Name: translational brain mapping at the university of rochester medical center: preserving the mind through personalized brain mapping
Uploaded: 2019-08-12T12:30:00
Duration: 13 min 12 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Translational Brain Mapping at the University of Rochester Medical Center: Preserving the Mind Through Personalized Brain Mapping at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af NIH Grants R21NS076176, R01NS089069, R01EY028535 og NSF Grant BCS-1349042 til BZM, og af et universitet i Rochester Center for Visual Science predoktor Training Fellowship (NIH uddannelse Grant 5T32EY007125-24) til FEG. Vi er taknemmelige for Keith Parkins for hans arbejde med udviklingen af StrongView, som blev støttet af Core Grant P30EY00131 til Center for visuel videnskab ved University of Rochester Medical School. Programmet for Translationel hjerne kortlægning ved University of Rochester blev etableret, delvis, med støtte fra Norman og Arlene Leenhouts, og med et stipendium fra Wilmot Cancer Institute til DRs. Kevin Walter og Bradford Mahon. Oplysninger om programmet for Translationel hjerne kortlægning på University of Rochester Medical Center kan findes på: www.tbm.urmc.edu.

De aktiviteter, der er vist i videoen og beskrevet heri falder inden for en større-end-minimal-risiko IRB på University of Rochester Medical Center.
1. ansættelse
<ol><li>Etablere et højt gennem-Put program for præ-operative kognitiv og MRI-baseret vurdering til at fange patienter fra alle henvisende udbydere på en rettidig og effektiv måde. At involvere det administrative og kliniske personale i den bredere indsats. Bemærk: et konkret skridt, der har vist sig effektiv var etableringen af en gruppe e-mail-liste, der automatisk sendes af den behandlende kirurg (eller en person på deres støttepersonale), når en ny patient præsenterer til klinikken, der kan være en kandidat til rekruttering i hjernen Mapping program.</li>
</ol>2. præ-operative MRI kortlægning
<ol><li>Få Mr-data på en 3T MRI-scanner med en 64-kanals hoved spole i Center for Advanced Brain Imaging og Neuro fysiologi (formelt kendt som "Rochester Center for brain imaging") på University of Rochester Medical School. Brug standard sekvenser for fed MRI og DTI, der tillader fuld hjernescanning, som beskrevet i tidligere publikationer7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.</li>
	<li>Overvågning fiksering, og rekord respiration og puls indsamlet under alle fMRI til regression af støj konfunderer26,27. Bemærk: i løbet af de seneste 10 år har vi udviklet et bibliotek af funktionelle MRI eksperimenter til at kort sprog (talte, auditive, enkelte ord, hele sætninger), motorisk funktion (fra den intransitive finger, tunge og mundbevægelser til højt niveau transitive handlinger), musik evne, matematik og nummer viden, og grundlæggende sensorisk funktion (f. eks. retinotopic mapping til kort af lav niveau visuel behandling11,14,24). Alle eksperimenter, materialer og analyse scripts er tilgængelige på www.openbrainproject.org.</li>
</ol>3. Neuropsykologisk testning
<ol><li>Vær forsigtig under alle kognitive tests for at sikre, at patienterne er komfortable, sikres ved hjælp af en ergonomisk optimeret opsætning (figur 1) og ved at bygge hyppige pauser (hver 8 min) i strukturen af alle tests.</li>
	<li>Har alle lav kvalitet tumor patienter fuldføre følgende tests 1 måned før operationen, 1 måned efter operationen, og 6 måneder efter operationen (test 12 og 13 er kun afsluttet i den præ-operative og 6 måneder postoperative tidspunkter)28,29 ,30,31,32.<ol>
<li>Spontan tale (cookie tyveri billede33, Askepot Story34,35,36).</li>
		<li>Kategori Fluency (handlinger, semantiske kategorier, ord, der starter med F, A, S).</li>
		<li>Ord læsning og gentagelse (navneord, verber, adjektiver, non-Words, matchet på længde og hyppighed).</li>
		<li>Navngivning af Snodgrass-objekt (n = 26037).</li>
		<li>Auditiv navngivning (n = 6038).</li>
		<li>Høj-Cloze punktum fuldførelse (30 min).</li>
		<li>Birmingham objekt anerkendelse batteri (BORB, herunder længde | Størrelse | Orientering | Gap matching | Overlappende tal | Foreshorede visninger | Objekt virkeligheds beslutning39).</li>
		<li>Auditiv minimal par diskrimination (f. eks. PA vs. da, GA vs. ta31,40).</li>
		<li>Sætning billede matching (herunder reversible passiver40).</li>
		<li>Farve navngivning og Farnsworth Munsell Hue sortering41.</li>
		<li>Cambridge Face test30,42.</li>
		<li>Californien verbal læring test (43)</li>
		<li>Weshler IQ (44,45,46). De vigtigste foranstaltninger til evaluering af sprog resultatet er test 4-6; karakterisering af bredere evner sikrer, at funktionsnedsættelser på navngivnings tests ikke skyldes generel ydelses nedgang47. Bemærk: tidligere har vi brugt en kombination af software præsentations platforme til at styre stimulus præsentation og respons optagelse under præ-og postoperative test. Vi designer i øjeblikket en enkelt plug-and-Play-platform til at understøtte alle kognitive tests (præ, intra-og postoperative tests) samt stimulus præsentation og respons optagelse under funktionel MRI (se nedenfor for beskrivelse af StrongViewTM ). StrongView, sammen med indbyggede neuropsykologiske tests, vil være tilgængelig for download (åben licens) på www.openbrainproject.org.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. neuroanæstesi og ergonomi af intraoperativt sprog kortlægning
<ol><li>Brug bedøvelsesteknikker til vågen craniotomier48,49,50; på University of Rochester, er vågen craniotomier typisk udføres ved hjælp af en søvn-vågen-sovende tilgang.</li>
	<li>Undgå præmedicinering såsom antikonvulsiva og angstdæmpende, da de kan forringe kognitiv funktion og bidrage til fremkomsten delirium.</li>
	<li>Anvend standard monitorer (EKG, NIBP, Pulse oximetry) og inducere generel anæstesi med intravenøs fentanyl (0,5 mg/kg), lidocain (1-1,5 mg/kg) og propofol (1-2 mg/kg).</li>
	<li>Brug en supraglottiske luftvejs luftveje til mekanisk ventilation.</li>
	<li>Placer patienten sideværts eller semi-lateralt med hovedet sikret i en fastgjort ramme; som beskrevet i videoen, afhænger patientens positionering af placeringen af læsionen og den planlagte kraniotomi vindue, samtidig med at der tages hensyn til, at typer af kognitive test patienten vil blive bedt om at udføre en gang vågen under operationen.</li>
	<li>Påfør analgesi på stiften og incisionstedet (30 mL 0,5% lidocain, 30 mL 0,5% Sensorcaine plain, 6 mL natriumbicarbonat). I denne periode, placere testudstyr (lille skærm, videokameraer, retningsbestemte mikrofoner).</li>
	<li>Bestem størrelsen af kraniotomi vindue ved flere faktorer, som varierer i deres vægtning i henhold til resultaterne af præ-operative kliniske kortlægning af patientens hjerne, funktionelle hjerne kortlægning undersøgelser, og planen for intra-operative kortlægning. I det tilfælde, der er beskrevet i videoen, den behandlende kirurg (Dr. Pilcher) valgte en stor kraniotomi for at få fuld adgang til kort positive sprog og motor steder i den dominerende halvkugle.</li>
	<li>I begyndelsen af vågen-fase, afbryde sedation (lokale analgetika anvendes før incision).</li>
	<li>Fjern supraglottiske luftvejs luftvejene, når patienten genvinder bevidstheden. Der er ingen eller minimal sedation i vågen fase.</li>
	<li>Brug elektro kortikografi (ECoG) til at overvåge efter-udledninger (subkliniske epileptiforme udledninger induceret af kortikale stimulation) for at sikre, at DES niveauer er sat til lige under efter-udledning tærskel. DES mapping procedure initierer ved at finde efter-udledning tærskel, og justere stimulation amplitude (i trin af. 5 milliamp).</li>
	<li>Justér stimulations amplitude i løbet af kortlægnings sessionen (2 til 15 mA) efter den behandlende kirurgs skøn. Patienter ser stimuli på en skærm og kan tale og flytte deres underarme og hænder.</li>
</ol>5. procedurer for erhvervelse af forskning-grade data under intraoperativ direkte elektrisk stimulation kortlægning
<ol><li>Kør alle intraoperativ kognitive tests på et specialbygget hardware/software system kaldet ' strongview ', som findes på www.openbrainproject.org. Hardware fodaftryk er selvstændig i en lille vogn, og er udstyret med en uafhængig backup batteristrøm kilde, højttalere, tastatur og touch display. Den person, der er anklaget for at køre den kognitive test kan starte, stoppe og pause stimulus præsentation, mens løbende optagelse (lyd og video) i løbet af sagen.</li>
	<li>Brug et lydsystem på vognen, således at en retningsbestemt mikrofon, der er uddannet på patientens mund, som feeds gennem en splitter. En kanal, der kommer ud af splitter, går gennem en forstærker og direkte til en højttaler. Dette gør det muligt for kirurger og forskere nemt at høre patientens respons mod baggrundsstøjen i operationsstuen med nul mærkbar forsinkelse (dvs. eliminere "ECHO"-effekter). Den anden kanal fra splitter går til pc'en på mobil vognen, hvor det er tidsstemplet, indspillet og opbevaret (disse filer bruges til offline analyse). StrongView har også en separat (stand-alone) lydsystem, der består af en anden retningsbestemt mikrofon også uddannet på patienten, en retningsbestemt mikrofon uddannet på kirurger, og en ' støj ' mikrofon i et hjørne af operationsstuen til at prøverummet tone for subtraktion fra de vigtigste lydfiler. Disse tre lydkanaler feed til en MIDI, og til en anden computer, der registrerer hver kanal separat. Dette andet lydsystem giver redundans hvis det primære system mislykkes, vil alle mundtlige svar fra patienten være tilgængelige for offline analyse.</li>
	<li>Fastgør en kommercielt tilgængelig ether-skærm L-beslag til operationsstuen (eller) ved hjælp af en-eller bord klemme. Fastgør artikulerende arme (f. eks. Manfrotto 244 variable friktion Magic Arms) til ether-skærmen L-beslag, og dem, der artikulerer arme, støtter patientmonitoren, retningsbestemte mikrofoner, videokamera, der er uddannet på patientens ansigt, og en hjælpe Monitor til at Lad et forskerteam medlem eller sygeplejerske i operationsstuen nemt se, hvad patienten ser, mens du interagerer med patienten.</li>
	<li>Kør alle nødvendige kabler til skærmene, mikrofoner og kamera langs armen og Beskyt med plastik slanger sikret med velcro. Bemærk: intet af dette udstyr skal steriliseres, da det (kun nogensinde) er på den ikke-sterile side af feltet (figur 1). Denne måde at støtte stimulus præsentation og respons kontroludstyr giver maksimal fleksibilitet til at tage hensyn til de forskellige ergonomi af kognitiv testning i henhold til patientens positionering, som varierer fra sag til sag, men giver en pålidelig og stabil platform, hvorpå udstyret skal monteres. Også, og vigtigere, fordi alle skærme, mikrofoner og kameraer er fastgjort til eller bord via en enkelt enhed (ether skærm L-beslag), hvis placeringen af bordet er justeret i løbet af sagen dette påvirker ikke test opsætningen. (Bemærk, at opsætningen vist i figur 1 er fra en tidligere generation opsætning, hvor en gulv-monteret stativ understøttet patientens skærm, mikrofon og videokamera; denne gulvmonterede stander er blevet udskiftet siden 2018 med Etherskærmen L-beslag). Også, og vigtigere for patientsikkerhed, kan hele opsætningen for kognitiv testning opdeles på mindre end 20 sekunder i tilfælde, hvis en emergent situation præsentere sig selv, at mandater fuld og uhindret adgang til patienten (f. eks. til patientens luftvejene).</li>
	<li>Hjertet af StrongView er et fleksibelt software system til i) , der præsenterer stimuli (visuel, auditiv) til patienter og registrerer patientens respons (verbal, knap respons, video), II) timeligt registrerer alle eksperimentelt relevante begivenheder og foranstaltninger (stimulus på, ECoG, kontakt med hjernen af direkte elektrisk stimulator sonde, patientrespons); III) og kommunikation med kranielle navigationssystemer for at opnå den 3 dimensionelle koordinat for hver anvendelse af direkte elektrisk stimulation. StrongView tillader on-line re-kalibrering af eksperimentelle variabler såsom stimulus varighed, Inter-stimulus-intervaller, randomisering, antallet af gentagelser eller blokke af stimuli, og kontrol af patientens video og audiokanaler. StrongView streams patientens videokamera, online ECoG data, og stimulus, at patienten i øjeblikket ser/hørelse til en desktop display, som også spejles på en stor skærm, der er i den linje af synet af kirurgen.</li>
	<li>Fastgør en fotodiode til patientmonitoren, og Indlever den i en åben kanal på ECoG-forstærkeren. Dette giver en tidsmæssig synkronisering mellem præsentationen af hver stimulus og ECoG for offline analyse.</li>
	<li>Brug kranie navigation hardware og software (på University of Rochester, brainlab Inc., München, Tyskland) i alle tilfælde af det kirurgiske team for intra-operative kranie navigation baseret på præ-operative MRI. Dette er et optisk system bestående af et sæt kameraer, der ser drifts feltet og registrerer patientens hoved via en fast registrerings stjerne, der er anbragt på operationsbordet (Se figur 1).<ol>
<li>Specifikt, efter at patienten er indstillet i headholderen, men før Drapering, bruge patientens facial fysiognomy til at registrere patientens hoved til den præoperative MRI. Dette gør det muligt for præ-operative MRI (funktionelle og strukturelle) at blive bragt i direkte overensstemmelse med patientens hjerne på operationsbordet.</li>
		<li>Vedhæft en anden (meget mindre) registrering stjerne til bipolar stimulator (Se figur 1) og bruge til at registrere stimulatoren længde og position i marken. Dette gør det muligt for forskerholdet at erhverve den nøjagtige placering af hvert punkt af stimulation samt marginer af resektion, i forhold til præ-operative MRI. Som nævnt ovenfor, StrongView er forbundet med kraniet navigationssystem (på University of Rochester, BrainLab, forbindelse via IGT link) for at give mulighed for realtid streaming (og tidsstempling) af koordinaterne for direkte elektrisk stimulation kortlægning. StrongView er i øjeblikket ved at blive udviklet til at interface med andre kranielle navigationssystemer (f. eks Stryker). Bemærk: aspekter af StrongView, der understøtter administration og dataindsamling under kognitive og fMRI-eksperimenter, vil sammen med et bibliotek af tests være tilgængelige (åben adgang) på OpenBrainProject.org. Beta versioner er tilgængelige før den fulde udgivelse ved at kontakte den tilsvarende forfatter. Hele strongview-suiten, som omfatter hardware systemer, der kan integreres med elektro kortikografi og kranie navigationssoftware, er tilgængelig for klinikere og videnskabsfolk ved at kontakte den tilsvarende forfatter. Disse værktøjer til indsamling af data vil være i flydende sammen med en post-processing pipeline og et åbent data konsortium, der skal lanceres i 2020 på OpenBrainProject.org.</li>
	</ol></li>
</ol>

Et foreløbigt patent (U.S. foreløbig Patent nummer 62/917258) blev indgivet 11/30/18 for "StongView: en integreret hardware/software-system til at lette kognitiv testning under vågen hjernekirurgi og til at støtte real-time analyser i tjenesten af at forudsige patientens udfald. "

Den viden, der er opnået ved at etablere programmet for Translationel hjerne kortlægning ved universitetet i Rochester, kan destilleres i to kerneelementer. Først blev der etableret strukturerede kommunikationskanaler blandt kognitive videnskabsfolk, Neuro-onkologer, Neuro psykologer, epileptologer, Neuro fysiologer, Neuro-anæstesiologer, neurokirurger og deres respektive støtte teknikere og administrativ støtte. Dette giver patienter, herunder akut høj-grade tumor patienter, der skal henvises til præ-operative evaluering med tilstrækkelig tid til at vende analyser rundt til kirurger forud for proceduren. Den anden komponent afgørende for succesen af hjernen kortlægning program har været at folde i uddannelsesmuligheder for bachelor studerende, Graduate (MS, PhD) studerende, medicinske studerende, samt neurosurgery, neurologi og neuroradiology beboere og Stipendiater. Kombinationen af disse to elementer tjener til at engagere alle kliniske udbydere med de videnskabelige mål for hjernen kortlægning program, og sikrer, at grundlæggende videnskabelige mål er sammenflettet med det kliniske mål om at optimere udfaldet af hver patient.

Neurokirurgiske indgreb for at fjerne hjernetumorer eller epileptogenic væv støder op til hjernen områder, der understøtter kritiske kognitive funktioner skal afbalancere det kliniske mål for operationen (fjerne så meget tumor, eller epileptogenic væv som muligt) mod skade på sundt væv, der kan forårsage Neuro logiske underskud. I forbindelse med hjernen tumor kirurgi, denne balance omtales som den onco-funktionelle balance. På den ' onco ' side af balancen, kirurger ønsker at fjerne så meget af tumoren som muligt, som satserne for ' brutto total tumor resektion ' er knyttet til længere overlevelse1,2. På den ' funktionelle ' side, fjernelse af tumorer kan skade kortikale og subkortikale substrater af kognition; postoperative vanskeligheder kan involvere sprog, handling, vision, hørelse, berøring eller bevægelse, afhængigt af det eller de neurale system (er), som berøres. Den onco-funktionelle balance er kritisk vigtig, fordi øget sygelighed er forbundet med i) lavere livskvalitet, II) øgede postoperative komplikationer, der kan øge dødeligheden (f. eks. patienter, der ikke længere kan bevæge med en højere risiko for blodpropper3,4). Spændingen iboende i ' onco-funktionelle ' balance i indstillingen af hjernen tumor kirurgi oversætter såvel til epilepsi kirurgi-der balancen er mellem det kliniske mål om at fjerne alle væv, der genererer anfald, mens ikke fjerne væv der understøtter kritiske funktioner.
På et bredt niveau, funktionel Neuro anatomi er meget stereotyp fra individ til individ. Der kan dog være en høj grad af individuel variation i den præcise (dvs. mm til mm) placering af højere kortikale funktioner. Desuden er det almindeligt anerkendt, at tilstedeværelsen af kortikale eller subkortikale patologi kan anspore kortikale reorganisation, selv om de principper, der drev en sådan reorganisation er dårligt forstået5. Neuro kirurgiske indgreb fortsætte millimeter af millimeter. Det er derfor afgørende at kort holde hver patients hjerne, i detaljer og med følsomhed og præcision, for at forstå, hvilke regioner i denne specifikke patient støtte, som sensoriske, kognitive og motoriske funktioner6.
Programmet for Translationel Brain mapping på University of Rochester er blevet udviklet til at opfylde behovene for personlig hjerne kortlægning i fastsættelsen af en høj gennem-Put praksis spænder over flere akademiske kirurger. De synergistiske mål i hjernen Mapping program er at i) bruge værktøjerne i kognitiv neurovidenskab til at fremme personlig neuromedicin, i form af patient-specifikke funktionelle hjernen kort, og II) bruge den kliniske forberedelse af neurokirurgiske indgreb for at teste mekanistiske hypoteser om, hvordan den menneskelige hjernefunktioner.

translational brain mapping at the university of rochester medical center: preserving the mind through personalized brain mapping

Den translationelle Brain Mapping program på University of Rochester er en tværfaglig indsats, der integrerer kognitiv videnskab, neurofysiologi, neuroanæstesi, og Neurokirurgi. Patienter, der har tumorer eller epileptogenic væv i veltalende hjerneområder er undersøgt præoperativt med funktionelle og strukturelle MRI, og intraoperativt med direkte elektrisk stimulation kortlægning. Post operative neurale og kognitive resultater måler brændstof grundlæggende videnskabelige undersøgelser om de faktorer, der mægle godt versus dårligt resultat efter operationen, og hvordan hjernen kortlægning kan optimeres yderligere for at sikre det bedste resultat for fremtidige patienter. I denne artikel beskriver vi det tværfaglige workflow, der gør det muligt for vores team at opfylde de synergistiske mål om at optimere patient resultatet og fremme den videnskabelige forståelse af den menneskelige hjerne.

Figur 2, figur 3, og figur 4 præsenterer repræsentative resultater af præ-operative funktionelle og strukturel kortlægning for tre patienter med tumorer, der støder op til veltalende regioner i hjernen. De resultater, der er vist i figur 2, figur 3, og figur 4 er beregnet til at være illustrative (snarere end en udtømmende sammenfatning) af de typer af kort, som genereres for hver patient. Nærmere oplysninger om de tilfælde, der præsenteres i figur 2, figur 3, og figur 4 findes i: figur 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, i pressen51), figur 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher og Mahon, 201952) og figur 4 (garcea et al., 201716). En vigtig konsekvens af på hinanden følgende rekruttering af gliom patienter i en ensartet protokol er, at det gør muligt gruppe-niveau analyser, der evaluerer effekten af hjernetumorer på netværksfunktion og organisation. Som et eksempel på denne type analyser, figur 5 præsenterer resultater fra en nylig undersøgelse 14 , der fandt, at tumorer i venstre parietal cortex moduleret neurale svar til ' værktøjer ' (små manipulerbare objekter) i den tidsmæssige lap, en forekomst af en mere generelt fænomen omtales som dynamisk diaschesis53.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig1.jpg"> Figur 1. Oversigt over udstyr, der anvendes til ekstra operative og intra-operative kognitive tests. (A) eksempel setup for høj gennem-Put kognitiv neuropsykologiske test som implementeret af programmet for Translationel hjerne kortlægning i Department of neurosurgery på University of Rochester Medical Center. Nøgleelementer til at sikre, at alle rekrutterede patienter er i stand til at gennemføre alle planlagte tests omfatter: i) et sted, hvor patienterne kan sidde og fuldføre testning, som er fuldt justerbar for hver patients størrelse, herunder en stol, der er specielt designet til at reducere og II) lokalisering af kognitiv/adfærdsmæssig testning, som fysisk støder op til MRI. Disse elementer giver patienterne mulighed for at besøge faciliteten og fuldføre deres funktionelle og strukturelle MRI inden for samme session, som de centrale adfærdsmæssige data måles. Deltagerne fuldføre flere forsøg med bedre ydeevne, hvis de er komfortable, især for ældre deltager populationer med andre komorbiditeter, der kan gøre siddende i længere perioder ubehageligt. B) udstyr, der anvendes ved intraoperativt kortlægning. Billedet til venstre viser en patient, før det er draperet (højre er efter Drapering). Før Drapering opsætter det kognitive videnskabs team deres udstyr, herunder lyd-og videooptagere af patienten, en skærm, der er placeret foran patientens synsvidde, og en anden skærm placeret, så den person, der arbejder med patienten, nemt kan Se den stimulus, som patienten kigger på i øjeblikket (Se ' procedure ' for detaljer). (C) bipolar stimulator med registrering stjerne knyttet til rekord placering af intra-operative stimulation i PRÆOPERATIVE MRI DICOM plads. Normalt på det punkt i operationen, hvor Dura er blevet trukket tilbage, og patienten bliver vågnet fra generel anæstesi, der er et par minutter til at registrere den bipolar stimulator til marken. Dette skal gøres af et teammedlem, der er skrubbet i sagen (dvs. enten deltager eller bosiddende kirurg eller en krat Tech/sygeplejerske). Det opnås ved at vedhæfte en lille registrering stjerne til bipolar stimulator og følge instruktionerne i kranie navigationssystemet for at registrere et nyt instrument på banen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig2.jpg"> Figur 2 . Præ-operative funktionelle MRI og diffusion tensor Imaging (DTI) i patient Ah med en venstre ringere parietal gliom, der infiltrerede den bueformede fasciculus. (A) præ-operative T1 MRI og 3D rekonstruktion af venstre bueformede fasciculus og gliom. Den bueformede fasciculus er vist i orange ved en 5% tærskel med tumoren rekonstrueret i blåt. B) præoperativ funktionel MRI. Patienten gennemførte flere sessioner af funktionelle MRI, der hver var designet til at kort en funktion, der var forventet at være støder op til det område af kirurgisk indgreb. Alle kort er thresholded på FDR q <. 05 eller bedre. I blåt er voxels, der udviser differentiale neurale svar, når navngivning værktøjer sammenlignet med dyr; i overensstemmelse med tidligere undersøgelser fra vores laboratorium med de samme stimuli identificeres et robust netværk, der involverer premotor, parietal og laterale og ventrale tidsmæssige områder7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Patienten blev også bedt om at udføre en numerosity opgave, hvor han var nødt til at bedømme, hvilke af to skyer af prikker havde flere prikker; de to skyer af prikker kunne enten have et lignende antal prikker (hård sammenligning, ratio = 0,8) eller meget forskellige antal prikker (let sammenligning, ratio = 0,25). I grøn er voxels, der udviser differentiale neurale svar, når de udfører opgaven over hårde forhold stimuli (ratio = .8) sammenlignet med nemme stimuli (ratio = .25 54,55). Patienten blev også bedt om at flytte sine hænder og fødder (enten Flex/forlængelse eller Roter25). I rødt er voxels, der udviste differentiale neurale reaktioner på bevægelser af højre hånd i forhold til bevægelser af højre fod. Endelig blev patienten bedt om at generere så mange elementer, som han kunne tænke på i 30 sekunder fra forskellige kategorier (fx ' ting du gør i køkkenet ', ' dyr ', ord, der starter med ' F ', osv.). I lilla er voxels, der udstillet differentiale neurale aktivitet for åbenlys ord produktion i forhold til fiksering/hvile. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig2large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig3.jpg"> Figur 3 . Præ-operative hvide stof tractography af frontal Aslant tarmkanalen og tilstødende u-formede fibre. Tidligere erfaring i programmet for Translationel hjerne kortlægning (Chernoff et al., 201756) med hjerne kortlægning hos patienter med gliomer ved siden af frontal-aslant-kanalen viste, at (selv delvis) transektion af denne pathway kan forbindes med dysfluer i spontan tale, mens gentagelse af talte sprog kan forblive intakt. Denne tidligere erfaring blev brugt til at informere præ-operative kortlægning af frontal aslant tarmkanalen i patient AI11. (A) koronale skiver, der viser den frontale aslant-kanal (blålyseblå) og du-formede fibre (rød-gul). Den frontale aslant-tarmkanalen passerer bare forreste og mediale til glioma. (B) 3D-gengivelse af frontal-aslant-tarmkanalen (blå) og tumor (rød) fra flere perspektiver. De præ-operative anatomiske undersøgelser (paneler A og B) indikerede, at i slutningen af tumor resektion, ville det være muligt at definere den forreste margin af tumor ved hjælp af direkte elektrisk stimulation kortlægning. Vi har således designet en ny sprog opgave baseret på vores tidligere erfaring, specifikt for at teste, om stimulering af frontal aslant-kanalen forstyrrede sætnings produktionen ved grænserne for grammatiske sætninger. C) direkte elektrisk stimulation af den frontale aslant-kanal forstyrrer sætnings produktionen differentielt ved grænserne for grammatiske sætninger. Skærmbilledet (panel C, venstre) fra videoen viser patienten, den stimulus, hvormed han blev præsenteret, kirurgens hånd holder bipolar stimulator i kontakt med frontal aslant tarmkanalen ved den forreste margin af tumoren, og placeringen i koronal og sagittale skiver af den aktuelle stimulation placering (rød prik) i forhold til frontal aslant tarmkanalen (blå). Patientens opgave var at beskrive målfigurens rumlige relation i forhold til placeringen af en reference form (for det viste forsøg ville det korrekte svar være: "den røde firkant er under den røde diamant"). Vi fandt, at stimulering af den frontal aslant tarmkanalen forstyrret sætning produktion, og differentielt så i starten af nye grammatiske sætninger (panel C, graf til højre; for video af den intraoperativ kortlægnings procedure hos denne patient, se www.openbrainproject.org). denne observation motiverer en ny hypotese om rollen som frontal aslant-kanalen i sætnings produktion: de Syntagmatic begrænsninger på positionelle elementer (SCOPE) hypotese11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig3large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a> 
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig4.jpg"> Figur 4. Præ-operative funktionelle og strukturelle MRI og intraoperativ direkte elektrisk stimulation kortlægning i en professionel musiker med en gliom i højre posterior temporale lap.(A) Præoperativ fMRI-kortlægning af visuel behandling på højt niveau, sprog produktion og værktøjs viden. Tumoren, skygget gul, var i den rigtige temporale lap, synlig gennem den rigtige overlegne temporale sulcus (sulci lidt udvidet for at lette visualisering). Fordi tumoren var placeret tæt på motion behandling områder i lateral Temporal cortex, vi lokaliseret MT/V5 ved at sammenligne neurale aktivitet, når patienten deltog i arrays af bevægelige prikker til neurale aktivitet fremkaldt af stationære prikker; voxels udviser differens neurale respons for bevægelse i forhold til statiske prikker er afbildet på den lilla-hvide farveskala (vi er taknemmelige for Duje Tadin for at hjælpe med at udvikle denne funktionelle Localizer). Som for alle andre tilfælde undersøgt i programmet for Translationel hjerne kortlægning (f. eks.Figur 2,Figur 3), voxels udviser differentiale neurale svar til navngivning af almindelige billeder sammenlignes med en baseline for visning fase-scrambled versioner af de samme billeder; Dette afbildes på den grøn-hvide farveskala. Denne kontrast identificerede bilateral lateral occipital Complex, bilateral Middle/Superior Temporal gyrus, og motorisk cortex (forbundet med tale motorisk aktivitet). Også som iFigur 2, voxels udviser differentiale neurale svar, når navngivning ' værktøjer ' blev fundet i venstre ringere parietal lobule, bilateral Superior parietal/dorsal occipital cortex, og venstre posterior midterste/ringere Temporal gyrus (blå-hvid farveskala). Endelig, og igen som iFigur 2, blev patienten bedt om at udfylde en verbal flydende ord produktion opgave. Voxels forbundet med Word generation sammenlignet med en hvilende baseline er afbildet på den rød-hvide farveskala og blev fundet i den venstre ringere frontal gyrus (Broca's område), overlegen Temporal/ringere parietal cortex, og talen motorsystem. (B) Patienten har gennemført flere funktionelle MRI-eksperimenter, som er præ operativt specifikt til kort behandling af musik. I et eksperiment, modelleret efter tidligere arbejde fra Greg Hickok Lab57, patienten hørte korte klaver melodier og måtte Nynne melodien tilbage, eller hørte korte sætninger og var nødt til at gentage sætningerne tilbage. Plottet på hjernen på den rødlilla farveskala er voxels, der udstillet differential neurale aktivitet for musik end for sprog. Fire Eastman School of Music graduate studerende afsluttet det samme fMRI eksperiment; grænsen for den region, der identificeres for den samme funktionelle kontrast i de matchede, sunde Kontroller, afbildes i grøn kontur. Derudover afsluttede 10 andre Neurokirurgi-patienter det samme eksperiment, også i den præoperative fase af deres behandling. Mens det nærgående mål i disse 10 patienter var at identificere sprog-Responsive områder (thorugh kontrasten af sprog > musik), den kontrast af musik > sprog identificerer en meget lignende region af den rigtige overlegne Temporal gyrus (grænser for den funktionelle region fra 10 kontrol neuro kirurgi patienter er trukket i lyseblå). (C) Præ-operative probabilistisk tractography over DTI data viser de rigtige akustiske stråler og bueformede fasciculus i forhold til patientens AE tumor (5% tærskel, overlagt på indfødte T2-vægtet billede). (D) Under sin operation udførte patient AE den samme opgave som under fMRI, hvor han måtte lytte til korte klaver melodier og Nynne dem tilbage, eller en kort sætning og gentage den igen. Det blev konstateret, at direkte elektrisk stimulation til højre posterior superior Temporal gyrus forstyrrede ydeevnen i gentagelses opgaven, når den blev udført over melodier (for nogle forsøg), men påvirkede ikke ydeevnen (på nogen forsøg) for den samme gentagelsesopgave udført i løbet af sætninger (Se www.openbrainproject.org for videoer af intraoperativ musik kortlægning).<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig4large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig5.jpg"> Figur 5 . Demonstration af domæne specifik diaschesis: analyse af forholdet mellem læsions placering og stimulus-fremkaldte neurale aktiviteter på tværs af en gruppe af gliom-patienter studerede præ-operativt i programmet for Translationel hjerne. En vigtig konsekvens af at administrere et fælles sæt af funktionelle MRI og adfærdsmæssige undersøgelser til alle patienter, der går gennem programmet for Translationel hjerne kortlægning på University of Rochester Medical Center er mulighed for at udføre gruppe-niveau analyser af større sæt af fortløbende undersøgt patienter. Som et eksempel viser figur 5 resultaterne af en test af den grundlæggende videnskabelige hypotese, at neurale reaktioner på "Tools" i Temporal lap er moduleret online ved input fra parietal cortex. Hvis denne hypotese er korrekt, så læsioner (tumorer) i parietal cortex bør ændre neurale reaktioner i den tidsmæssige lap til ' værktøjer ', og varians på tværs af patienter i neurale aktivitet til ' værktøjer ' i den tidsmæssige lap bør korreleres med tilstedeværelsen af læsioner ( tumorer) i parietal cortex. (A) læsioner til parietal cortex er forudsagt på gruppeniveau (logistisk regression) fra varians på tværs af patienter i neurale reaktioner i den mediale fusiform gyrus på den ventrale overflade af den tidsmæssige lap. (B) neurale reaktioner på værktøjer i den mediale fusiform gyrus forudsiges på gruppeniveau (logistisk regression) fra varians i, om læsion/tumor involverer den forreste intraparietal sulcus (aip'er). Resultaterne opsummeret i panel A og B repræsenterer et tilfælde af dynamisk diaschesis53, i dette tilfælde ' domæne-specifik ' dynamisk diaschesis, fordi forholdet mellem læsions placering til neurale aktivitet er moduteret af den type stimulus, der behandles ( dvs., at relationen er til stede for værktøjer, og ikke for steder, ansigt eller dyr)-for alle detaljer se Garcea og kolleger14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Translational Brain Mapping at the University of Rochester Medical Center: Preserving the Mind Through Personalized Brain Mapping at JoVE.com

Translational Brain Mapping at the University of Rochester Medical Center: Preserving the Mind Through Personalized Brain Mapping

Denne artikel giver et overblik over en multimodal Brain Mapping program designet til at identificere regioner i hjernen, der understøtter kritiske kognitive funktioner i individuelle Neurokirurgi patienter.

Translationel hjerne kortlægning ved University of Rochester Medical Center: bevarelse af sindet gennem personlig hjerne kortlægning

The Translational Brain Mapping Program at the University of Rochester is an interdisciplinary effort that integrates cognitive science, neurophysiology, ...

Målet med alle hjernetumor kirurgi er virkelig at få, hvad vi kalder en maksimal sikker kirurgisk resektion. Hvilket betyder, at vi ønsker at fjerne alle de tumor, men vi ønsker ikke at have nogen negative virkninger på det omgivende normale hjernevæv. Forud for enhver hjernetumor operation i veltalende cortex, patienten er optaget til programmet for translationel hjerne kortlægning.Alle de oplysninger, vi får fra den funktionelle MR-scanning er faktisk bruges til at forbedre resultatet af patienten på tidspunktet for operationen. Denne særlige patient gennemgik fMRI før operationen, og denne evaluering viste, at tumoren boede i den overlegne frontale gyrus, straks forreste til den motoriske cortex. Det afslørede, at der ikke var nogen direkte sprogrepræsentation over tumoren.Den afslørede, at den supplerende sprogrepræsentation i motorområdet var begrænset til den modsatte halvkugle. Og endelig, det afslørede i DTI analyse, at frontal aslant tarmkanalen var placeret foran den forreste margen af tumoren. Vi starter altid med en patient, der har en dominerende frontal tumor resektion med patienten i en lateral decubitus position, men så ruller vi patienten tilbage, så vi ikke behøver at placere en aksillær roll.Vi sætter puder og andre skum enheder omkring patienten, så når de vågner op og tilbringe en time eller måske to timer under kortlægningen procedure, at patienten vil være behageligt under proceduren. Vi er nødt til at placere Mayfield hovedholderen, og vi placerer hovedholderen over hovedbunden. Vi derefter injicere lokalbedøvelse, hvor de tre ben vil blive placeret.Vi fikserer Mayfield-enheden til bordet og kraniet. Vi registrerer derefter patientens hoved til den præoperative MR ved hjælp af et kranielt navigationssystem. På University of Rochester bruger vi Brainlab til interoperativ navigation, og systemet har fungeret særdeles godt for os på en række niveauer.Et meget vigtigt skridt i operationen er at udføre den lokale bedøvelsesblok. Vi bruger sandsynligvis 30-40cc af lokalbedøvelse i hvert enkelt tilfælde. Og den første fase af blokaden er at injicere snittet langs hele sit omfang hele vejen til kraniet.Og så udfører vi regionale blokke, der blokerer, i dette tilfælde, den supraorbital nerve, den auriculotemporale nerve, jo større occipital nerve, og så udfører vi dybe muskelblokke, der blokerer den tidralis muskel og området lige over øret. Samtidig med vores bestræbelser på komfortabelt at placere patienten neurofysiologi team forbereder sig på den inter-operative overvågning, at de vil udføre. Det kognitive videnskabshold er ved at opsætte deres udstyr.Når patienten vågner op på operationsstuen, er der en lille skærm, der er placeret foran dem og fastgjort til denne skærm er en mikrofon og en højttaler og et videokamera. Og det giver os mulighed for at duplikere på operationsstuen alt, hvad vi gør med funktionel MR, når vi studerer patienten før operationen. Fordelen ved overhead bordet er, at anæstesilæge og sygeplejersken praktiserende læge, samt den kognitive videnskabsmand og neurofysiologi team, alle har adgang til hele patienten under operationen.Vi forberedte en kraniotomi, der var tilstrækkelig stor til at give os mulighed for at kortlægge størstedelen af den motoriske cortex. Det ville give os mulighed for at kortlægge enhver sprogfunktion i midten frontal gyrus. Og kraniotomi ville også være stor nok til at give os mulighed for at opnå forreste margin af tumor i den forreste del af den overlegne frontale gyrus.Dette adskiller vores tilgang i dette særlige tilfælde fra mere minimalistiske tilgange, hvor negative reaktioner er erhvervet fra regionen direkte tumor resektion. Når hovedbunden er helt åben, den første ting, vi gjorde i dette tilfælde var at markere placeringen af tumoren, for at markere midterlinjen, og derefter begynde at beslutte, hvor vi ville placere vores grat huller, og hvor vi ville gøre saven skåret. Når duraen var helt åbnet, og brovenerne var blevet beskyttet og adskilt fra duraens mediale aspekt, var det næste mål at fastgøre elektrokorografianordningen til kraniets klemme, så vi kunne teste efter afladningstærskler og udføre elektrokortografi under hele proceduren.Før du begynder hjernekortlægningsdelen af operationen, registrerer vi den bipolare stimulator i samme rum som den præoperative MR ved hjælp af kranienavigationssystemet, i dette tilfælde Brainlab. Dette giver os mulighed for at registrere en 3-dimensionel koordinat for hver placering af direkte elektrisk stimulation. Efter operationen kan vi udføre kvantitative analyser, der relaterer præoperativ funktionel MR med han konsekvenser af interoperativ stimulation kortlægning og i sidste ende med patientens resultat.I begyndelsen af hjernekortlægningsproceduren begynder vi som regel med motorkortlægning. Starter i tungen område med patienten stikker tungen og derefter stimulere på et meget lavt milliamperage niveau, normalt 5 til 1,0 milliampere, og leder efter tunge tilbagetrækning eller ansigtsbevægelser, hvilket tyder på, at vi var en vellykket kortlægning motorfunktion. Se hans hånd.Håndleddet roteret. Sig til, hvis du føler noget snurre. Højre albue?Højre albue, perfekt. Du læser lærebogen. Sig til, hvis du føler noget nu snurrende.Ah, højre hals. Heroppe? Mere bagpå.I dette område tumoren synes at ende lige her. Dette er motor til finger og hånd og håndled og arm. Benmotor er efter al sandsynlighed lige her.Og det er alt sammen sensorisk, vi havde rigtig gode sansereaktioner i hånden og hele vejen op til skulder og nakke. Og så nu er målet at tage tumoren og fortsætte med at kortlægge, med sin aktive deltagelse, at kortlægge foden motoraktivitet, fordi denne bageste margin af tumoren er et centralt område, vi ønsker at fjerne uden at forårsage nogen svaghed i benet. Vi valgte at begynde tumor resektion i den bageste margen af tumoren, straks forreste til den motoriske cortex.Og formålet med denne beslutning var, mens patienten var vågen og fuldt samarbejdsvillig, var at begynde debulking posteriort at identificere den forreste skræl bank af benet motor cortex at denude skræl bank af tumor, og muligvis infiltreret hvidt stof, og med patienten udfører forskellige opgaver med den øvre og nedre ende, vi var derefter i stand til helt at resect tumoren i krydset med rolandic området. Når denne første resektion var afsluttet, vi var derefter fri til at begynde den forreste del af tumor resektion, og deproportion af tumor resektion anteriorly. Erkender, at hvis patientens evne til at samarbejde bør ændre sig, havde vi allerede udført den farligste del af operationen med succes.Indberetningen af patientbevægelser, rapportering af patientfærdighed, med præcision, er yderst vigtig. Og i dette særlige tilfælde, sygeplejersken praktiserende læge, Susan Smith, der har arbejdet med os i disse operationer i over 20 år, og som har erfaring med hundredvis af lignende operationer, hendes rapportering udgør en yderst vigtig del af driftsteamet. Tjek hans fod.Bøj foden op og ned. Vrikke tæerne, skubbe ned på min hånd, trække op hårdt, rart og stærkt. Tak skal du have, Sue.Det var så lidt. I lignende tilfælde, hvor tumoren er placeret mere anteriorly i den overlegne frontale gyrus, har vi været i stand til at identificere inddragelse af den frontale aslant tarmkanalen på DTI præoperativt, og vi har med succes været i stand til at kortlægge den frontale skrå tarmkanalen med sub-kortikale stimulation kortlægning. Den gule trekant er over den røde diamant.Den grønne cirkel er over.the. Fortsæt Vi advarede naturligvis patienten og hans familie om, at der kunne opstå et forbigående SMA-syndrom. Vi gjorde ikke et forsøg på at kortlægge det supplerende motorområde, fordi det var helt involveret i tumor.Og ja, post-operatively patienten havde en subtil SMA syndrom med nogle udtryksfulde afasi og nogle manglende koordination og meget lille tab af motorisk kontrol i højre øvre ende. Men dette falmede hurtigt og på tidspunktet for udskrivning på dag 5 patientens undersøgelse var normal. I løbet af de sidste par år, som vi har udviklet vores translationelle hjerne kortlægning program, og som vi har arbejdet stadig tættere sammen med vores kognitive videnskab kolleger, har vi udviklet en adræt evne til at skræddersy driften og hjernen kortlægning komponent af operationen til behovene hos patienten afhængigt af placeringen af tumoren.Som følge heraf har vi nu udviklet betydelig erfaring med kortlægning af nummerviden og matematik. 53 plus 18 er lig med 71,65 plus 16 er lig med 81. Vi har også udviklet betydelig erfaring med kortlægning af forskellige aspekter af sprogfunktion, herunder navngivning, læsning og gentagelse.Her er en in, inger. Det er en varm mund. Og vi har også udviklet for nylig evnen til at kortlægge musik funktion i den ikke-dominerende halvkugle.Brain mapping virkelig giver os mulighed for at være så komplet som vi kan med kirurgi og samtidig opretholde en sikkerhedsmargin for hjernevæv omkring tumoren, at vi forsøger at bevare i slutningen af sagen. Hver gang vi gør en operation på en patient med en hjernesvulst eller med epilepsi, hver gang vi gør en operation, vi har en mulighed for at lære noget mere om hjernen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Double Fluorescence in situ Hybridization in Fresh Brain Sections

Double Fluorescence in situ Hybridization in Fresh Brain Sections

Here we describe a modified version of a double fluorescence in situ hybridization (dFISH) method optimized for detecting two mRNAs of interest in fresh ...

Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI

Funktionel Imaging af Auditory Cortex i voksne katte ved hjælp af High-felt fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal ...

Subtype-selective Electroporation of Cortical Interneurons

Subtype-selektive Elektroporation af Kortikal interneuroner

The study of central nervous system (CNS) maturation relies on genetic targeting of neuronal populations. However, the task of restricting the expression ...

Whole-mount Imaging of Mouse Embryo Sensory Axon Projections

Hele-mount Imaging af museembryo Sensory Axon Fremskrivninger

The visualization of full-length neuronal projections in embryos is essential to gain an understanding of how mammalian neuronal networks develop. Here we ...

Personalized Needles for Microinjections in the Rodent Brain

Personlig nåle til Microinjections i gnavere hjernen

Microinjections have been used for a long time for the delivery of drugs or toxins within specific brain areas and, more recently, they have been used to ...

Recording Synaptic Plasticity in Acute Hippocampal Slices Maintained in a Small-volume Recycling-, Perfusion-, and Submersion-type Chamber System

Optagelse synaptisk plasticitet i akut hippocampus skiver vedligeholdes i en lille-volumen genanvendelse - Perfusion- og neddykning-type kammer System

Even though experiments on brain slices have been in use since 1951, problems remain that reduce the probability of achieving a stable and successful ...

In Vivo Single-Molecule Tracking at the Drosophila Presynaptic Motor Nerve Terminal

In Vivo Single-Molecule Tracking at the Drosophila Presynaptic Motor Nerve Terminal

In Vivo Enkelt-molekyle sporing på Drosophila præsynaptiske motoriske Nerve Terminal

An increasing number of super-resolution microscopy techniques are helping to uncover the mechanisms that govern the nanoscale cellular world. ...

Non-Invasive Modulation and Robotic Mapping of Motor Cortex in the Developing Brain

Ikke-invasiv modulation og robot kortlægning af motorisk cortex i udviklings hjernen

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries ...

In Vivo Imaging of Cerebrospinal Fluid Transport through the Intact Mouse Skull using Fluorescence Macroscopy

In vivo billeddannelse af cerebrospinalvæske transport gennem intakt mus kraniet ved hjælp af fluorescens makroskopi

Cerebrospinal fluid (CSF) flow in rodents has largely been studied using ex vivo quantification of tracers. Techniques such as two-photon microscopy and ...

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Real-Time fMRI hjernekortlægning hos dyr

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a ...