Brain Mapping ved University of Rochester kan bli destillert ned i to kjerne elementer. Først ble strukturerte kommunikasjonskanaler etablert blant kognitive forskere, Nevro-onkologer, neuropsychologists, epileptologists, neurophysiologists, Nevro-anestesileger, neurosurgeons og deres respektive støtte teknikere og administrativ støtte. Dette gjør at pasienter, inkludert presserende høyverdig tumor pasienter, skal henvises til pre-operative evaluering med tilstrekkelig tid til å slå analyser rundt til kirurger før inngrepet. Den andre komponenten avgjørende for suksessen til Brain Mapping program har vært å kaste i trening muligheter for undergraduate studenter, Graduate (MS, PhD) studenter, medisinstudenter, samt nevrokirurgi, nevrologi og neuroradiology beboere og Fellows. Kombinasjonen av disse to elementene tjene til å engasjere alle kliniske tilbydere med de vitenskapelige målene i Brain Mapping program, og sikrer at grunnleggende vitenskap mål er sammenvevd med det kliniske målet om å optimalisere utfallet av hver pasient.

Disclosures

En provisorisk patent (US foreløpig patent nummer 62/917258) ble arkivert 11/30/18 for "StongView: en integrert hardware/software system for å lette kognitiv testing under våken hjernen kirurgi og for å støtte sanntids analyser i tjeneste for forutsi pasientens utfall. "

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av NIH Grants R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535 og NSF Grant BCS-1349042 til BZM, og ved en University of Rochester Center for Visual Science postgradualt trening fellesskap (NIH trening Grant 5T32EY007125-24) til FEG. Vi er takknemlige for Keith Parkins for sitt arbeid med utvikling av StrongView, som ble støttet av kjerne stipend P30EY00131 til Center for Visual Science ved University of Rochester Medical School. Programmet for translational Brain Mapping ved University of Rochester ble etablert, delvis med støtte fra Norman og Arlene Leenhouts, og med et stipend fra Wilmot Cancer Institute til DRS. Kevin Walter og Bradford Mahon. Informasjon om programmet for translational Brain Mapping ved University of Rochester Medical Center kan finnes på: 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