رسم خرائط الدماغ الترجمة في المركز الطبي لجامعة روتشستر: الحفاظ على العقل من خلال رسم خرائط الدماغ الشخصية

Summary

تقدم هذه المقالة لمحة عامة عن برنامج رسم خرائط الدماغ متعدد الوسائط المصممة لتحديد مناطق الدماغ التي تدعم الوظائف المعرفية الحرجة في مرضى جراحة الأعصاب الفردية.

Abstract

برنامج رسم خرائط الدماغ الترجمة في جامعة روتشستر هو جهد متعدد التخصصات يدمج العلوم المعرفية، والفيزيولوجيا العصبية، والتخدير العصبي، وجراحة الأعصاب. يتم دراسة المرضى الذين لديهم أورام أو أنسجة الصرع في مناطق الدماغ بليغة قبل الجراحة مع التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي والهيكلية، وداخل الجراحة مع رسم الخرائط التحفيز الكهربائي المباشر. تدابير النتائج العصبية والمعرفية بعد العملية الجراحية تغذي الدراسات العلمية الأساسية حول العوامل التي تتوسط جيدة مقابل نتائج سيئة بعد الجراحة، وكيف يمكن تحسين رسم خرائط الدماغ لضمان أفضل النتائج للمرضى في المستقبل. في هذه المقالة، نقوم بوصف سير العمل متعدد التخصصات الذي يسمح لفريقنا بتحقيق الأهداف التآزرية لتحقيق نتائج المريض المثلى والنهوض بالفهم العلمي للدماغ البشري.

Introduction

يجب أن توازن التدخلات الجراحية العصبية لإزالة أورام الدماغ أو الأنسجة الصرعية المجاورة لمناطق الدماغ التي تدعم الوظائف المعرفية الحرجة الهدف السريري للجراحة (إزالة أكبر قدر ممكن من الورم، أو الأنسجة الصرعية قدر الإمكان) ضد الأضرار التي لحقت الأنسجة السليمة التي يمكن أن تسبب العجز العصبي. في سياق جراحة أورام الدماغ، ويشار إلى هذا التوازن باسم التوازن الوظيفي. على الجانب 'onco' من التوازن، والجراحين يريدون إزالة أكبر قدر ممكن من الورم، كما ترتبط معدلات 'استئصال الورم الكلي الإجمالي' إلى البقاء على قيد الحياة لفترة أطول^1،2. على الجانب "الوظيفي"، يمكن إزالة الأورام تلف ركائز القشرية وتحت القشرية من الإدراك. يمكن أن تنطوي صعوبات ما بعد الجراحة على اللغة أو العمل أو الرؤية أو السمع أو اللمس أو الحركة، وفقًا للنظام العصبي (العوامل العصبية) المتأثرة. التوازن بين الوظائف والأنفية أمر بالغ الأهمية لأن زيادة الاعتلال يرتبط بـ '1' انخفاض نوعية الحياة، '2' زيادة المضاعفات اللاحقة للعمليات الجراحية التي يمكن أن تزيد من الوفيات (على سبيل المثال، المرضى الذين لم يعودوا قادرين على التحرك في خطر أعلى من جلطات الدم^3،4). التوتر الكامن في التوازن "الوظيفي" في إعداد جراحة أورام الدماغ يترجم كذلك إلى جراحة الصرع - هناك التوازن هو بين الهدف السريري لإزالة جميع الأنسجة التي تولد النوبات، في حين لا إزالة الأنسجة التي تدعم الوظائف الهامة.

على مستوى واسع، يتم تصنيف الأعصاب الوظيفية بشكل كبير من فرد إلى آخر. ومع ذلك، يمكن أن يكون هناك درجة عالية من التباين الفردي في الموقع الدقيق (أي من مم إلى مم) للوظائف القشرية العليا. وبالإضافة إلى ذلك، فمن المسلم به عموما أن وجود أمراض القشرية أو تحت القشرية يمكن أن تحفز إعادة تنظيم القشرية، على الرغم من أن المبادئ التي تدفع إعادة التنظيم هذه غير مفهومة جيدا⁵. التدخلات الجراحية العصبية المضي قدما ملليمتر بالمليمتر. وبالتالي فمن الأهمية بمكان رسم خريطة لدماغ كل مريض، بالتفصيل وبحساسية ودقة، من أجل فهم المناطق التي في هذا الدعم المريض محددة التي وظائف الحسية والمعرفية والحركية⁶.

وقد تم تصميم برنامج رسم خرائط الدماغ الترجمة في جامعة روتشستر لتلبية احتياجات رسم خرائط الدماغ شخصية في وضع ممارسة عالية من خلال وضع تمتد العديد من الجراحين الأكاديميين. الأهداف التآزرية لبرنامج رسم خرائط الدماغ هي لi) استخدام أدوات علم الأعصاب المعرفية لتعزيز الطب العصبي شخصية، في شكل خرائط الدماغ وظيفية خاصة بالمريض، و 2) استخدام الإعداد السريري لل التدخلات الجراحية العصبية لاختبار الفرضيات الميكانيكية حول كيفية عمل الدماغ البشري.

Protocol

الأنشطة المعروضة في الفيديو والموصوفة هنا تقع ضمن IRB أكبر من الحد الأدنى من المخاطر في المركز الطبي لجامعة روتشستر.

1 - التوظيف

1. إنشاء برنامج عالي من خلال وضع للتقييم المعرفي قبل الجراحة والقائم على التصوير بالرنين المغناطيسي للقبض على المرضى من جميع مقدمي الإحالة في الوقت المناسب وبطريقة فعالة. إشراك الموظفين الإداريين والسريريين في الجهد الأوسع.
   ملاحظة: كانت الخطوة الملموسة التي أثبتت فعاليتها هي إنشاء قائمة بريد إلكتروني جماعية يتم إرسالها تلقائيًا من قبل الجراح المعالج (أو شخص ما في موظفي الدعم) عندما يقدم مريض جديد إلى العيادة الذي قد يكون مرشحًا للتوظيف في الدماغ برنامج رسم الخرائط.

2. رسم الخرائط التصوير بالرنين المغناطيسي قبل الجراحة

1. الحصول على بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي على الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي 3T مع لفائف الرأس 64 قناة في مركز التصوير الدماغ المتقدم والفيزيولوجيا العصبية (المعروف رسميا باسم 'مركز روتشستر لتصوير الدماغ') في كلية الطب في جامعة روتشستر. استخدام التسلسلات القياسية للتصوير بالرنين المغناطيسي بولد وDTIالسماح التصوير الكامل للدماغ، كما هو موضح في المنشورات السابقة 7،^{8،9،10،11،12،13 ،14،15،16،17،18،19،20،21،22 ،23،24،25}.
2. مراقبة التثبيت، والتنفس القياسي ومعدل ضربات القلب التي تم جمعها خلال جميع التصوير بالرنين المغناطيسي لتراجع الضوضاء يخلط^26،27.
   ملاحظة: على مدى السنوات العشر الماضية، قمنا بتطوير مكتبة من تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفية لرسم خريطة اللغة (المنطوقة، السمعية، كلمات واحدة، الجمل الكاملة)، وظيفة المحرك (من الإصبع العابر، وحركات اللسان والقدم إلى إجراءات عابرة عالية المستوى)، والموسيقى القدرة والرياضيات ومعرفة الأرقام، والوظيفة الحسية الأساسية (على سبيل المثال، رسم الخرائط الشبكية لرسم خريطة للمعالجة البصرية منخفضة المستوى^11،14،24). تتوفر جميع التجارب والمواد والبرامج النصية للتحليل في www.openbrainproject.org.

3. الاختبارات النفسية العصبية

1. العناية خلال جميع الاختبارات المعرفية للتأكد من أن المرضى مريحة،وضمان باستخدام إعداد الأمثل هندسيا (الشكل 1) وعن طريق بناء فواصل متكررة (كل 8 دقائق) في هيكل جميع الاختبارات.
2. أن يكون جميع مرضى الأورام من الدرجة المنخفضة يكملون الاختبارات التالية قبل 1 شهر من الجراحة، بعد شهر واحد من الجراحة، و6 أشهر بعد الجراحة (يتم إكمال الاختبارات 12 و13 فقط في نقاط ما قبل الجراحة و6 أشهر بعد العملية الجراحية)^{28،29 ،30،31،32.}
   1. خطاب عفوي (كوكي سرقة صورة³³، سندريلا قصة^34،35،36).
   2. الطلاقة الفئة (الإجراءات، الفئات الدلالية، الكلمات التي تبدأ بـ F، A، S).
   3. كلمة القراءة والتكرار (أسماء، الأفعال، الصفات، غير الكلمات، المتطابقة على الطول والتردد).
   4. تسمية كائن سنودجراس (n = 260³⁷).
   5. التسمية السمعية (n = 60^38).
   6. عالية كلوز الانتهاء من الحكم (30 دقيقة).
   7. برمنغهام بطارية التعرف على الكائن (BORB، بما في ذلك الطول | الحجم | التوجيه | مطابقة الفجوة | الأرقام المتداخلة | وجهات النظر المختصرة | كائن واقع القرار³⁹).
   8. السمعي الحد الأدنى من التمييز الزوج (على سبيل المثال، السلطة الفلسطينية مقابل دا، ga مقابل تا^31،40).
   9. مطابقة صورة الجملة (بما في ذلك السلبية القابلة للعكس^40).
   10. تسمية اللون وفارنسوورث مونسيل هوى الفرز^41.
   11. كامبردج اختبار الوجه^30,42.
   12. كاليفورنيا اختبار التعلم اللفظي (⁴³)
   13. وشلر IQ (44،^45،46). التدابير الرئيسية لتقييم نتائج اللغة هي الاختبارات 4-6؛ تميز القدرات الأوسع يضمن العاهات على اختبارات التسمية ليست بسبب انخفاض الأداء العام^47.
       ملاحظة: في الماضي، استخدمنا مجموعة من منصات عرض البرامج للتحكم في عرض التحفيز وتسجيل الاستجابة أثناء الاختبار قبل وبعد العملية الجراحية. نقوم حاليًا بتصميم منصة واحدة للتوصيل والتشغيل لدعم جميع الاختبارات المعرفية (الاختبارات السابقة والداخلية واللاحقة للعمليات) بالإضافة إلى عرض التحفيز وتسجيل الاستجابة أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (انظر أدناه للاطلاع على وصف StrongView^TM ). StrongView، جنبا إلى جنب مع المدمج في الاختبارات العصبية النفسية، وسوف تكون متاحة للتحميل (رخصة مفتوحة) في www.openbrainproject.org.

4. التخدير العصبي وبيئة العمل لرسم الخرائط اللغوية أثناء الجراحة

1. استخدام تقنيات التخدير لاستئصال الجمجمة مستيقظا^48،49،50؛ في جامعة روتشستر، يتم عادة إجراء عمليات استئصال الجمجمة مستيقظا باستخدام نهج نائما مستيقظا نائما.
2. تجنب الأدوية المسبقة مثل مضادات الاختلاج ومزيلات القلق لأنها يمكن أن تضعف الوظيفة المعرفية وتسهم في الهذيان الظهور.
3. تطبيق الشاشات القياسية (تخطيط القلب، NIBP، قياس التأكسج النبضي) والحث على التخدير العام مع الفنتانيل الوريدي (0.5 ملغ / كغ)، ليدوكائين (1-1.5 ملغ / كغ) وبروبيول (1-2 ملغ / كغ).
4. استخدام مجرى الهواء فوق gglottic للتهوية الميكانيكية.
5. وضع المريض أفقيا أو شبه أفقيا مع رئيس المضمون في إطار المثبتة. كما هو موضح في الفيديو، وتحديد المواقع المريض يعتمد على موقع الآفة ونافذة استئصال الجمجمة المخطط لها، مع الأخذ في الاعتبار أيضا أن أنواع الاختبارات المعرفية سوف يطلب من المريض لأداء مرة واحدة مستيقظا خلال الجراحة.
6. تطبيق التسكين في دبوس وموقع شق (30 مل من 0.5٪ ليدوكائين، 30 مل من 0.5٪ الاستشعار عادي، 6 مل من بيكربونات الصوديوم). خلال هذه الفترة، ضع معدات الاختبار (شاشة صغيرة، كاميرات فيديو، ميكروفونات اتجاهية).
7. تحديد حجم نافذة استئصال الجمجمة بعوامل متعددة، والتي تختلف في ترجيحها وفقا لنتائج رسم الخرائط السريرية قبل الجراحة من دماغ المريض، والدراسات الوظيفية لرسم خرائط الدماغ، وخطة لرسم الخرائط داخل الجراحة. في الحالة الموصوفة في الفيديو، اختار الجراح المعالج (الدكتور بيلشر) استئصال الجمجمة كبيرة من أجل الحصول على الوصول الكامل إلى خريطة اللغة الإيجابية والمواقع الحركية في نصف الكرة الأرضية المهيمن.
8. في بداية مرحلة الاستيقاظ ، توقف عن التخدير (يتم تطبيق المسكنات المحلية قبل الشق).
9. إزالة مجرى الهواء فوق gglottic بمجرد أن يستعيد المريض وعيه. لا يوجد أي أو الحد الأدنى من التخدير خلال مرحلة مستيقظا.
10. استخدام التصوير الكهربائي (ECoG) لرصد الإفرازات بعد التصريفات (الإفرازات النكبية دون السريرية الناجمة عن التحفيز القشري) لضمان أن يتم تعيين مستويات DES في أقل بقليل من عتبة ما بعد التفريغ. يبدأ إجراء رسم الخرائط DES عن طريق العثور على عتبة ما بعد التفريغ، وضبط سعة التحفيز (في خطوات 0.5 مللي أمبير).
11. ضبط السعة التحفيزية طوال جلسة رسم الخرائط (2 إلى 15 مأ) حسب تقدير الجراح المعالج. المرضى عرض المحفزات على جهاز عرض ويمكن التحدث وتحريك الساعدين واليدين.

5- إجراءات الحصول على بيانات من الدرجة البحثية أثناء عملية رسم خرائط التحفيز الكهربائي المباشر أثناء الجراحة

1. قم بتشغيل جميع الاختبارات المعرفية أثناء الجراحة على نظام أجهزة/برامج مخصص يسمى "StrongView"، متوفر في www.openbrainproject.org. بصمة الأجهزة مكتفية ذاتيا على عربة صغيرة، ومجهزة مع مصدر طاقة بطارية احتياطية مستقلة، ومكبرات الصوت، لوحة المفاتيح وشاشة تعمل باللمس. يمكن للشخص المكلف بإدارة الاختبار المعرفي بدء العرض التحفيزي وإيقافه وإيقافه مؤقتًا، مع التسجيل المستمر (الصوت والفيديو) أثناء الحالة.
2. استخدام نظام الصوت على العربة بحيث ميكروفون الاتجاه الذي يتم تدريب على فم المريض، الذي يتغذى من خلال الخائن. قناة واحدة تخرج من الخائن يمر عبر مكبر للصوت ومباشرة إلى مكبر الصوت. وهذا يسمح للجراحين والباحثين بسهولة سماع استجابات المريض ضد الضوضاء الخلفية لغرفة العمليات مع عدم حدوث تأخير ملموس (أي القضاء على آثار "صدى"). القناة الثانية من الخائن يذهب إلى جهاز الكمبيوتر على عربة المحمول، حيث يتم ختمها عبر الزمن، وتسجيلها وتخزينها (يتم استخدام هذه الملفات للتحليل دون اتصال). يحتوي StrongView أيضًا على نظام صوتي منفصل (مستقل) يتكون من ميكروفون اتجاهي ثانًا مدرب أيضًا على المريض، وميكروفون اتجاهي مدرب على الجراحين، وميكروفون "ضوضاء" في زاوية من غرفة العمليات لأخذ عينات من نغمة الغرفة للطرح من الملفات الصوتية الرئيسية. هذه القنوات الصوتية الثلاث تغذية MIDI، وإلى جهاز كمبيوتر الثاني الذي يسجل كل قناة على حدة. يوفر هذا النظام الصوتي الثاني التكرار في حالة فشل النظام الأساسي، وسوف تكون جميع الردود اللفظية للمريض متاحة للتحليل حاليا.
3. إرفاق شاشة الأثير المتاحة تجاريا L-قوس إلى طاولة غرفة العمليات (OR) باستخدام المشبك الجدول OR. إرفاق ذراعمفصل (على سبيل المثال، Manfrotto 244 متغير الاحتكاك ماجيك الأسلحة) إلى شاشة الأثير L-قوس، وتلك التي تعبر الأسلحة دعم رصد المريض، والميكروفونات الاتجاه، وكاميرا الفيديو المدربة على وجه المريض، وجهاز عرض مساعد ل السماح لعضو فريق البحث أو ممرضة غرفة العمليات لمعرفة بسهولة ما يراه المريض أثناء التفاعل مع المريض.
4. تشغيل جميع الكابلات اللازمة للشاشات والميكروفونات والكاميرا على طول الذراع وحماية من الأنابيب البلاستيكية المضمونة مع الفيلكرو.
   ملاحظة: لا حاجة إلى تعقيم أي من هذه المعدات كما هو (فقط منأي وقت مضى) على الجانب غير المعقمة من الميدان (الشكل 1). هذه الطريقة لدعم تقديم التحفيز ومعدات تسجيل الاستجابة يوفر المرونة القصوى لتأخذ في الاعتبار بيئة العمل المختلفة من الاختبار المعرفي وفقا لتحديد المواقع المريض الذي يختلف حالة بحالة، ومع ذلك يوفر موثوق بها ومنصة مستقرة التي لإرفاق المعدات. أيضا، والأهم من ذلك، لأن جميع أجهزة العرض والميكروفونات والكاميرات تعلق على الجدول OR عبر جهاز واحد (شاشة الأثير L-قوس)، إذا تم ضبط موضع الجدول أثناء الحالة هذا لا يؤثر على إعداد الاختبار. (لاحظ أن الإعداد المبين في الشكل 1 هو من إعداد جيل سابق يدعم فيه حامل مثبت على الأرض شاشة المريض والميكروفون وكاميرا الفيديو؛ وقد تم استبدال الحامل المثبت على الأرض منذ عام 2018 بشاشة الأثير L-bracket). أيضا، والأهم من ذلك لسلامة المريض، يمكن تقسيم الإعداد الكامل للاختبار المعرفي في أقل من 20 ثانية خلال الحالة إذا كان الوضع الناشئ يقدم نفسه أن ولايات الوصول الكامل ودون عائق للمريض (على سبيل المثال، إلى المريض مجرى الهواء).
5. قلب StrongView هو نظام برمجيات مرن لi) تقديم المحفزات (البصرية والسمعية) للمرضى وتسجيل ردود المرضى (اللفظية، والاستجابة على زر، والفيديو)، 2) تسجيل الوقت جميع الأحداث ذات الصلة تجريبيا و التدابير (التحفيز على، ECoG، والاتصال مع الدماغ من التحقيق محفز كهربائي مباشر، واستجابات المريض)؛ 3) والاتصال مع أنظمة الملاحة القحفية للحصول على إحداثيات ثلاثية الأبعاد لكل تطبيق من تطبيقات التحفيز الكهربائي المباشر. يسمح StrongView بإعادة معايرة المتغيرات التجريبية عبر الإنترنت مثل مدة التحفيز، والفواصل الزمنية بين المحفزات، والعشوائية، وعدد التكرارات أو كتل المحفزات، والتحكم في قنوات الفيديو والصوت الخاصة بالمريض. StrongView تيارات كاميرا الفيديو المريض، وبيانات ECoG على الانترنت، والتحفيز الذي يراه المريض حاليا / السمع إلى شاشة سطح المكتب، والتي تنعكس أيضا على شاشة كبيرة التي هي في خط البصر من الجراح.
6. إرفاق صمام ضوئي إلى شاشة المريض وتغذية في قناة مفتوحة على مكبر للصوت ECoG. وهذا يوفر مزامنة زمنية بين عرض كل حافز وECoG للتحليل حاليا.
7. استخدام أجهزة وبرامج الملاحة القحفية (في جامعة روتشستر، BrainLab Inc.، ميونيخ، ألمانيا) في جميع الحالات من قبل الفريق الجراحي للملاحة داخل الجراحة القحفية على أساس التصوير بالرنين المغناطيسي قبل الجراحة. هذا هو نظام بصري يتكون من مجموعة من الكاميرات التي عرض مجال التشغيل وتسجيل رأس المريض عن طريق نجم ة تسجيل ثابتة مثبتة على طاولة التشغيل (انظر الشكل1).
   1. على وجه التحديد ، بعد تعيين المريض في صاحب الرأس ، ولكن قبل الثنيات ، استخدم الفيزيولوجيا الوجهية للمريض لتسجيل رأس المريض إلى التصوير بالرنين المغناطيسي قبل الجراحة. وهذا يسمح التصوير بالرنين المغناطيسي قبل الجراحة (وظيفية والهيكلية) ليتم جلبها إلى محاذاة مباشرة مع دماغ المريض على طاولة العمليات.
   2. قم بإرفاق نجم تسجيل ثان (أصغر بكثير) بمحفز ثنائي القطب (انظر الشكل1) واستخدامه لتسجيل طول المحفز وموقعه في الحقل. وهذا يمكّن فريق البحث من الحصول على الموقع الدقيق لكل نقطة تحفيز وكذلك هوامش الاستئصال، بالنسبة للتصوير بالرنين المغناطيسي قبل الجراحة. كما ذكر أعلاه، يرتبط StrongView مع نظام الملاحة القحفي (في جامعة روتشستر، BrainLab، اتصال عبر وصلة IGT) للسماح لتدفق في الوقت الحقيقي (وختم الوقت) من إحداثيات رسم الخرائط التحفيز الكهربائي المباشر. ويجري حاليا تطوير StrongView للتواصل مع أنظمة الملاحة القحفية الأخرى (على سبيل المثال، سترايكر).
      ملاحظة: سوف تتوفر جوانب StrongView التي تدعم الإدارة وجمع البيانات أثناء التجارب المعرفية وتجارب التصوير بالرنين المغناطيسي، إلى جانب مكتبة من الاختبارات،(الوصول المفتوح) في OpenBrainProject.org. تتوفر إصدارات بيتا قبل الإصدار الكامل عن طريق الاتصال بالمؤلف المقابل. مجموعة StrongView بأكملها، والتي تشمل أنظمة الأجهزة لدمج مع الكهربائي وبرامج الملاحة القحفية، متاحة للأطباء والعلماء عن طريق الاتصال بالمؤلف المقابل. وستكون أدوات الحصول على البيانات هذه متزامنة مع مجموعة ما بعد التجهيز واتحاد البيانات المفتوحة، الذي سيبدأ في عام 2020 في OpenBrainProject.org.

النتائج

الشكل 2، الشكل 3، والشكل 4 النتائج التمثيلية الحالية لرسم الخرائط الوظيفية والهيكلية قبل الجراحة لثلاثة مرضى يعانون من الأورام التي كانت مجاورة لمناطق بليغة من الدماغ. ويقصد بالنتائج المبينة في الشكل 2والشكل 3والشكل 4 أن تكون توضيحية (وليس ملخصاً شاملاً) لأنواع الخرائط التي يتم إنشاؤها لكل مريض. ويمكن الاطلاع على تفاصيل الحالات المعروضة في الشكل 2، الشكل 3، والشكل 4 في : الشكل 2 (تشيرنوف ، تيجهيبكو ، غارسيا ، سيمز ، بلخير ، بول ، تيفاروس ، سميث ، هينتز ، بيلشر ، ماهون ، في الصحافة⁵¹) ، الشكل 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher and Mahon, 2019^52),and Figure 4 (Garcea et al., 2017¹⁶). ومن النتائج الهامة للتجنيد المتتالي لمرضى الورم الدبقي في بروتوكول موحد هو أنه يجعل من الممكن إجراء تحليلات على مستوى المجموعة التي تقيم تأثير أورام الدماغ على وظيفة الشبكة وتنظيمها. كمثال على هذا النوع من التحليلات، يعرض الشكل 5 نتائج دراسة حديثة ¹⁴ التي وجدت أن الأورام في القشرة الجدارية اليسرى اليسار الاستجابات العصبية التضمين إلى 'أدوات' (الأجسام الصغيرة القابلة للتلاعب) في الفص الزمني، وهو مثال على ظاهرة أكثر عمومية يشار إليها باسم diaschesis دينامية⁵³.

الشكل 1 نظرة عامة على المعدات المستخدمة في الاختبارات المعرفية خارج العملية وداخل العملية. (أ) إعداد مثال للاختبار العصبي النفسي المعرفي العالي من خلال وضع كما هو مطبق من قبل برنامج رسم خرائط الدماغ الترجمة في قسم جراحة الأعصاب في المركز الطبي بجامعة روتشستر. وتشمل العناصر الرئيسية لضمان أن جميع المرضى المعينين قادرة على إكمال جميع الاختبارات المقررة: '1' مكان للمرضى للجلوس والاختبار الكامل الذي يمكن ضبطه تماما لحجم كل مريض، بما في ذلك كرسي مصمم خصيصا للحد من التعب، و2) تحديد موقع الاختبار المعرفي / السلوكي ة المجاورة جسديا للتصوير بالرنين المغناطيسي. تسمح هذه العناصر للمرضى بزيارة المرفق وإكمال التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي والهيكلي خلال نفس الجلسة التي يتم فيها قياس البيانات السلوكية الأساسية. يكمل المشاركون المزيد من التجارب مع أداء أفضل إذا كانوا مرتاحين، وخاصة بالنسبة للسكان المشاركين الأكبر سنا مع الأمراض المشتركة الأخرى التي يمكن أن تجعل الجلوس لفترات طويلة غير مريحة. (ب) المعدات المستخدمة أثناء رسم الخرائط أثناء الجراحة. تظهر الصورة على اليسار المريض قبل أن تكون رايات (الحق هو بعد الثنيات). قبل الثنيات، يقوم فريق العلوم المعرفية بإعداد معداتهم، بما في ذلك مسجلات الصوت والفيديو للمريض، وشاشة موضوعة أمام خط نظر المريض، وشاشة ثانية متمركزة بحيث يمكن للشخص الذي يعمل مع المريض بسهولة انظر التحفيز الذي يبحث المريض حاليا (انظر "الإجراء" للحصول على التفاصيل). (C) محفز ثنائي القطب مع نجم التسجيل تعلق على مواقع قياسية من التحفيز داخل العملية في الفضاء DICOM التصوير بالرنين المغناطيسي قبل الجراحة. عادة عند النقطة في الجراحة التي تم فيها سحب الدورة ويتم استيقظ المريض من التخدير العام ، وهناك بضع دقائق لتسجيل محفز ثنائي القطب إلى الميدان. يجب أن يتم ذلك من قبل عضو الفريق الذي يتم تنظيفه في القضية (أي إما حضور أو جراح مقيم أو تنظيف التكنولوجيا / ممرضة). ويتم ذلك عن طريق ربط نجم تسجيل صغير بمحفز ثنائي القطب واتباع التعليمات الواردة في نظام الملاحة القحفيلتسجيل بأداة جديدة في الميدان. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2 . التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي قبل الجراحة ونشر التصوير Tensor (DTI) في المريض AH مع الورم الدبقي الجداري السفلي الأيسر الذي تسلل إلى اللفافة القوسية. (أ) التصوير بالرنين المغناطيسي T1 قبل العملية الجراحية وإعادة بناء ثلاثية المفعول للسحر ة القوس الأيسر والورمالدبقي. يظهر اللفافة القوسية باللون البرتقالي عند عتبة 5% مع إعادة بناء الورم باللون الأزرق. (ب) التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي قبلالجراحة. أكمل المريض عدة جلسات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي التي تم تصميم كل منها لرسم خريطة وظيفة التي كان من المتوقع أن تكون مجاورة لمنطقة التدخل الجراحي. يتم وضع عتبة على جميع الخرائط في FDR q < .05 أو أفضل. في اللون الأزرق هي voxels التي تظهر الاستجابات العصبية التفاضلية عند أدوات التسمية مقارنة مع الحيوانات. تمشيا مع الدراسات السابقة من مختبرنا باستخدام نفس المحفزات، يتم تحديد شبكة قوية تنطوي على المناطقما قبل المحرك، الجدارية، والجانبية والبطينية 7،^{8،9،10، 14،15،17،18،19،20،21،22،28.} كما طُلب من المريض أن يضطلع بمهمة عددية كان عليه أن يحكم فيها على أي من سحبتين من النقاط له نقاط أكثر؛ يمكن أن يكون السحباثنين من النقاط إما عدد مماثل من النقاط (مقارنة الثابت، نسبة = 0.8) أو أرقام مختلفة جدا من النقاط (مقارنة سهلة، نسبة = 0.25). في الأخضر هي voxels التي تظهر الاستجابات العصبية التفاضلية عند تنفيذ المهمة على المحفزات نسبة الثابت (نسبة = 0.8) مقارنة مع المحفزات سهلة (نسبة = .25 ^54،55). كما طلب من المريض تحريك يديه وقدميه (إما المرن / التمديد أو تدوير²⁵). باللون الأحمر هي voxels التي أظهرت استجابات عصبية تفاضلية لحركات اليد اليمنى مقارنة بحركات القدم اليمنى. وأخيرا، طُلب من المريض توليد أكبر عدد ممكن من العناصر في 30 ثانية من مختلف الفئات (على سبيل المثال، 'الأشياء التي تقوم بها في المطبخ'، 'الحيوانات'، الكلمات التي تبدأ بـ 'F'، وما إلى ذلك). في الأرجواني هي voxels التي أظهرت النشاط العصبي التفاضلي لإنتاج كلمة السرة بالمقارنة مع التثبيت / بقية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3 . تصوير المسالك البيضاء قبل العملية من المسالك المائلة الأمامية والألياف المجاورة على شكل حرف U. أثبتت التجربة السابقة في برنامج رسم خرائط الدماغ الترجمة (Chernoff et al., 2017⁵⁶⁾مع رسم خرائط الدماغ في المرضى الذين يعانون من الأورام الدبقية المجاورة للمسار المائل الأمامي أنه يمكن ربط مقطع (جزئي) من هذا المسار مع dysfluencies في الكلام العفوي، في حين أن تكرار اللغة المنطوقة يمكن أن تبقى سليمة. وقد استخدمت هذه التجربة السابقة لتنوير رسم الخرائط قبل العملية الجراحية للجهاز المائل الأمامي في الذكاء الاصطناعي¹¹. (أ) شرائح إكليلية تظهر المسالك المائلة الأمامية (الأزرق الفاتح الأزرق) والألياف على شكل لك (الأحمر والأصفر). يمر الجهاز الأمامي الأمامي والوسيط إلى الورم الدبقي. (B) 3D تقديم المسالك الأمامية (الأزرق) والورم (الأحمر) من وجهات نظر متعددة. أشارت الدراسات التشريحية قبل الجراحة (الفريقان A و B) إلى أنه في نهاية استئصال الورم، سيكون من الممكن تحديد الهامش الأمامي للورم باستخدام رسم خرائط التحفيز الكهربائي المباشر. وهكذا قمنا بتصميم مهمة لغوية جديدة تستند إلى تجربتنا السابقة، وعلى وجه التحديد لاختبار ما إذا كان تحفيز الجهاز المائل الأمامي قد عطل إنتاج الجملة عند حدود العبارات النحوية. (ج) التحفيز الكهربائي المباشر للسلك المائل الأمامي يعطل إنتاج الجملة بشكل تفاضلي عند حدود العبارات النحوية. لقطة الشاشة (لوحة C، اليسار) من الفيديو يظهر المريض، والتحفيز الذي قدم، يد الجراح عقد محفز ثنائي القطب في اتصال مع الجهاز المائل الأمامي في الهامش الأمامي للورم، والموقع في الإكليل و شرائح sagittal من موقع التحفيز الحالي (نقطة حمراء) فيما يتعلق المسالك المائلة الأمامية (الأزرق). كانت مهمة المريض هي وصف العلاقة المكانية للشكل المستهدف فيما يتعلق بموقع الشكل المرجعي (بالنسبة للتجربة المعروضة، فإن الرد الصحيح سيكون: "المربع الأحمر تحت الماسة الحمراء"). وجدنا أن تحفيز الجهاز المائل الأمامي عطل إنتاج الجملة، وبشكل تفاضلي في بداية العبارات النحوية الجديدة (اللوحة C، الرسم البياني على اليمين؛ للاطلاع على الفيديو الخاص بإجراء رسم الخرائط أثناء الجراحة في هذا المريض، انظر www.openbrainproject.org). هذه الملاحظة تحفز فرضية جديدة حول دور الجهاز الأمامي المائل في إنتاج الجملة: القيود السينتاغماتية على العناصر الموضعية (SCOPE) فرضية¹¹. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 

الشكل 4. التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي والهيكلي قبل العملية ورسم خرائط التحفيز الكهربائي المباشر أثناء الجراحة في موسيقي محترف مصاب بالورم الدبقي في الفص الزمني الخلفي الأيمن.(ألف) رسم خرائط التصوير بالرنين المغناطيسي قبل الجراحة للمعالجة البصرية عالية المستوى، وإنتاج اللغة، ومعرفة الأدوات. كان الورم، الأصفر المظلل، في الفص الزمني الأيمن، مرئيًا من خلال sulcus الزمني العلوي الأيمن (sulci توسع قليلاً لتسهيل التصور). لأن الورم كان يقع بالقرب من مناطق معالجة الحركة في القشرة الزمنية الجانبية، ونحن مترجمة MT / V5 عن طريق مقارنة النشاط العصبي عندما حضر المريض إلى صفائف من النقاط المتحركة إلى النشاط العصبي التي تثيرها النقاط الثابتة. يتم رسم voxels تظهر الاستجابات العصبية التفاضلية للحركة مقارنة مع النقاط الثابتة على مقياس اللون الأرجواني والأبيض (نحن ممتنون لDuje Tadin للمساعدة في تطوير هذا المحلي وظيفية). أما بالنسبة لجميع الحالات الأخرى التي تمت دراستها في برنامج رسم خرائط الدماغ الترجمة (على سبيل المثال،الشكل 2,الشكل 3)، وvoxels التي تظهر استجابات عصبية تفاضلية لتسمية الصور الشائعة تتم مقارنتها بخط الأساس لعرض الإصدارات المخفوقة على مراحل من نفس الصور؛ يتم رسم هذا على مقياس اللون الأخضر والأبيض. هذا التباين حدد مجمع القذالي الجانبي الثنائي، وسايروس الزمني المتوسط/ العلوي الثنائي، والقشرة الحركية (المرتبطة بنشاط محرك الكلام). كما هو الحال أيضا فيالشكل 2، تم العثور على voxels تظهر الاستجابات العصبية التفاضلية عند تسمية 'أدوات' في الحُصَلة الجدارية السفلية اليسرى، والقشرة القذالية العليا/ الظهرية الثنائية، والجسم الخلفي الخلفي الخلفي/الزاوي الزمني السفلي (مقياس اللون الأزرق والأبيض). أخيرا ، ومرة أخرى كما هو الحال فيالشكل 2، طلب من المريض لإكمال مهمة إنتاج كلمة الطلاقة اللفظية. يتم رسم Voxels المرتبطة جيل الكلمة مقارنة مع خط الأساس يستريح على مقياس اللون الأحمر والأبيض ووجدت في gyrus الأمامية السفلي الأيسر (منطقة بروكا)، متفوقة صدق ة أمامية / سفلية، ونظام محرك الكلام. (ب) أكمل المريض تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفية المتعددة قبل العملية على وجه التحديد لرسم خريطة معالجة الموسيقى. في تجربة واحدة، على غرار العمل السابق من مختبر جريج هيكوك⁵⁷، سمع المريض ألحان البيانو قصيرة وكان عليه أن همهمة اللحن مرة أخرى، أو سمع جمل قصيرة واضطر إلى تكرار الجمل مرة أخرى. مرسومة على الدماغ على مقياس اللون الأحمر الأرجواني هي voxels التي أظهرت النشاط العصبي التفاضلي للموسيقى من اللغة. أكمل أربعة طلاب من كلية إيستمان للدراسات العليا في الموسيقى نفس تجربة التصوير بالرنين المغناطيسي؛ يتم رسم حدود المنطقة المحددة لنفس التباين الوظيفي في الضوابط الصحية المتطابقة في الخطوط العريضة الخضراء. وبالإضافة إلى ذلك، أكمل 10 مرضى آخرين في جراحة الأعصاب نفس التجربة، وأيضا في مرحلة ما قبل الجراحة من علاجهم. في حين أن الهدف القريب في هؤلاء المرضى العشرة كان تحديد المناطق استجابة للغة (ثورو التباين في اللغة > الموسيقى)، والتباين من الموسيقى > اللغة يحدد منطقة مشابهة جدا من gyrus الزمنية متفوقة الحق (حدود وظيفية المنطقة من 10 السيطرة على مرضى جراحة الأعصاب يتم رسمها باللون الأزرق الفاتح). (ج) تصوير المسالك الاحتمالية قبل العملية على بيانات DTI التي تظهر الإشعاعات الصوتية الصحيحة واللفافة القوسية فيما يتعلق بورم المريض AE (عتبة 5٪، متراكبة على الصورة الأصلية T2 المرجحة). (د) خلال الجراحة، أجرى المريض AE نفس المهمة كما كان خلال التصوير بالرنين المغناطيسي الذي كان عليه أن يستمع إلى ألحان البيانو قصيرة وهمهمة لهم مرة أخرى، أو جملة قصيرة وتكرارذلك مرة أخرى. وقد وجد أن التحفيز الكهربائي المباشر إلى الحق الخلفي متفوقة سايروس الزمنية تعطيل الأداء في مهمة التكرار عند تنفيذها على الألحان (لبعض التجارب)، ولكن لم يؤثر على الأداء (على أي تجارب) لنفس مهمة التكرار يؤديها على الجمل (انظر www.openbrainproject.org لأشرطة الفيديو من رسم الخرائط الموسيقى أثناء العملية).الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5 . إظهار ثنائي الدياشيس الخاص بالمجال: تحليل العلاقة بين موقع الآفة والنشاط العصبي المحفز عبر مجموعة من مرضى الورم الدبقي الذين درسوا قبل الجراحة في برنامج الدماغ المترجم. نتيجة هامة لإدارة مجموعة مشتركة من التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي والدراسات السلوكية لجميع المرضى الذين يذهبون من خلال برنامج رسم خرائط الدماغ الترجمة في مركز جامعة روتشستر الطبي هو فرصة لتنفيذ على مستوى المجموعة تحليلات على مجموعات أكبر من المرضى الذين درسوا على التوالي. على سبيل المثال، يظهر الشكل 5 نتائج اختبار فرضية العلوم الأساسية أن الاستجابات العصبية لـ "الأدوات" في الفص الزمني يتم تضمينها عبر الإنترنت بواسطة مدخلات من القشرة الجدارية. إذا كانت هذه الفرضية صحيحة، ثم الآفات (الأورام) في القشرة الجدارية يجب أن تغير الاستجابات العصبية في الفص الزمني إلى 'الأدوات'، والفرق بين المرضى في النشاط العصبي إلى 'أدوات' في الفص الزمني ينبغي أن تكون مرتبطة مع وجود الآفات ( الأورام) في القشرة الجدارية. (أ) يتم التنبؤ بالآفات إلى القشرة الجدارية على مستوى المجموعة (الانحدار اللوجستي) من التباين عبر المرضى في الاستجابات العصبية في الفسطائر fusiform الوسيطة على السطح البطني للفص الزمني. (ب) يتم التنبؤ بالاستجابات العصبية للأدوات في الفسطائر الفسطائر الوسيط على مستوى المجموعة (الانحدار اللوجستي) من التباين في ما إذا كانت الآفة / الورم ينطوي على Sulcus اللابارية الأمامية (aIPS). النتائج الموجزة في الفريقين A و B تمثل حالة من diaschesis ديناميكية⁵³، في هذه الحالة 'مجال محدد' diaschesis الديناميكية ، لأن علاقة موقع الآفة بالنشاط العصبي يتم تعديلها من قبل نوع التحفيز الذي تتم معالجته ( أي أن العلاقة موجودة للأدوات، وليس للأماكن أو الوجه أو الحيوانات)-للاطلاع على التفاصيل الكاملة انظر غارسيا والزملاء¹⁴. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 

Discussion

ويمكن استخلاص المعرفة المكتسبة من الخبرة المكتسبة من إنشاء برنامج رسم خرائط الدماغ الترجمة في جامعة روتشستر إلى عنصرين أساسيين. أولاً، تم إنشاء قنوات اتصال منظمة بين العلماء المعرفيين، وأخصائيي الأورام العصبية، وعلماء النفس العصبيين، وأخصائيي الصرع، وأخصائيي الفيزيولوجيا العصبية، وأخصائيي التخدير العصبي، وجراحي الأعصاب، ودعم كل منهم الفنيين والدعم الإداري. وهذا يسمح للمرضى، بما في ذلك المرضى الأورام عالية الدرجة العاجلة، أن تحال للتقييم قبل الجراحة مع الوقت الكافي لتحويل التحليلات حولها إلى الجراحين قبل الإجراء. وكان العنصر الثاني الحاسم لنجاح برنامج رسم خرائط الدماغ هو أضعاف في فرص التدريب لطلاب المرحلة الجامعية، طلاب الدراسات العليا (MS، دكتوراه) ، طلاب الطب، فضلا عن جراحة الأعصاب، والأعصاب والأشعة العصبية المقيمين و الزملاء. الجمع بين هذين العنصرين تعمل على إشراك جميع مقدمي الخدمات السريرية مع الأهداف العلمية لبرنامج رسم خرائط الدماغ، ويضمن أن تتشابك الأهداف العلمية الأساسية مع الهدف السريري المتمثل في تحقيق الاستفادة المثلى من نتائج كل مريض.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
	NA	NA	NA