Translational Brain Mapping am University of Rochester Medical Center: Erhaltung des Geistes durch personalisierte Brain Mapping

Zusammenfassung

Dieser Artikel bietet einen Überblick über ein multimodales Gehirn-Mapping-Programm, das entwickelt wurde, um Regionen des Gehirns zu identifizieren, die kritische kognitive Funktionen bei einzelnen neurochirurgischen Patienten unterstützen.

Zusammenfassung

Das Translational Brain Mapping Program an der University of Rochester ist eine interdisziplinäre Anstrengung, die Kognitionswissenschaft, Neurophysiologie, Neuroanästhesie und Neurochirurgie integriert. Patienten mit Tumoren oder epileptogenem Gewebe in beredten Hirnbereichen werden präoperativ mit funktioneller und struktureller MRT und intraoperativ mit direkter elektrischer Stimulationskartierung untersucht. Postoperative neuronale und kognitive Ergebnismessungen befeuern grundlegende wissenschaftliche Studien über die Faktoren, die gutes gegen schlechtes Ergebnis nach der Operation vermitteln, und wie die Gehirnkartierung weiter optimiert werden kann, um das beste Ergebnis für zukünftige Patienten zu gewährleisten. In diesem Artikel beschreiben wir den interdisziplinären Workflow, der es unserem Team ermöglicht, die synergistischen Ziele der Optimierung des Patientenergebnisses und der Förderung des wissenschaftlichen Verständnisses des menschlichen Gehirns zu erreichen.

Einleitung

Neurochirurgische Eingriffe zur Entfernung von Hirntumoren oder epileptogenes Gewebe neben Hirnbereichen, die kritische kognitive Funktionen unterstützen, müssen das klinische Ziel der Operation (entfernen Sie so viel Tumor oder epileptogenes Gewebe wie möglich) gegen Schäden an gesundem Gewebe, die neurologische Defizite verursachen könnten. Im Kontext der Hirntumorchirurgie wird dieses Gleichgewicht als onkofunktionelles Gleichgewicht bezeichnet. Auf der "Onco"-Seite der Waage wollen Chirurgen so viel wie möglich vom Tumor entfernen, da die Raten der "Brutto-Gesamttumorresektion" mit einem längeren Überleben verbunden sind^1,2. Auf der "funktionellen" Seite kann die Entfernung von Tumoren kortikale und subkortikale Kontragnitionssubstrate schädigen; postoperative Schwierigkeiten können Sprache, Handlung, Sehen, Hören, Berührung oder Bewegung umfassen, je nach betroffenem neuronalen System(en). Das onkofunktionelle Gleichgewicht ist von entscheidender Bedeutung, da eine erhöhte Morbidität mit i) einer niedrigeren Lebensqualität verbunden ist, ii) erhöhte postoperative Komplikationen, die die Sterblichkeit erhöhen können (z. B. Patienten, die sich nicht mehr bewegen können, bei einem höheren Risiko für Blutgerinnsel^3,4). Die Spannung, die dem "onkofunktionellen" Gleichgewicht bei der Einstellung der Hirntumorchirurgie innewohnt, führt auch zur Epilepsiechirurgie – dort ist das Gleichgewicht zwischen dem klinischen Ziel, das gesamte Gewebe zu entfernen, das Anfälle erzeugt, ohne Gewebe zu entfernen. die kritische Funktionen unterstützt.

Auf breiter Ebene ist die funktionelle Neuroanatomie von Individuum zu Individuum sehr stereotypisiert. Es kann jedoch ein hohes Maß an individueller Variabilität in der genauen (d.h. mm bis mm) Position höherer kortikaler Funktionen geben. Darüber hinaus ist allgemein anerkannt, dass das Vorhandensein von kortikaler oder subkortikaler Pathologie eine kortikale Reorganisation anstoßen kann, obwohl die Prinzipien, die eine solche Reorganisation vorantreiben, schlecht verstanden werden⁵. Neurochirurgische Eingriffe verlaufen Millimeter für Millimeter. Es ist daher wichtig, das Gehirn jedes Patienten detailliert und mit Sensibilität und Präzision abzubilden, um zu verstehen, welche Regionen in diesem spezifischen Patienten welche sensorischen, kognitiven und motorischen Funktionen unterstützen⁶.

Das Programm für Translational Brain Mapping an der University of Rochester wurde entwickelt, um die Bedürfnisse der personalisierten Gehirnkartierung in der Einstellung einer High-Through-Put-Praxis zu erfüllen, die mehrere akademische Chirurgen umfasst. Die synergistischen Ziele des Brain Mapping Program sind es, i) die Werkzeuge der kognitiven Neurowissenschaften zu nutzen, um personalisierte Neuromedizin in Form von patientenspezifischen funktionellen Hirnkarten zu fördern, und ii) die klinische neurochirurgische Eingriffe, um mechanistische Hypothesen darüber zu testen, wie das menschliche Gehirn funktioniert.

Protokoll

Die im Video gezeigten und hier beschriebenen Aktivitäten fallen in ein IRB mit einem über dem minimalen Risiko am University of Rochester Medical Center.

1. Rekrutierung

1. Richten Sie ein High-Through-Put-Programm für präoperative kognitive und MRT-basierte Bewertung ein, um Patienten von allen verweisenden Anbietern zeitnah und effizient zu fangen. Einbeziehung des Verwaltungspersonals und des klinischen Personals in die umfassenderen Bemühungen.
   HINWEIS: Ein konkreter Schritt, der sich als wirksam erwiesen hat, war die Einrichtung einer Gruppen-E-Mail-Liste, die automatisch vom behandelnden Chirurgen (oder einer Person in seinem Support-Personal) gesendet wird, wenn ein neuer Patient in eine Klinik kommt, der ein Kandidat für die Rekrutierung in das Gehirn sein kann. Mapping-Programm.

2. Voroperative MRT-Mapping

1. Erfassen Sie MRT-Daten auf einem 3T-MRT-Scanner mit einer 64-Kanal-Kopfspule am Center for Advanced Brain Imaging and Neurophysiology (offiziell bekannt als "Rochester Center for Brain Imaging") an der University of Rochester Medical School. Verwenden Sie Standardsequenzen für BOLD MRT und DTI, die eine vollständige Gehirnbildgebung ermöglichen, wie in früheren Veröffentlichungen^{7,8,9,10,11,12,13 beschrieben ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25}.
2. Überwachen Sie die Fixierung, und zeichnen Sie die Atmung und Herzfrequenz auf, die während aller fMRI für die Regression von Rauschen gesammelt wurden,^{verwirrt 26,27}.
   ANMERKUNG: In den letzten 10 Jahren haben wir eine Bibliothek von funktionellen MRT-Experimenten entwickelt, um Sprache (gesprochen, auditiv, einzelne Wörter, ganze Sätze), motorische Funktion (von intransitiven Finger-, Zungen- und Fußbewegungen bis hin zu übergeordneten transitiven Aktionen), Musik Fähigkeit, Mathematik und Zahlenwissen und grundlegende sensorische Funktion (z.B. retinotopic Mapping zur Karte der low level visuellen Verarbeitung^11,14,24). Alle Experimente, Materialien und Analyseskripte sind unter www.openbrainproject.org verfügbar.

3. Neuropsychologische Tests

1. Achten Sie bei allen kognitiven Tests darauf, dass die Patienten komfortabel sind, gewährleistet durch ein ergonomisch optimiertes Setup (Abbildung 1) und durch den Aufbau häufiger Pausen (alle 8 min) in die Struktur aller Tests.
2. Lassen Sie alle niedergradigen Tumorpatienten die folgenden Tests 1 Monat vor der Operation, 1 Monat nach der Operation und 6 Monate nach der Operation (Tests 12 und 13 sind nur zu den präoperativen und 6 Monaten postoperativen Zeitpunkten abgeschlossen)^{28,29 ,30,31,32}.
   1. Spontane Rede (Cookie-Diebstahl Bild³³, Cinderella Story^34,35,36).
   2. Kategorie Ffließend (Aktionen, semantische Kategorien, Wörter beginnend mit F, A, S).
   3. Wortlesen und Wiederholen (Substantive, Verben, Adjektive, Nichtwörter, abgestimmt auf Länge und Häufigkeit).
   4. Snodgrass-Objektbenennung (n = 260³⁷).
   5. Audity Naming (n = 60³⁸).
   6. High-Cloze Sentence Completion (30 min).
   7. Birmingham Object Recognition Battery (BORB, einschließlich Länge | Größe | Orientierung | Lücke Matching | Überlappende Zahlen | Verkürzte Ansichten | Objekt-Realitätsentscheidung³⁹).
   8. Auditory Minimal Pair Discrimination (z.B. pa vs. da, ga vs. ta^31,40).
   9. Satz Bildabgleich (einschließlich reversible passives⁴⁰).
   10. Farbbenennung und Farnsworth Munsell Hue Sortierung⁴¹.
   11. Cambridge Face Test^30,42.
   12. California Verbal Learning Test (⁴³)
   13. Weshler IQ (^44,45,46). Die wichtigsten Maßnahmen zur Bewertung des Sprachergebnisses sind Tests 4-6; Die Charakterisierung breiterer Fähigkeiten stellt sicher, dass Beeinträchtigungen bei Benennungstests nicht auf einen allgemeinen Leistungsrückgang zurückzuführen sind⁴⁷.
       HINWEIS: In der Vergangenheit haben wir eine Kombination von Software-Präsentationsplattformen verwendet, um die Darstellung von Stimulus und die Reaktionsaufzeichnung während vor- und postoperativer Tests zu steuern. Wir entwickeln derzeit eine einzige Plug-and-Play-Plattform zur Unterstützung aller kognitiven Tests (vor-, intra- und postoperative Tests) sowie der Stimulus-Präsentation und Reaktionsaufzeichnung während der funktionellen MRT (siehe unten für die Beschreibung von StrongView^TM). ). StrongView wird zusammen mit integrierten neuropsychologischen Tests zum Download (offene Lizenz) zur www.openbrainproject.org zur Verfügung stehen.

4. Neuroanästhesie und Ergonomie der intraoperativen Sprachkartierung

1. Verwenden Sie Anästhesietechniken für wache Craniotomien^48,49,50; an der University of Rochester werden wache Craniotomien in der Regel mit einem Schlaf-Awake-Asleep-Ansatz durchgeführt.
2. Vermeiden Sie Prämedikationen wie Antikonvulsiva und Anxiolytika, da sie die kognitive Funktion beeinträchtigen und zur Entstehung von Delirium beitragen können.
3. Wenden Sie Standardmonitore (EKG, NIBP, Pulsoximetrie) an und induzieren Sie eine Vollnarkose mit intravenösem Fentanyl (0,5 mg/kg), Lidocain (1-1,5 mg/kg) und Propofol (1-2 mg/kg).
4. Verwenden Sie eine supraglottische Atemwege für die mechanische Belüftung.
5. Positionieren Sie den Patienten seitlich oder halbseitlich mit dem Kopf in einem gepinnten Rahmen gesichert; Wie im Video beschrieben, hängt die Patientenpositionierung von der Lage der Läsion und dem geplanten Craniotomiefenster ab, wobei auch zu berücksichtigen ist, dass die Art von kognitiven Tests der Patient gebeten wird, einmal wach während der Operation durchzuführen.
6. Analgesie an der Pin- und Einschnittstelle auftragen (30 ml 0,5% Lidocain, 30 ml 0,5% Sensorcain-Ebene, 6 ml Natriumbicarbonat). Positionieren Sie während dieser Zeit die Prüfgeräte (kleiner Monitor, Videokameras, Richtmikrofone).
7. Bestimmen Sie die Größe des Craniotomiefensters durch mehrere Faktoren, die in ihrer Gewichtung variieren, entsprechend den Ergebnissen der präoperativen klinischen Kartierung des Gehirns des Patienten, funktionellen Hirnkartierungsstudien und dem Plan für die intraoperative Kartierung. In dem im Video beschriebenen Fall wählte der behandelnde Chirurg (Dr. Pilcher) eine große Kraniotomie, um vollen Zugang zu kartenpositiven Sprach- und Motorstandorten in der dominanten Hemisphäre zu haben.
8. Zu Beginn der Wachphase die Sedierung abbrechen (lokale Analgetika werden vor dem Einschnitt angewendet).
9. Entfernen Sie die supraglottische Atemwege, sobald der Patient das Bewusstsein wiedererlangt. Während der Wachphase gibt es keine oder nur minimale Sedierung.
10. Verwenden Sie die Elektrokortikographie (ECoG), um Nachentladungen (subklinische epileptiforme Entladungen, die durch kortikale Stimulation induziert werden) zu überwachen, um sicherzustellen, dass die DES-Werte knapp unter der Nachentladungsschwelle liegen. Das DES-Mapping-Verfahren wird durch Das Auffinden des Schwellenwerts nach der Entladung und Anpassen der Stimulationsamplitude (in Schritten von 0,5 Milliampere) eingeleitet.
11. Passen Sie die Stimulationsamplitude während der gesamten Mapping-Sitzung (2 bis 15 mA) nach Ermessen des behandelnden Chirurgen an. Die Patienten sehen Reize auf einem Monitor und können sprechen und ihre Unterarme und Hände bewegen.

5. Verfahren zur Erfassung von Forschungsdaten während der intraoperativen direkten elektrischen Stimulationskartierung

1. Führen Sie alle intraoperativen kognitiven Tests auf einem kundenspezifischen Hardware-/Softwaresystem namens "StrongView" durch, das auf www.openbrainproject.org verfügbar ist. Der Hardware-Footprint ist in einem kleinen Wagen in sich geschlossen und mit einer unabhängigen Reservebatterie-Stromquelle, Lautsprechern, Tastatur und Touch-Display ausgestattet. Die Person, die mit dem Ausführen der kognitiven Tests beauftragt ist, kann die Präsentation von Stimulus starten, stoppen und anhalten, während sie während des Falls kontinuierlich (Audio und Video) aufzeichnet.
2. Verwenden Sie ein Audiosystem auf dem Wagen, so dass ein Richtmikrofon, das auf dem Mund des Patienten trainiert wird, die durch einen Splitter gespeist wird. Ein Kanal, der aus dem Splitter kommt, geht über einen Verstärker und direkt zu einem Lautsprecher. Dies ermöglicht es Chirurgen und Forschern, die Reaktionen des Patienten gegen das Hintergrundgeräusch des Operationssaals mit null wahrnehmbarer Verzögerung (d. h. die Beseitigung von Echoeffekten) leicht zu hören. Der zweite Kanal des Splitters geht auf den PC auf dem mobilen Warenkorb, wo er mit einem Zeitstempel versehen, aufgezeichnet und gespeichert wird (diese Dateien werden für die Offline-Analyse verwendet). StrongView verfügt außerdem über ein separates (stand-alone) Audiosystem, das aus einem zweiten, ebenfalls am Patienten geschulten Richtmikrofon, einem an den Chirurgen geschulten Richtmikrofon und einem "Lärmmikrofon" in einer Ecke des Operationssaals besteht, um den Ton des Raumes zu probieren. für subtraktion von den wichtigsten Audiodateien. Diese drei Audiokanäle werden an ein MIDI und an einen zweiten Computer weitergeleitet, der jeden Kanal separat aufzeichnet. Dieses zweite Audiosystem bietet Redundanz, falls das primäre System ausfällt, alle verbalen Antworten des Patienten stehen für die Offline-Analyse zur Verfügung.
3. Befestigen Sie einen handelsüblichen Äther-Bildschirm L-Bracket mit einer OP-Tischklemme am OP-Tisch ( OP). Befestigen Sie gelenkige Arme (z. B. Manfrotto 244 Variable Friction Magic Arms) am Ätherbildschirm L-Bracket, und diejenigen, die die Gelenkarme unterstützen, unterstützen den Patientenmonitor, Richtmikrofone, Videokamera, die auf das Gesicht des Patienten trainiert ist, und einen Hilfsmonitor, um ermöglichen es einem Forschungsteammitglied oder einer Krankenschwester im Operationssaal, leicht zu sehen, was der Patient sieht, während er mit dem Patienten interagiert.
4. Führen Sie alle notwendigen Kabel für die Bildschirme, Mikrofone und Kameras entlang des Arms und schützen Sie durch Kunststoffschläuche, die mit Velcro gesichert sind.
   HINWEIS: Keines dieser Geräte muss sterilisiert werden, da es sich (nur immer) auf der nicht sterilen Seite des Feldes befindet (Abbildung 1). Diese Art der Unterstützung von Stimulus-Präsentations- und Reaktionsgeräten bietet maximale Flexibilität, um die unterschiedliche Ergonomie kognitiver Tests entsprechend der Patientenpositionierung zu berücksichtigen, die von Fall zu Fall variiert, aber eine zuverlässige und stabile Plattform, auf der Geräte befestigt werden können. Auch, und das ist wichtig, da alle Monitore, Mikrofone und Kameras über ein einzelnes Gerät (Ether-Bildschirm L-Bracket) an den ODER-Tisch angeschlossen sind, wenn die Positionierung der Tabelle während des Falls eingestellt wird, hat dies keinen Einfluss auf die Testeinrichtung. (Beachten Sie, dass das in Abbildung 1 gezeigte Setup von einer früheren Generation stammt, bei der ein bodenmontierter Ständer den Patientenbildschirm, das Mikrofon und die Videokamera unterstützte; dieser bodenmontierte Ständer wurde seit 2018 durch den Ätherbildschirm L-Bracket ersetzt). Auch, und das ist wichtig für die Patientensicherheit, kann das gesamte Setup für kognitive Tests in weniger als 20 Sekunden während des Falles aufgeschlüsselt werden, wenn sich eine auftauchende Situation ergibt, die einen vollständigen und ungehinderten Zugang zum Patienten (z. B. zum Patienten Atemwege).
5. Das Herzstück von StrongView ist ein flexibles Softwaresystem für i) die Darstellung von Reizen (visuell, auditiv) für Patienten und die Aufzeichnung von Patientenreaktionen (verbal, Knopfreaktion, Video), ii) die zeitliche Erfassung aller experimentell relevanten Ereignisse und Maßnahmen (Stimulus on, ECoG, Kontakt mit dem Gehirn der direkten elektrischen Stimulatorsonde, Patientenreaktionen); iii) und Kommunikation mit Kranialnavigationssystemen, um die dreidimensionale Koordinate für jede Anwendung der direkten elektrischen Stimulation zu erhalten. StrongView ermöglicht eine Online-Neukalibrierung experimenteller Variablen wie Stimulusdauer, Interstimulus-Intervalle, Randomisierung, Anzahl von Wiederholungen oder Stimuliblöcken sowie Steuerung der Video- und Audiokanäle des Patienten. StrongView streamt die Patienten-Videokamera, die Online-ECoG-Daten und den Reiz, den der Patient derzeit auf einem Desktop-Display sieht/hört, das auch auf einem großen Monitor gespiegelt wird, der sich in der Sichtlinie des Chirurgen befindet.
6. Befestigen Sie eine Photodiode am Patientenmonitor und speisen Sie in einen offenen Kanal am ECoG-Verstärker ein. Dies bietet eine zeitliche Synchronisierung zwischen der Darstellung jedes Stimulus und ECoG für die Offline-Analyse.
7. Verwenden Sie in allen Fällen die Hardware und Software der Kranialnavigation (an der Universität Rochester, BrainLab Inc., München, Deutschland) in allen Fällen durch das chirurgische Team für die intraoperative Kranialnavigation auf Basis präoperativer MRT. Dabei handelt es sich um ein optisches System, das aus einer Reihe von Kameras besteht, die das Operationsfeld betrachten und den Kopf des Patienten über einen festen Registrierungsstern registrieren, der am Operationstisch befestigt ist (siehe Abbildung 1).
   1. Insbesondere, nachdem der Patient im Kopfhalter gesetzt ist, aber vor der Drapat, verwenden Sie die Gesichtsphysiognomie des Patienten, um den Kopf des Patienten in der präoperativen MRT zu registrieren. Dadurch kann die präoperative MRT (funktional und strukturell) direkt mit dem Gehirn des Patienten auf dem Operationstisch in Einklang gebracht werden.
   2. Befestigen Sie einen zweiten (viel kleineren) Registrierungsstern am bipolaren Stimulator (siehe Abbildung 1) und registrieren Sie die Länge und Position des Stimulaators im Feld. Dies ermöglicht es dem Forschungsteam, die genaue Position jedes Stimulationspunkts sowie die Ränder der Resektion im Verhältnis zur präoperativen MRT zu erfassen. Wie oben erwähnt, ist StrongView mit dem Kranial-Navigationssystem (an der University of Rochester, BrainLab, Verbindung über IGT-Link) verbunden, um Echtzeit-Streaming (und Zeitstempeln) der Koordinaten der direkten elektrischen Stimulations-Mapping zu ermöglichen. StrongView wird derzeit entwickelt, um mit anderen Kranial-Navigationssystemen (z.B. Stryker) zu verbinden.
      HINWEIS: Aspekte von StrongView, die die Verwaltung und Datenerfassung während kognitiver und fMRI-Experimente unterstützen, werden zusammen mit einer Bibliothek von Tests (Open Access) auf OpenBrainProject.org verfügbar sein. Beta-Versionen sind vor der vollständigen Veröffentlichung verfügbar, indem Sie den entsprechenden Autor kontaktieren. Die gesamte StrongView-Suite, die Hardwaresysteme zur Integration in die Elektrokortikographie und die Cranial-Navigationssoftware umfasst, steht Ärzten und Wissenschaftlern durch Kontaktaufnahme mit dem entsprechenden Autor zur Verfügung. Diese Datenerfassungstools werden mit einer Nachbearbeitungspipeline und einem Open-Data-Konsortium zusammengeschlossen, das 2020 auf OpenBrainProject.org.

Ergebnisse

Abbildung 2, Abbildung 3und Abbildung 4 zeigen repräsentative Ergebnisse der präoperativen funktionellen und strukturellen Kartierung für drei Patienten mit Tumoren, die an eloquente Regionen des Gehirns angrenzen. Die in Abbildung 2, Abbildung 3und Abbildung 4 dargestellten Ergebnisse sollen die Kartentypen, die für jeden Patienten generiert werden, veranschaulichen (und nicht eine erschöpfende Zusammenfassung). Einzelheiten zu den in Abbildung 2, Abbildung 3und Abbildung 4 dargestellten Fällen finden Sie in: Abbildung 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, in Presse⁵¹), Abbildung 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher und Mahon, 2019⁵²), und Abbildung 4 (Garcea et al., 2017¹⁶). Eine wichtige Folge der konsekutigenen Rekrutierung von Gliom-Patienten in ein einheitliches Protokoll ist, dass es Gruppenanalysen ermöglicht, die die Wirkung von Hirntumoren auf die Netzwerkfunktion und -organisation bewerten. Als Beispiel für diese Art von Analysen zeigt Abbildung 5 Ergebnisse einer aktuellen Studie ^14, die herausfand, dass Tumore im linken parietalen Kortex modulierte neuronale Reaktionen auf "Werkzeuge" (kleine manipulierbare Objekte) im Temporallappen, eine Instanz eines allgemeineres Phänomen, das als dynamische Diaschese⁵³bezeichnet wird.

Abbildung 1. Überblick über Geräte, die für außeroperative und intraoperative kognitive Tests verwendet werden. (A) Beispiel-Setup für hochdurchdrängliche neuropsychologische Tests, wie sie vom Program for Translational Brain Mapping in der Abteilung für Neurochirurgie am University of Rochester Medical Center implementiert wurden. Zu den wichtigsten Elementen, um sicherzustellen, dass alle rekrutierten Patienten alle geplanten Tests durchführen können, gehören: i) ein Platz für Patienten zum Sitzen und vollständige Tests, die vollständig an die Größe jedes Patienten anpassbar sind, einschließlich eines Stuhls, der speziell entwickelt wurde, um Ermüdung und ii) Lokalisierung von kognitiven/Verhaltenstests, die physisch an das MRT angrenzen. Diese Elemente ermöglichen es den Patienten, die Einrichtung zu besuchen und ihre funktionelle und strukturelle MRT innerhalb derselben Sitzung wie die gemessenen Kernverhaltensdaten abzuschließen. Die Teilnehmer absolvieren mehr Versuche mit besserer Leistung, wenn sie sich wohlfühlen, vor allem für ältere Teilnehmerpopulationen mit anderen Komorbiditäten, die das Sitzen für längere Zeit unangenehm machen können. (B) Geräte, die während der intraoperativen Kartierung verwendet werden. Das Bild links zeigt einen Patienten, bevor er drapiert wird (rechts ist nach dem Drapieren). Vor dem Drapieren richtet das Team der Kognitionswissenschaft seine Geräte ein, einschließlich Audio- und Videorecorder des Patienten, einen Monitor, der vor der Sichtlinie des Patienten positioniert ist, und einen zweiten Monitor, der so positioniert ist, dass die Person, die mit dem Patienten arbeitet, leicht siehe den Stimulus, nach dem der Patient derzeit sucht (Details siehe "Verfahren"). (C) Bipolarer Stimulator mit Registrierungsstern, der an Aufnahmeorte der intraoperativen Stimulation im präoperativen MRT-DICOM-Raum angeschlossen ist. In der Regel an dem Punkt in der Operation, an dem die Dura zurückgezogen wurde und der Patient aus der Vollnarkose geweckt wird, gibt es ein paar Minuten, in denen der bipolare Stimulator auf dem Feld registriert werden kann. Dies muss von einem Teammitglied durchgeführt werden, das in den Fall geschrubbt wird (d. h. entweder behandelnder oder niedergelassener Chirurg oder ein Peeling-Techniker/Krankenschwester). Es wird erreicht, indem ein kleiner Registrierungsstern am bipolaren Stimulator befestigt wird und den Anweisungen im Kranialnavigationssystem folgt, um ein neues Instrument auf dem Feld zu registrieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2 . Präoperative funktionelle MRT und Diffusion Tensor Imaging (DTI) bei Patient AH mit einem linken minderwertigen parietalen Gliom, das den arcuate fasciculus infiltrierte. (A) Präoperative T1 MRT und 3D-Rekonstruktion des linken Arcuate Fasciculus und Gliom. Der arcuate fasciculus wird in Orange an einer 5%-Schwelle gezeigt, wobei der Tumor blau rekonstruiert wird. (B) Voroperative funktionelle MRT. Der Patient absolvierte mehrere Sitzungen der funktionellen MRT, die jeweils entworfen wurden, um eine Funktion abzubilden, die voraussichtlich an den Bereich des chirurgischen Eingriffs angrenzen würde. Alle Karten sind mit FDR q < .05 oder besser belaufen. In blau sind Voxel, die differentiale neuronale Reaktionen aufweisen, wenn Werkzeuge im Vergleich zu Tieren benannt werden; im Einklang mit früheren Studien aus unserem Labor mit den gleichen Reizen, wird ein robustes Netzwerk identifiziert, das prämotorische, parietale und laterale und ventrale temporale Bereiche^{7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28}. Der Patient wurde auch gebeten, eine Numerositätsaufgabe durchzuführen, bei der er beurteilen musste, welche von zwei Wolken von Punkten mehr Punkte hatte; Die beiden Punktwolken könnten entweder eine ähnliche Anzahl von Punkten (harter Vergleich, Verhältnis = 0,8) oder sehr unterschiedliche Punktzahlen (einfacher Vergleich, Verhältnis = 0,25) aufweisen. In grün sind Voxel, die differentiale neuronale Reaktionen aufweisen, wenn die Aufgabe über harte Verhältnis Reize (Verhältnis = .8) im Vergleich zu einfachen Reizen (Verhältnis = 0,25 ^54,55). Der Patient wurde auch gebeten, seine Hände und Füße zu bewegen (entweder Flex/Verlängerung oder drehen²⁵). In Rot sind Voxel, die differentiale neuronale Reaktionen auf Bewegungen der rechten Hand im Vergleich zu Bewegungen des rechten Fußes zeigten. Schließlich wurde der Patient gebeten, so viele Gegenstände zu erzeugen, wie er sich in 30 Sekunden aus verschiedenen Kategorien vorstellen konnte (z. B. "Dinge, die du in der Küche machst", "Tiere", Wörter, die mit "F" usw. beginnen). In lila sind Voxel, die differentiale neuronale Aktivität für die unbedenkliche Wortproduktion im Vergleich zu Fixierung/Ruhe zeigten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3 . Voroperative weiße Materie-Traktographie des Frontal Aslant Tract und angrenzender u-förmiger Fasern. Vorherige Erfahrungen im Programm für Translationale Gehirnkartierung (Chernoff et al., 2017⁵⁶) mit Hirnkartierung bei Patienten mit Gliomen neben dem frontalen Aslanttrakt zeigten, dass (auch teilweise) Transektion dieses Weges zugeordnet werden kann mit Dysfluencies in spontaner Sprache, während Wiederholung der gesprochenen Sprache intakt bleiben kann. Diese vorige Erfahrung wurde verwendet, um die präoperative Kartierung des frontalen Aslanttraktes bei Patient AI¹¹zu informieren. (A) Koronale Scheiben, die den frontalen Aslanttrakt (blau-hellblau) und sie-förmige Fasern (rot-gelb) zeigen. Der frontale Aslanttrakt geht nur vorder und medial an das Gliom vorbei. (B) 3D Rendering von frontalen Aslanttrakt (blau) und Tumor (rot) aus mehreren Perspektiven. Die präoperativen anatomischen Studien (Panels A und B) zeigten, dass es am Ende der Tumorresektion möglich wäre, den vorderen Rand des Tumors mittels direkter elektrischer Stimulationskartierung zu definieren. So haben wir eine neue Sprachaufgabe auf der Grundlage unserer bisherigen Erfahrungen entworfen, um zu testen, ob die Stimulation des frontalen Aslanttraktes die Satzproduktion an den Grenzen grammatikalischer Phrasen stört. (C) Direkte elektrische Stimulation des frontalen Aslanttraktes stört die Satzproduktion differenziell an den Grenzen grammatikalischer Phrasen. Der Screenshot (Panel C, links) aus dem Video zeigt den Patienten, den Stimulus, mit dem er vorgestellt wurde, die Hand des Chirurgen, der den bipolaren Stimulator in Kontakt mit dem frontalen Aslanttrakt am vorderen Rand des Tumors hält, und die Lage in koronalen und sagittale Scheiben der aktuellen Stimulationsposition (roter Punkt) in Bezug auf den frontalen Aslanttrakt (blau). Die Aufgabe des Patienten bestand darin, das räumliche Verhältnis der Zielform in Bezug auf die Position einer Bezugsform zu beschreiben (für die gezeigte Studie wäre die richtige Antwort: "Das rote Quadrat befindet sich unter dem roten Diamanten"). Wir fanden heraus, dass die Stimulation des frontalen Aslanttraktes die Satzproduktion störte, und zwar differenziert zu Beginn neuer grammatikalischer Phrasen (Panel C, Graph rechts; für Video des intraoperativen Kartierungsverfahrens bei diesem Patienten siehe www.openbrainproject.org). Diese Beobachtung motiviert eine neue Hypothese über die Rolle des frontalen Aslanttraktes in der Satzproduktion: die Syntagmatische Constraints on Positional Elements (SCOPE) Hypothese¹¹. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. 

Abbildung 4. Voroperative funktionelle und strukturelle MRT und intraoperative direkte elektrische Stimulationskartierung bei einem professionellen Musiker mit einem Gliom im rechten hinteren Temporallappen.(pro) Präoperative fMRI-Zuordnung von hochwertiger visueller Verarbeitung, Sprachproduktion und Werkzeugkenntnissen. Der Tumor, gelb schattiert, befand sich im rechten Temporallappen, sichtbar durch den rechten überlegenen temporalen Sulkus (Sulci leicht erweitert, um die Visualisierung zu erleichtern). Da sich der Tumor in der Nähe von Bewegungsverarbeitungsbereichen im lateralen temporalen Kortex befand, lokalisierten wir MT/V5, indem wir die neuronale Aktivität verglichen, wenn der Patient sich um Arrays beweglicher Punkte mit neuronaler Aktivität kümmerte, die durch stationäre Punkte ausgelöst wurden; Voxel, die differentiale neuronale Reaktionen für Bewegung im Vergleich zu statischen Punkten aufweisen, werden auf der lila-weißen Farbskala dargestellt (wir sind Duje Tadin für die Unterstützung bei der Entwicklung dieses funktionellen Lokalisierers dankbar). Wie bei allen anderen Fällen, die im Programm für Translationale Gehirnkartierung (z. B.Abbildung 2,Abbildung 3), voxel, die differenzielle neuronale Reaktionen für die Benennung gängiger Bilder aufweisen, werden mit einer Basislinie der Anzeige phasenverwobener Versionen derselben Bilder verglichen; Dies wird auf der grün-weißen Farbskala dargestellt. Dieser Kontrast identifizierte bilaterale laterale okzipitale komplexe, bilaterale mittlere /überlegene zeitliche Gyrus und motorischen Kortex (verbunden mit Sprachmotoraktivität). Auch wie inAbbildung 2, Voxel, die differentiale neuronale Reaktionen bei der Benennung von "Werkzeugen" aufweisen, wurden in der linken unterlegenen parietalen Lobule, bilateraler überlegener parietaler/dorsaler okzipitaler Kortex und dem linken hinteren mittleren/unteren zeitlichen Gyrus (blau-weiße Farbskala) gefunden. Schließlich, und wieder wie inAbbildung 2, wurde der Patient gebeten, eine verbale fließende Wortproduktion zu erfüllen. Voxel, die mit der Wortgenerierung im Vergleich zu einer ruhenden Grundlinie assoziiert sind, werden auf der rot-weißen Farbskala dargestellt und wurden im linken unteren frontalen Gyrus (Brocas Bereich), dem überlegenen zeitlichen/minderwertigen parietalen Kortex und dem Sprachmotorsystem gefunden. (B) Der Patient absolvierte mehrere funktionelle MRT-Experimente präoperativ speziell zur Kartierung der Musikverarbeitung. In einem Experiment, modelliert nach vorheriger Arbeit aus Greg Hickoks Labor⁵⁷, hörte der Patient kurze Klaviermelodien und musste die Melodie zurücksummen, kurze Sätze hören und die Sätze wiederholen. Auf der rot-violetten Farbskala auf dem Gehirn geplottet sind Voxel, die für Musik als für Sprache unterschiedliche neuronale Aktivität zeigten. Vier Studenten der Eastman School of Music Graduate absolvierten das gleiche fMRI-Experiment; Der Rahmen der Region, die für den gleichen funktionalen Kontrast in den übereinstimmenden gesunden Steuerelementen identifiziert wurde, ist in grüner Umrissgeriss dargestellt. Darüber hinaus absolvierten 10 andere Neurochirurgie-Patienten das gleiche Experiment, auch in der präoperativen Phase ihrer Behandlung. Während das nahe Ziel bei diesen 10 Patienten darin bestand, sprachempfindliche Bereiche zu identifizieren (den Kontrast der Sprache > Musik zu beleuchten), identifiziert der Kontrast von musik>Sprache eine sehr ähnliche Region des rechten überlegenen temporalen Gyrus (Grenzen der funktionalen Region aus den 10 Kontroll-Neurochirurgie-Patienten sind hellblau gezeichnet). (c) Präoperative probabilistische Traktographie über DTI-Daten, die die richtigen akustischen Strahlungen und Arcuate Fasciculus in Bezug auf den Tumor des Patienten AE zeigen (5% Schwelle, überlagert auf nativem T2-gewichtetem Bild). (D) Während seiner Operation erfüllte der Patient AE die gleiche Aufgabe wie während der fMRI, bei der er kurze Klaviermelodien hören und sie zurücksummen musste, oder einen kurzen Satz und wiederholte sie zurück. Es wurde festgestellt, dass die direkte elektrische Stimulation des rechten hinteren oberen zeitlichen Gyrus die Leistung in der Wiederholungsaufgabe störte, wenn sie über Melodien (für einige Versuche) vorgetragen wurde, aber die Leistung (bei irgendwelchen Versuchen) für die gleiche Wiederholungsaufgabe nicht beeinflusste. über Sätze (siehe www.openbrainproject.org für Videos von intraoperativer Musik-Mapping).Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5 . Demonstration der domänenspezifischen Diaschese: Analyse des Verhältnisses von Läsionsort und Stimulus-entlöster neuronaler Aktivität über eine Gruppe von Gliom-Patienten, die im Programm für Translational Brain präoperativ untersucht wurden. Eine wichtige Folge der Verabreichung eines gemeinsamen Satzes funktioneller MRT- und Verhaltensstudien für alle Patienten, die das Programm für Translational Brain Mapping am University of Rochester Medical Center durchlaufen, ist die Möglichkeit, Gruppen-Level durchzuführen. Analysen an größeren Gruppen nacheinander untersuchter Patienten. Als Beispiel zeigt Abbildung 5 die Ergebnisse eines Tests der grundlegenden wissenschaftlichen Hypothese, dass neuronale Reaktionen auf "Werkzeuge" im temporalen Lappen online durch Eingaben aus parietalen Kortex moduliert werden. Wenn diese Hypothese richtig ist, sollten Läsionen (Tumoren) im parietalen Kortex die neuronalen Reaktionen im temporalen Lappen zu "Werkzeugen" verändern, und die Varianz zwischen Patienten in der neuronalen Aktivität zu "Werkzeugen" im temporalen Lappen sollte mit dem Vorhandensein von Läsionen korreliert werden ( Tumoren) in parietaler Kortex. (A) Läsionen zum parietalen Kortex werden auf Gruppenebene (logistische Regression) von der Varianz zwischen Patienten in neuronalen Reaktionen im medialen fusiforlen Gyrus auf der ventralen Oberfläche des Temporallappens vorhergesagt. (B) Neuronale Reaktionen auf Werkzeuge im medialen fusiforme Gyrus werden auf Gruppenebene vorhergesagt (logistische Regression) aus der Varianz, ob Läsion/Tumor den vorderen Intraparietalen Sulcus (aIPS) beinhaltet. Die in den Panels A und B zusammengefassten Ergebnisse stellen eine Instanz dynamischer Diaschese⁵³dar, in diesem Fall "domänenspezifische" dynamische Diaschese, da das Verhältnis von Läsionsort und neuronaler Aktivität durch die Art des zu verarbeitenden Stimulus moduliert wird ( d.h. die Beziehung ist für Werkzeuge vorhanden, und nicht für Orte, Gesicht oder Tiere)-für alle Details siehe Garcea und Kollegen¹⁴. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. 

Diskussion

Das Wissen aus den Erfahrungen mit der Gründung des Programms für Translational Brain Mapping an der University of Rochester kann in zwei Kernelemente destilliert werden. Zunächst wurden strukturierte Kommunikationskanäle zwischen Kognitionswissenschaftlern, Neuroonkologen, Neuropsychologen, Epileptologen, Neurophysiologen, Neuroanästhesisten, Neurochirurgen und deren jeweiligen Techniker und administrative Unterstützung. Auf diese Weise können Patienten, einschließlich dringender hochgradiger Tumorpatienten, zur präoperativen Bewertung mit ausreichender Zeit zur Behandlung von Analysen an Chirurgen vor dem Eingriff verwiesen werden. Die zweite Komponente, die für den Erfolg des Brain Mapping Program entscheidend ist, war die Verfaltung von Ausbildungsmöglichkeiten für Studenten, Doktoranden (MS, PhD), Medizinstudenten sowie Neurochirurgie, Neurologie und Neuroradiologie Fellows. Die Kombination dieser beiden Elemente dient dazu, alle klinischen Anbieter mit den wissenschaftlichen Zielen des Brain Mapping Program zu beschäftigen, und stellt sicher, dass grundlegende wissenschaftliche Ziele mit dem klinischen Ziel der Optimierung des Ergebnisses jedes Patienten verflochten sind.

Materialien

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