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

Aktivitetene som vises i videoen og beskrevet her faller innenfor en større-enn-minimal-risiko IRB ved University of Rochester Medical Center.
1. rekruttering
<ol><li>Etablere et høyt gjennom-sette program for pre-operative kognitive og MRI-basert vurdering for å fange pasienter fra alle henvisende tilbydere på en betimelig og effektiv måte. Involvere de administrative og kliniske ansatte i den bredere innsats. Merk: et konkret skritt som har vist seg effektiv var etablering av en gruppe e-postliste som automatisk sendes av behandlende kirurg (eller noen på deres støttepersonell) når en ny pasient presenterer til klinikken som kan være en kandidat for rekruttering til Brain Kartlegging program.</li>
</ol>2. pre-operative MRI-kartlegging
<ol><li>Anskaffe MRI-data på en 3T MRI-skanner med en 64-kanals hode spole ved Center for Advanced Brain Imaging og nevrofysiologi (formelt kjent som "Rochester Center for Brain Imaging") ved University of Rochester Medical School. Bruk standard sekvenser for fet Mr og DTI tillater full Brain Imaging, som beskrevet i tidligere publikasjoner7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25.</li>
	<li>Overvåke fiksering og registrere åndedrett og hjertefrekvens samlet under alle fMRI for regresjon avstøy forundrer. Merk: i løpet av de siste 10 årene har vi utviklet et bibliotek med funksjonelle Mr-eksperimenter for å kartlegge språk (talte, hørbar, enkeltord, hele setninger), motorisk funksjon (fra intransitive finger, tunge og fot bevegelser til høyt nivå Transitive handlinger), musikk evne, matematikk og tall kunnskap, og grunnleggende sensorisk funksjon (f. eks, retinotopic kartlegging til kart over lavt nivå visuell prosessering11,14,24). Alle eksperimenter, materialer og analyse skript er tilgjengelige på www.openbrainproject.org.</li>
</ol>3. nevropsykologiske testing
<ol><li>Vær forsiktig under alle kognitive tester for å sikre at pasientene er komfortable, sikres ved hjelp av en ergonomisk optimalisert oppsett (figur 1) og ved å bygge hyppige pauser (hver 8 min) inn i strukturen av alle tester.</li>
	<li>Har alle lav karakter svulst pasienter fullføre følgende tester 1 måned før operasjonen, 1 måned etter operasjonen, og 6 måneder etter operasjonen (tester 12 og 13 er fullført bare på pre-operative og 6 måneder etter-operative tid poeng)28,29 ,30,31,32.<ol>
<li>Spontan tale (cookie Theft Picture33, Askepott Story34,35,36).</li>
		<li>Kategori flyt (handlinger, semantiske kategorier, ord som begynner med F, A, S).</li>
		<li>Word Reading og repetisjon (substantiv, verb, adjektiv, ikke-ord, matchet på lengde og frekvens).</li>
		<li>Navngivning av Snodgrass objekt (n = 26037).</li>
		<li>Hørbar navngiving (n = 6038).</li>
		<li>Høy-Cloze setning ferdigstillelse (30 min).</li>
		<li>Birmingham objekt Recognition batteri (LUCASIANSK, inkludert lengde | Størrelse | Orientering | Gap Matching | Overlappende tall | Dømmer visninger | Objekt Virkelighets avgjørelse39).</li>
		<li>Hørsel minimal par diskriminering (f. eks , PA vs. da, ga vs. ta31,40).</li>
		<li>Setnings bilde Matching (inkludert reversibel Passives40).</li>
		<li>Color Naming og Farnsworth Munsell Hue sortering41.</li>
		<li>Cambridge Face test30,42.</li>
		<li>California verbal Learning test (43)</li>
		<li>Weshler IQ (44,45,46). De viktigste tiltakene for å evaluere språk utfall er tester 4-6; karakteriserer bredere evner sikrer nedsatt funksjonsevne på å navngi testene er ikke på grunn av generell ytelse nedgang47. Merk: i det siste har vi brukt en kombinasjon av programvare presentasjons plattformer for å kontrollere stimulans presentasjon og respons opptak under pre-og post-operative testing. Vi er for tiden å designe en enkelt plug-and-Play-plattform for å støtte alle kognitive tester (pre, intra-og post-operative testing) samt stimulans presentasjon og respons opptak under funksjonell MRI (se nedenfor for beskrivelse av StrongViewTM ). StrongView, sammen med bygget-inne nevropsykologiske prøver, ville være anvendelig for dataoverføre (åpen med lisens) for www.openbrainproject.org.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Neuroanesthesia og ergonomi av intraoperativ språk kartlegging
<ol><li>Bruk bedøvelse teknikker for våken craniotomies48,49,50; ved University of Rochester, våken craniotomies er vanligvis utføres ved hjelp av en sovende-våken-sover tilnærming.</li>
	<li>Unngå premedications som antiepileptika og Anxiolytika som de kan svekke kognitiv funksjon og bidra til fremveksten delirium.</li>
	<li>Bruk standardskjermer (EKG, NIBP, puls oksymetri) og indusere generell anestesi med intravenøs fentanyl (0,5 mg/kg), lidokain (1-1.5 mg/kg) og propofol (1-2 mg/kg).</li>
	<li>Bruk en luft luftveier for mekanisk ventilasjon.</li>
	<li>Plasser pasienten sideveis eller delvis sidelengs med hodet festet i en festet ramme; som beskrevet i videoen, pasient posisjonering avhenger av plasseringen av lesjon og den planlagte kraniotomi vinduet, samtidig som det tas hensyn til at typer kognitiv testing pasienten vil bli bedt om å utføre en gang våken under operasjonen.</li>
	<li>Påfør analgesi på pinnen og snittstedet (30 mL 0,5% lidokain, 30 mL 0,5% Sensorcaine ren, 6 mL av natrium bikarbonat). I denne perioden bør du plassere test utstyret (liten skjerm, videokameraer, retningsmikrofoner).</li>
	<li>Bestem størrelsen på kraniotomi vindu av flere faktorer, som varierer i sin vekting i henhold til resultatene av pre-operative klinisk kartlegging av pasientens hjerne, funksjonelle hjernen kartlegging studier, og planen for intra-operative kartlegging. I tilfellet som er beskrevet i videoen, den behandlende kirurg (Dr. Pilcher) valgte en stor kraniotomi for å få full tilgang til kart positive språk og motor nettsteder i den dominerende halvkule.</li>
	<li>I begynnelsen av våken-fase, avvikle sedasjon (lokale smertestillende brukes før snitt).</li>
	<li>Fjern luft luftveiene når pasienten gjenvinner bevisstheten. Det er ingen eller minimal sedasjon under våken fase.</li>
	<li>Bruk electrocorticography (ECoG) til å overvåke etter-utslipp (subklinisk epileptiform utslipp indusert av kortikale stimulering) for å sikre at DES nivåer er satt til rett under etter-utslippet terskel. DES kartlegging prosedyren starter ved å finne etter utslippet terskelen, og justering stimulering amplitude (i trinn av. 5 milliamp).</li>
	<li>Juster stimulering amplitude gjennom kartlegging sesjon (2 til 15 mA) ved skjønn av behandlende kirurg. Pasientene ser stimuli på en skjerm og kan snakke og flytte sine underarmer og hender.</li>
</ol>5. prosedyrer for å anskaffe forsknings-grade data under intraoperativ direkte elektrisk stimulering kartlegging
<ol><li>Kjør alle intraoperativ kognitive tester på en spesialbygd hardware/software system kalt ' StrongView ', tilgjengelig på www.openbrainproject.org. Maskinvaren fotavtrykk er selvforsynt på en liten vogn, og er utstyrt med en uavhengig backup batteristrøm kilde, høyttalere, tastatur og berøringsskjerm. Personen ladet med å kjøre den kognitive testingen kan starte, stoppe og pause stimulans presentasjonen, mens kontinuerlig opptak (lyd og video) i løpet av saken.</li>
	<li>Bruk et lyd system på handlevognen slik at en retningsbestemt mikrofon som er trent på pasientens munn, som strømmer gjennom en splitter. En kanal som kommer ut av splitteren går gjennom en forsterker og direkte til en høyttaler. Dette gjør at kirurger og forskere enkelt kan høre pasientens reaksjoner mot bakgrunnsstøyen fra operasjonsstuen med null merkbar forsinkelse (dvs. eliminerer ekko effekter). Den andre kanalen fra splitter går til PC på mobil cart, hvor det er tid-stemplet, innspilt og lagret (disse filene brukes for offline analyse). StrongView har også en egen (frittstående) lyd system som består av en andre retningsbestemt mikrofon også trent på pasienten, en retningsbestemt mikrofon trent på kirurger, og en "støy" mikrofon i et hjørne av operasjonsstuen for å prøverommet tone for subtraksjon fra de viktigste lydfilene. De tre lydkanaler mates til en MIDI, og til en annen datamaskin som registrerer hver kanal separat. Denne andre lyd system gir redundans bør det primære systemet mislykkes, alle verbale svar på pasienten vil være tilgjengelig for offline analyse.</li>
	<li>Fest en kommersielt tilgjengelig Eter skjerm L-brakett til operasjonsstuen (eller) ved hjelp av en eller bord klemme. Feste bevegelig armer (f. eks, Manfrotto 244 variabel friksjon Magic Arms) til Eter skjermen L-brakett, og de bevegelig armene støtte pasienten Monitor, retningsbestemt mikrofoner, videokamera trent på pasientens ansikt, og en ekstra skjerm til tillate et forskerteam medlem eller operasjonsstuen sykepleier for enkelt å se hva pasienten ser mens du samhandler med pasienten.</li>
	<li>Kjør alle nødvendige kabler for skjermer, mikrofoner og kamera langs armen og beskytte med plast slange sikret med borrelås. Merk: ingenting av dette utstyret må steriliseres slik det er (kun noen gang) på den ikke-sterile siden av feltet (figur 1). Denne måten å støtte stimulans presentasjon og respons opptaksutstyr gir maksimal fleksibilitet til å ta hensyn til ulike ergonomi av kognitiv testing i henhold til pasientens posisjonering som varierer saken etter sak, men gir en pålitelig og stabil plattform for å feste utstyr. Også, og viktigst, fordi alle skjermer, mikrofoner og kameraer er festet til OR-tabellen via én enhet (Eter skjermen L-brakett), hvis plasseringen av tabellen er justert i tilfelle dette ikke påvirker testingen oppsettet. (Merk at oppsettet som vises i figur 1 er fra en tidligere generasjon oppsett der en gulv-montert stativ støttet pasienten skjermen, mikrofon og videokamera, at gulvet montert stativet har blitt erstattet siden 2018 med Eter skjermen L-brakett). Også, og viktigst for pasientens sikkerhet, hele oppsettet for kognitiv testing kan brytes ned i mindre enn 20 sekunder i tilfelle bør en emergent situasjon presentere seg selv som mandater full og uhindret tilgang til pasienten (f. eks, til pasientens luftveiene).</li>
	<li>Hjertet av StrongView er et fleksibelt programvaresystem for i) å presentere stimuli (visuell, hørbar) til pasienter og registrere pasientens svar (verbal, knappe respons, video), II) å registrere alle eksperimentelt-relevante hendelser midlertidig og tiltak (stimulans på, ECoG, kontakt med hjernen av direkte elektrisk stimulator sonde, pasientens svar); III) og kommunikasjon med skallen navigasjonssystemer for å oppnå den 3 dimensjonale koordinat for hver påføring av direkte elektrisk stimulering. StrongView tillater on-line re-kalibrering av eksperimentelle variabler som stimulans varighet, Inter-stimulans-intervaller, tilfeldig, antall repetisjoner eller blokker av stimuli, og kontroll av pasientens video-og lydkanaler. StrongView streamer pasienten videokamera, den elektroniske ECoG data, og stimulans at pasienten er for tiden ser/hørsel til en stasjonær skjerm, som også er speilet på en stor skjerm som er i siktelinjen av kirurgen.</li>
	<li>Fest en PHOTODIODE til pasient monitoren, og lever inn i en åpen kanal på ECoG-forsterkeren. Dette gir en timelig sync mellom presentasjon av hver stimulans og ECoG for offline analyse.</li>
	<li>Bruk skallen navigasjon maskinvare og programvare (ved University of Rochester, BrainLab Inc., München, Tyskland) i alle tilfeller av kirurgisk team for intra-operative skallen navigasjon basert på pre-operative Mr. Dette er et optisk system bestående av et sett med kameraer som viser operasjonsfeltet og registrerer pasientens hode via en fast registrerings stjerne som er festet til drifts tabellen (se figur 1).<ol>
<li>Nærmere bestemt, etter at pasienten er satt i headholder, men før drapering, bruk ansikts fysiognomi av pasienten til å registrere pasientens hode til preoperativ MRI. Dette gjør at pre-operative MRI (funksjonell og strukturell) skal bringes i direkte innretting med pasientens hjerne på operasjonsbordet.</li>
		<li>Fest en ekstra (mye mindre) registrerings stjerne til den bipolare stimulator (se figur 1) og bruk til å registrere stimulator lengde og posisjon i feltet. Dette gjør det mulig for Forskergruppen å tilegne seg den nøyaktige plasseringen av hvert punkt for stimulering, samt margene i reseksjon, i forhold til pre-operative MRI. Som nevnt ovenfor, er StrongView forbundet med skallen navigasjonssystem (ved University of Rochester, BrainLab, tilkobling via IGT link) for å tillate for sanntids streaming (og tid stempling) av koordinatene til direkte elektrisk stimulering kartlegging. StrongView er nå utviklet for å grensesnitt med andre skallen navigasjonssystemer (f. eks stryker). Merk: aspekter av StrongView som støtter administrasjon og datainnsamling under kognitive og fMRI eksperimenter, sammen med et bibliotek med tester, vil være tilgjengelig (åpen tilgang) på OpenBrainProject.org. Beta-versjoner er tilgjengelige før fullversjonen ved å kontakte den tilsvarende forfatteren. Hele StrongView Suite, som inkluderer hardware-systemer for å integrere med Electrocorticography og skallen navigasjonsprogramvare, er tilgjengelig for klinikere og forskere ved å kontakte den tilsvarende forfatteren. Disse datainnsamlings verktøyene vil bli confluent med en pipeline for etterbehandling og åpne data konsortium, som skal lanseres i 2020 på OpenBrainProject.org.</li>
	</ol></li>
</ol>

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

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

Nevrokirurgisk intervensjoner for å fjerne hjernesvulster eller epileptogenic vev ved siden av hjernen områder som støtter kritiske kognitive funksjoner må balansere det kliniske målet for kirurgi (fjerne så mye tumor, eller epileptogenic vev som mulig) mot skade på friskt vev som kan forårsake nevrologiske underskudd. I sammenheng med hjernesvulst kirurgi, er denne balansen referert til som onco-funksjonell balanse. På "onco" siden av balansen, kirurger ønsker å fjerne så mye av svulsten som mulig, som priser på "brutto total tumor reseksjon" er knyttet til lengre overlevelse1,2. På "funksjonell" side, fjerning av svulster kan skade kortikale og subkortikal underlag av kognisjon; post-operative vanskeligheter kan innebære språk, handling, syn, hørsel, berøring eller bevegelse, avhengig av nevrale system (r) berørt. Den onco balansen er svært viktig fordi økt sykelighet er forbundet med i) lavere livskvalitet, II) økt postoperativ komplikasjoner som kan øke dødelighet (f. eks, pasienter som ikke lenger kan bevege seg er med høyere risiko for blodpropp3,4). Spenningen som ligger i "onco-funksjonell" balanse i innstillingen av hjernesvulst kirurgi oversettes i tillegg til epilepsi kirurgi-det balansen er mellom det kliniske målet om å fjerne alt vev som genererer beslag, mens ikke fjerne vev som støtter kritiske funksjoner.
På et bredt nivå er funksjonell nevroanatomi svært stereotype fra individ til individ. Det kan imidlertid være en høy grad av individuell variasjon i nøyaktig (dvs. mm til mm) plassering av høyere kortikale funksjoner. I tillegg er det generelt anerkjent at tilstedeværelsen av kortikale eller subkortikal patologi kan anspore kortikale omorganisering, selv om prinsippene som driver slik omorganisering er dårlig forstått5. Nevrokirurgisk intervensjoner fortsetter millimeter med millimeter. Det er derfor avgjørende å kartlegge hver pasientens hjerne, i detalj og med følsomhet og presisjon, for å forstå hvilke regioner i den spesifikke pasienten støtte hvilke sensoriske, kognitive og motoriske funksjoner6.
Programmet for translational Brain Mapping ved University of Rochester er konstruert for å møte behovene til personlige hjernen kartlegging i innstillingen av en høy gjennom-Put praksis som spenner over flere akademiske kirurger. Den synergi mål av Brain Mapping program er til i) bruke verktøy av kognitiv nevrovitenskap for å fremme personlig neuromedicine, i form av pasientspesifikke funksjonelle hjernens kart, og II) bruk den kliniske utarbeidelsen av nevrokirurgisk intervensjoner for å teste mekanistisk hypoteser om hvordan den menneskelige hjernefunksjoner.

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

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

Figur 2, Figur 3, og Figur 4 presentere representative resultater av pre-operative funksjonelle og strukturelle kartlegging for tre pasienter med svulster som var ved siden av veltalende regioner i hjernen. Funnene som vises i figur 2, Figur 3og Figur 4 er ment å være illustrerende (i stedet for en uttømmende oppsummering) av kart typene som genereres for hver pasient. Detaljer om sakene presentert i figur 2, Figur 3, og Figur 4 finner du i: figur 2 (Chernoff, Teghipco, bare, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, i trykk51), Figur 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher og Mahon, 201952), og Figur 4 (bare et al., 201716). En viktig konsekvens av påfølgende rekruttering av glioma pasienter til en enhetlig protokoll er at det gjør mulige gruppenivå analyser som evaluerer effekten av hjernesvulster på nettverksfunksjon og organisasjon. Som et eksempel på denne type analyser, figur 5 presenterer resultater fra en fersk studie 14 som fant at svulster i venstre parietal cortex modulert nevrale reaksjoner på "verktøy" (små manipulable objekter) i Tinning flik, en forekomst av en mer generelt fenomen referert til som dynamisk diaschesis53.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig1.jpg"> Figur 1. Oversikt over utstyr som brukes til ekstra operativ og intra-operative kognitiv testing. (A) eksempel oppsett for høy gjennom-Put kognitiv nevropsykologiske testing som gjennomføres av programmet for translational Brain Mapping i Institutt for nevrokirurgi ved University of Rochester Medical Center. Nøkkelelementer for å sikre at alle rekrutterte pasienter er i stand til å fullføre alle planlagte tester inkluderer: i) et sted for pasienter å sitte og fullføre testing som er fullt justerbar til hver pasientens størrelse, inkludert en stol spesielt designet for å redusere fatigue, og II) finne kognitive/atferdsmessige testing fysisk TILSTØTENDE til MRI. Disse elementene gjør det mulig for pasientene å besøke anlegget og fullføre sin funksjonelle og strukturelle MRI innen samme økt som kjerne atferdsdata måles. Deltakerne fullføre flere forsøk med bedre ytelse hvis de er komfortable, spesielt for eldre deltaker populasjoner med andre komorbiditeter som kan gjøre sitter for lengre perioder ubehagelig. (B) utstyr som brukes under intraoperativ kartlegging. Bildet til venstre viser en pasient før den blir drapert (høyre er etter drapering). Før drapering, den kognitive vitenskapen teamet setter opp sitt utstyr, inkludert lyd-og videospillere av pasienten, en skjerm plassert foran pasientens siktlinje, og en annen skjerm posisjonert slik at personen som arbeider med pasienten kan lett se stimulans som pasienten er for tiden ser (se "prosedyre" for detaljer). (C) bipolar stimulator med registrering stjerne festet til posten steder av intra-operative stimulering i PREOPERATIV Mr DICOM plass. Vanligvis på det punktet i kirurgi der Dura har blitt trukket tilbake og pasienten blir vekket fra narkose, er det noen minutter til å registrere bipolar stimulator til feltet. Dette må gjøres av et team medlem som er skrubbet i saken (dvs. enten til stede eller bosatt kirurg eller en scrub tech/sykepleier). Det oppnås ved å feste en liten registrering stjerne til bipolar stimulator og følge instruksjonene i skallen navigasjonssystem for å registrere et nytt instrument på feltet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig1large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig2.jpg"> Figur 2 . Pre-operative funksjonell MRI og Diffusion tensor Imaging (DTI) i pasienten AH med en venstre dårligere parietal glioma som infiltrere den arcuate fasciculus. (A) pre-operative T1 MRI og 3D rekonstruksjon av venstre arcuate fasciculus og glioma. Den arcuate fasciculus er vist i oransje ved en 5% terskel med tumor rekonstruert i blått. (B) pre-operative funksjonell Mr. Pasienten fullførte flere sesjoner med funksjonell MRI som hver ble utformet for å kartlegge en funksjon som var forventet å være ved siden av området for kirurgisk inngrep. Alle kartene er thresholded på FDR q <. 05 eller bedre. I blått er voxels som viser differensial nevrale svar når navngi verktøy i forhold til dyr; i tråd med tidligere studier fra laboratoriet vårt med samme stimuli, er et robust nettverk identifisert som involverer premotor, parietal, og lateral og ventrale timelige områder7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Pasienten ble også bedt om å gjennomføre en numerosity oppgave der han måtte bedømme hvilken av to skyer av prikker hadde flere prikker; de to skyene av prikker kan enten ha et lignende antall prikker (hard sammenligning, ratio = 0,8) eller svært forskjellige antall prikker (enkel sammenligning, ratio = 0,25). I grønt er voxels som viser differensial neural responser når utføre oppgaven over hardt forhold stimuli (ratio = .8) sammenlignet med enkle stimuli (ratio = .25 54,55). Pasienten ble også bedt om å flytte hendene og føttene (enten Flex/Extension eller rotere25). I rødt er voxels som viste differensial neural svar på bevegelser av høyre hånd i forhold til bevegelser av høyre fot. Til slutt ble pasienten bedt om å generere så mange elementer som han kunne tenke på i 30 sekunder fra ulike kategorier (f. eks "ting du gjør på kjøkkenet", "dyr", ord som starter med "F", osv.). I lilla er voxels som viste differensial neural aktivitet for åpenbar ord produksjon i forhold til fiksering/hvile. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig2large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig3.jpg"> Figur 3 . Pre-operative hvite materie tractography av frontal brott tarmkanalen og tilstøtende u-formede fibre. Tidligere erfaring i programmet for translational Brain Mapping (Chernoff et al., 201756) med hjernen kartlegging hos pasienter med gliomas tilstøtende til frontal brott tarmkanalen demonstrert at (selv delvis) transection av denne veien kan knyttes med dysfluencies i spontan tale, mens repetisjon av muntlig språk kan forbli intakt. Det tidligere erfaring ble brukt til å informere pre-operative kartlegging av frontal brott tarmkanalen i pasientens AI11. (A) koronale skiver som viser frontal brott skrift (blå-lys blå) og du-formet fibre (rød-gul). Den frontal brott tarmkanalen passerer bare fremre og midtre til glioma. (B) 3D-gjengivelse av frontal brott skrift (blå) og tumor (rød) fra flere perspektiver. Den pre-operative anatomiske studier (panel A og B) indikerte at på slutten av tumor reseksjon, ville det være mulig å definere fremre margin på tumor ved hjelp av direkte elektrisk stimulering kartlegging. Vi har dermed utviklet et nytt språk oppgave basert på vår tidligere erfaring, spesielt for å teste om stimulering av frontal brott tarmkanalen forstyrret setning produksjon på grensene av grammatiske fraser. (C) direkte elektrisk stimulering av frontal brott tarmkanalen forstyrrer setning produksjon differensielt på grensene av grammatiske fraser. Skjermbildet (panel C, venstre) fra videoen viser pasienten, stimulans som han ble presentert, kirurgen hånd holder bipolar stimulator i kontakt med frontal brott tarmkanalen ved fremre margin av svulsten, og plasseringen i koronale og sagittal skiver av gjeldende stimulering plassering (rød prikk) i forhold til frontal brott tarmkanalen (blå). Pasientens oppgave var å beskrive den romlige relasjonen til målfiguren i forhold til plasseringen av en referansefigur (for prøven som vises, ville det riktige svaret være: "den røde firkanten er under den røde diamanten"). Vi fant at stimulering av frontal brott tarmkanalen forstyrret setning produksjon, og differensielt så i starten av nye grammatiske fraser (panel C, graf til høyre, for video av intraoperativ kartlegging prosedyren i denne pasienten, se www.openbrainproject.org). denne observasjonen motiverer en ny hypotese om rollen til frontal brott veiene i setningen produksjon: den Syntagmatic begrensninger på posisjons elementer (SCOPE) hypotese11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig3large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig4.jpg"> Figur 4. Pre-operative funksjonelle og strukturelle MRI og intraoperativ direkte elektrisk stimulering kartlegging i en profesjonell musiker med en glioma i høyre bakre Temporal flik.(A) Pre-operative fMRI kartlegging av høyt nivå visuell prosessering, språk produksjon og verktøy kunnskap. Svulsten, skyggelagt gul, var i riktig Temporal flik, synlig gjennom høyre overlegen Temporal sulcus (sulci litt utvidet for å lette visualisering). Fordi svulsten ble plassert nær bevegelse behandling områder i lateral Temporal cortex, lokaliserte vi MT/v5 ved å sammenligne neural aktivitet når pasienten gikk til arrays av bevegelige prikker til nevrale aktivitet elicited av stasjonære prikker; voxels viser differensial neural tiltak for bevegelse i forhold til statiske prikker er plottet på lilla-hvit fargeskala (vi er takknemlige for Duje Tadin for hjelp med å utvikle denne funksjonelle localizer). Som for alle andre tilfeller studert i programmet for translational Brain Mapping (f. eksFigur 2,Figur 3), voxels viser differensial neural svar for navngiving vanlige bilder sammenlignes med en Baseline på visning fase-krypterte versjoner av de samme bildene; Dette er plottet på grønn-hvit fargeskala. At kontrasten identifisert bilaterale lateral occipital komplekse, bilaterale midt/overlegen Temporal gyrus, og motorisk cortex (assosiert med tale motorisk aktivitet). Også som iFigur 2, voxels viser differensial nevrale svar når navngi "verktøy" ble funnet i venstre dårligere parietal lobule, bilateral overlegen parietal/rygg occipital cortex, og venstre bakre midtre/mindreverdig Temporal gyrus (blå-hvit fargeskala). Til slutt, og igjen som iFigur 2, ble pasienten bedt om å fullføre en verbal flyt ord produksjon oppgave. Voxels assosiert med ordet generasjon i forhold til en hvile Baseline er plottet på rød-hvit fargeskala og ble funnet i venstre dårligere frontal gyrus (Broca ' s område), overlegen Temporal/mindreverdig parietal cortex, og talen motor system. (B) Pasienten fullførte flere funksjonelle Mr-eksperimenter operativt spesielt for å kartlegge musikk prosessering. I ett eksperiment, modellert etter tidligere arbeid fra Greg Hickok ' s Lab57, hørte pasienten kort piano melodier og måtte nynne melodien tilbake, eller hørt korte setninger og måtte gjenta setningene tilbake. Plottet på hjernen på rød-lilla Fargeskalaen er voxels som utstilt differensial neural aktivitet for musikk enn for språk. Fire Eastman School of Music graduate studenter fullførte samme fMRI eksperimentet; grensen til regionen som identifiseres for den samme funksjonelle kontrasten i de samsvarende sunne kontrollene, tegnes inn i grønn kontur. I tillegg fullførte 10 andre nevrokirurgi pasienter det samme eksperimentet, også i preoperativ fasen av behandlingen. Mens proximate mål i de 10 pasientene var å identifisere språk-responsive områder (thorugh kontrasten av språk > musikk), identifiserer kontrasten av musikk > språk en svært lik region av retten overlegen Temporal gyrus (grenser av funksjonelle fra de 10 kontroll nevrokirurgi pasientene trekkes i lys blå). (C) Pre-operative sannsynlighetsbasert tractography over DTI data viser rett akustisk stråler og arcuate fasciculus i forhold til pasientens AE svulst (5% terskel, kledde på Native T2-vektet bilde). (D) Under hans kirurgi, pasienten AE utført samme oppgave som under fMRI der han måtte lytte til korte piano melodier og nynne dem tilbake, eller en kort setning og gjenta det tilbake. Det ble funnet at direkte elektrisk stimulering til høyre bakre overlegen Temporal gyrus forstyrret ytelse i repetisjon oppgave når utført over melodier (for noen prøvelser), men ikke påvirke ytelsen (på noen forsøk) for samme repetisjon oppgave utført over setninger (se www.openbrainproject.org for videoer av intraoperativ musikk kartlegging).<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig4large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59592/59592fig5.jpg"> Figur 5 . Demonstrasjon av domenespesifikke diaschesis: analyse av forholdet mellom lesjon plassering og stimulans-elicited neural aktivitet på tvers av en gruppe glioma pasienter studert pre-operativt i programmet for translational Brain. En viktig konsekvens av å administrere et felles sett med funksjonelle Mr og atferdsmessige studier til alle pasienter som går gjennom programmet for translational Brain Mapping ved University of Rochester Medical Center er muligheten til å gjennomføre gruppe-nivå analyser på større sett med etterfølgende studert pasienter. Som et eksempel, figur 5 viser resultatene av en test av grunnleggende vitenskapen hypotesen at nevrale reaksjoner på "verktøy" i Tinning flik er modulert online ved innganger fra parietal cortex. Hvis den hypotesen er riktig, så lesjoner (svulster) i parietal cortex bør endre neural responser i Tinning flik til "verktøy", og varians på tvers av pasienter i neural aktivitet til "verktøy" i Tinning flik bør korrelert med tilstedeværelsen av lesjoner ( svulster) i parietal cortex. (A) lesjoner å parietal cortex er spådd på gruppenivå (logistisk regresjon) fra varians på tvers av pasienter i neural responser i midtre fusiform gyrus på ventrale overflaten av Tinning flik. (B) nevrale svar på verktøy i midtre fusiform gyrus er spådd på gruppenivå (logistisk regresjon) fra varians i om lesjon/tumor involverer den fremre Intraparietal Sulcus (aIPS). Funnene oppsummert i paneler A og B representerer en forekomst av dynamisk diaschesis53, i dette tilfellet "domenespesifikke" dynamisk diaschesis, fordi forholdet mellom lesjon plassering til neural aktivitet er modulert av den type stimulans blir behandlet ( det vil si at forholdet er til stede for verktøy, og ikke for steder, ansikt eller dyr)-for alle detaljer, se bare og kollegaer14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59592/59592fig5large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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 artikkelen gir en oversikt over en multi-modal hjernen kartlegging program utviklet for å identifisere områder av hjernen som støtter kritiske kognitive funksjoner i individuelle nevrokirurgi pasienter.

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

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

Målet med all hjernesvulstkirurgi er virkelig å få det vi kaller en maksimal sikker kirurgisk reseksjon. Noe som betyr at vi ønsker å fjerne hele svulsten, men vi ønsker ikke å ha noen negative effekter på det omkringliggende normale hjernevevet. Før en hjernesvulstoperasjon i veltalende cortex, er pasienten innlagt på programmet for translasjonell hjernekartlegging.All informasjon som vi får fra den funksjonelle MR-skanningen, brukes faktisk til å forbedre utfallet av pasienten på operasjonstiden. Denne spesielle pasienten gjennomgikk fMRI før operasjonen, og denne evalueringen viste at svulsten bodde innenfor den overlegne frontale gyrusen, umiddelbart fremre til motorcortexen. Det viste at det ikke var noen direkte språkrepresentasjon over svulsten.Det viste at den supplerende motorområdespråkrepresentasjonen var begrenset til motsatt halvkule. Og til slutt avslørte det i DTI-analysen at den frontale skråkanalen ble plassert fremre til svulstens fremre margin. Vi starter alltid med at en pasient har en dominerende frontal tumorreseksjon med pasienten i en lateral decubitusstilling, men så ruller vi pasienten tilbake slik at vi ikke trenger å plassere en aksillær rull.Vi legger puter og andre skumenheter rundt pasienten slik at når de våkner opp og tilbringer en time eller kanskje to timer under kartleggingsprosedyren, at pasienten vil være komfortabel under prosedyren. Vi må da plassere Mayfield-hodeholderen og vi plasserer hodeholderen over hodebunnen. Deretter injiserer vi lokalbedøvelse der de tre pinnene skal plasseres.Vi fikserer Mayfield-enheten til bordet og til skallen. Deretter registrerer vi pasientens hode til den forhåndsoperative MR-en ved hjelp av et kranialt navigasjonssystem. Ved University of Rochester bruker vi Brainlab for interoperativ navigasjon, og systemet har fungert ekstremt bra for oss på en rekke nivåer.Et svært viktig trinn i operasjonen er å utføre den lokale bedøvelsesblokken. Vi bruker sannsynligvis 30-40cc lokalbedøvelse i hvert tilfelle. Og den første fasen av blokaden er å injisere snittet langs hele sin grad helt til skallen.Og så utfører vi regionale blokker som blokkerer, i dette tilfellet, supraorbital nerve, auriculotemporal nerve, jo større occipital nerve, og så utfører vi dype muskelblokker som blokkerer temporalis muskelen og området like over øret. Samtidig med vår innsats for å komfortabelt posisjonere pasienten, forbereder nevrofysiologiteamet seg på den tverroperative overvåkingen de skal utføre. Det kognitive vitenskapsteamet setter opp utstyret sitt.Når pasienten våkner opp i operasjonssalen, er det en liten skjerm som er plassert foran dem og festet til den skjermen er en mikrofon og en høyttaler og et videokamera. Og dette gjør at vi kan duplisere i operasjonssalen alt vi gjør med funksjonell MR når vi studerer pasienten før operasjonen. Fordelen med overhead tabellen er at anestesiologen og sykepleierutøveren, samt kognitiv forsker og nevrofysiologi team, alle har tilgang til hele pasienten under operasjonen.Vi utarbeidet en kraniotomi som var tilstrekkelig stor til at vi kunne kartlegge flertallet av motorcortex. Det ville tillate oss å kartlegge enhver språkfunksjon innenfor midtfrontalgyrusen. Og kraniotomien ville også være stor nok til å tillate oss å oppnå fremre tumormargin i den fremre delen av den overlegne frontale gyrusen.Dette skiller vår tilnærming i dette spesielle tilfellet fra mer minimalistiske tilnærminger der negative reaksjoner er anskaffet fra regionen med direkte tumorreseksjon. Når hodebunnen er helt åpen, var det første vi gjorde i dette tilfellet å markere plasseringen av svulsten, for å markere midtlinjen, og deretter begynne å bestemme hvor vi ville plassere våre burr hull og hvor vi ville gjøre sag kuttet. Når duraen var helt åpnet og brovene hadde blitt beskyttet og skilt fra det mediale aspektet av duraen, var det neste målet å feste elektrokortigrafienheten til skallen klemme slik at vi ville være i stand til å teste etter utslipp terskler og å utføre elektrokortigrafi i løpet av hele prosedyren.Før vi begynner hjernekartleggingsdelen av operasjonen, registrerer vi den bipolare stimulatoren i samme rom som den preoperative MR ved hjelp av kranialnavigasjonssystemet, i dette tilfellet Brainlab. Dette gjør at vi kan registrere en 3-dimensjonal koordinat for hvert sted med direkte elektrisk stimulering. Etter operasjonen kan vi utføre kvantitative analyser som relaterer preoperativ funksjonell MR med han konsekvenser av interoperativ stimuleringskartlegging og til slutt med pasientutfall.Helt i begynnelsen av hjernekartleggingsprosedyren begynner vi vanligvis med motorkartlegging. Starter i tungen området med pasienten stikker tungen og deretter stimulere på et svært lavt milliamperage nivå, vanligvis 5 til 1,0 milliamps, og leter etter tunge tilbaketrekking eller ansiktsbevegelser som ville indikere at vi var vellykket kartlegging motorfunksjon. Se på hånden hans.Håndleddet rotert. Si om du føler noe kribler. Høyre albue?Høyre albue, perfekt. Du leser læreboken. Si om du føler at noe nå kribler.Høyre hals. Her inne? Mer bak.I dette området ser svulsten ut til å ende her. Dette er motor for finger og hånd og håndledd og arm. Benmotor er, etter all sannsynlighet, akkurat her.Og dette er alt sensorisk, vi hadde veldig gode sensoriske responser i hånden og helt opp til skulder og nakke. Og så nå er målet å ta svulsten og fortsette å kartlegge, med sin aktive deltakelse, for å kartlegge foten motoraktivitet fordi denne bakre marginen av svulsten er et viktig område vi ønsker å fjerne uten å forårsake svakhet i beinet. Vi valgte å starte tumorrestergingen i svulstens bakre margin, umiddelbart fremre til motorcortexen.Og hensikten med denne beslutningen var, mens pasienten var våken og fullt samarbeidsvillig, var å begynne debulking bakre for å identifisere fremre skrelle bank av benmotorcortex å denude skallet bank av svulst, og muligens infiltrert hvit materie, og med pasienten utfører ulike oppgaver med øvre og nedre ekstremitet, vi var da i stand til å fullstendig resect svulsten i skjæringspunktet med rolandic området. Når denne første reseksjonen var fullført, var vi da fri til å begynne den fremre delen av tumorreseksjonen, og deproportasjonen av tumorresterkningen fremre. Å erkjenne at hvis pasientens evne til å samarbeide skulle endres, hadde vi allerede utført den farligste delen av operasjonen med hell.Rapportering av pasientbevegelse, rapportering av pasient fingerferdighet, med presisjon, er ekstremt viktig. Og i dette spesielle tilfellet, sykepleierutøveren Susan Smith, som har jobbet med oss i disse operasjonene i over 20 år, og som har erfaring med hundrevis av lignende operasjoner, utgjør hennes rapportering en ekstremt viktig del av driftsteamet. Sjekk foten hans.Bøy foten opp og ned. Vrikke tærne, trykk ned på hånden min, trekk opp hardt, fint og sterkt. Takk, Sue.vær så god. I lignende tilfeller hvor svulsten ligger mer fremre i den overlegne frontale gyrusen, har vi vært i stand til å identifisere involvering av frontal aslant-traktaten på DTI preoperativt, og vi har med hell kunnet kartlegge frontal aslant-kanalen med subkortikal stimuleringskartlegging. Den gule trekanten er over den røde diamanten.Den grønne sirkelen er over.the. Hold det gående Vi advarte åpenbart pasienten og hans familie om at et forbigående SMA-syndrom kunne oppstå. Vi gjorde ikke et forsøk på å kartlegge det supplerende motorområdet fordi det var helt involvert med svulst.Og faktisk, postoperativt pasienten hadde en subtil SMA syndrom med noen uttrykksfulle afasi og noen incoordination og svært lite tap av motorkontroll i høyre øvre ekstremitet. Men dette falmet raskt, og ved utslippstiden på dag 5 var pasientens undersøkelse normal. I løpet av de siste par årene som vi har utviklet vår translasjonelle hjerne kartlegging program, og som vi har jobbet stadig tettere med våre kognitive vitenskap kolleger, har vi utviklet en kvikk evne til å skreddersy operasjonen og hjernen kartlegging komponenten av operasjonen til behovene til pasienten avhengig av plasseringen av svulsten.Som en konsekvens har vi nå utviklet betydelig erfaring med kartlegging av tallkunnskap og matematikk. 53 pluss 18 tilsvarer 71,65 pluss 16 er lik 81. Vi har også utviklet betydelig erfaring med kartlegging av ulike aspekter ved språkfunksjonen, inkludert navngiving, lesing og repetisjon.Her er en inn, Inger. Dette er en varm munn. Og vi har også utviklet mer nylig muligheten til å kartlegge musikkfunksjon på den ikke-dominerende halvkule.Hjernekartlegging gjør det virkelig mulig for oss å være så komplette som mulig med kirurgi samtidig som vi opprettholder en sikkerhetsmargin for hjernevevet rundt svulsten som vi prøver å bevare på slutten av saken. Hver gang vi gjør en operasjon på en pasient med hjernesvulst eller med epilepsi, har vi hver gang vi gjør en operasjon en mulighet til å lære noe mer 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

Funksjonell Imaging av auditive cortex hos voksne katter ved hjelp av høy-feltet 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-selektiv Electroporation av Cortical 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

Hel-mount Imaging av Mouse Embryo Sensory Axon Anslag

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 pinner for Microinjections i gnager 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

Innspillingen synaptiske plastisitet i akutt hippocampus skiver vedlikeholdes i en liten volum resirkulering-, perfusjon og neddykking-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

I Vivo Single-molekylet sporing på Drosophila Presynaptic Motor 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 modulering og Robotic kartlegging av motor cortex i utviklingsland Brain

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

I vivo Imaging av spinal Fluid transport gjennom intakt Mouse Skull bruker fluorescens Macroscopy

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

Sanntids fMRI-hjernekartlegging hos dyr

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