Navigeret gentagen transkraniel magnetisk stimulering er et yderst effektivt ikke-invasivt værktøj til kortlægning af talerelaterede kortikale områder. Det hjælper med at designe hjernekirurgi og fremskynder den direkte kortikale stimulering, der udføres under operationen. Denne rapport beskriver, hvordan man udfører talekortikal kortlægning pålideligt til præoperativ evaluering og forskning.
De kortikale områder, der er involveret i menneskelig tale, bør karakteriseres pålideligt før operation for hjernetumorer eller lægemiddelresistent epilepsi. Den funktionelle kortlægning af sprogområder til kirurgisk beslutningstagning udføres normalt invasivt ved elektrisk direkte kortikal stimulering (DCS), som bruges til at identificere organiseringen af de afgørende kortikale og subkortikale strukturer hos hver patient. Nøjagtig præoperativ ikke-invasiv kortlægning hjælper kirurgisk planlægning, reducerer tid, omkostninger og risici i operationsstuen og giver et alternativ til patienter, der ikke er egnede til vågen kraniotomi. Ikke-invasive billeddannelsesmetoder som MR, fMRI, MEG og PET anvendes i øjeblikket i prækirurgisk design og planlægning. Selvom anatomisk og funktionel billeddannelse kan identificere de hjerneområder, der er involveret i tale, kan de ikke afgøre, om disse regioner er kritiske for tale. Transkraniel magnetisk stimulering (TMS) ophidser ikke-invasivt de kortikale neuronale populationer ved hjælp af elektrisk feltinduktion i hjernen. Når det anvendes i sin gentagne tilstand (rTMS) for at stimulere et talerelateret kortikalt sted, kan det producere talerelaterede fejl svarende til dem, der induceres af intraoperativt DCS. rTMS kombineret med neuronavigation (nrTMS) gør det muligt for neurokirurger præoperativt at vurdere, hvor disse fejl opstår, og at planlægge DCS og operationen for at bevare sprogfunktionen. En detaljeret protokol findes her for ikke-invasiv talekortikal kortlægning (SCM) ved hjælp af nrTMS. Den foreslåede protokol kan ændres, så den passer bedst til de patient- og stedspecifikke krav. Det kan også anvendes til kortikale netværksundersøgelser hos raske forsøgspersoner eller hos patienter med sygdomme, der ikke kan opereres.
Under neurokirurgi på grund af cerebral sygdom (f.eks. Epilepsi eller en tumor) skal omfanget af resektion optimeres for at bevare hjerneområder, der understøtter kritiske funktioner. Områder, der er afgørende for patientens integritet og livskvalitet, såsom sprogrelaterede, bør karakteriseres inden fjernelse af hjernevæv. Typisk kan de ikke identificeres individuelt alene baseret på anatomiske landemærker1. Den funktionelle kortlægning af sprogområder til kirurgisk beslutningstagning udføres normalt invasivt ved elektrisk direkte kortikal stimulering (DCS), som gør det muligt for neurokirurgen at forstå organiseringen af de afgørende kortikale og subkortikale strukturer hos hver patient2. Selvom DCS under vågen kirurgi betragtes som guldstandarden for kortikal kortlægning af talefunktioner, er det begrænset af dets invasivitet, metodologiske udfordringer og den høje stress, det fremkalder for både patienten og det kirurgiske team. Denne protokol beskriver ikke-invasiv talekortikal kortlægning (SCM) ved hjælp af navigeret transkraniel magnetisk stimulering (navigeret TMS eller nTMS). Nøjagtig ikke-invasiv kortlægning hjælper med kirurgisk planlægning og reducerer tid, omkostninger og risici i operationsrummet (OR). Det giver også et alternativ til de patienter, der ikke er egnede til vågen kraniotomi3.
Ikke-invasive billeddannelsesmetoder har allerede haft stor gavn af prækirurgisk planlægning. Anatomisk magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) er afgørende for lokalisering af tumorer og hjernelæsioner; i neuronavigation4 og i den navigerede TMS-kortlægning5 guider den operatøren til de kortikale steder af interesse. Diffusionsbaseret MR (dMRI) tractography giver detaljerede oplysninger om de hvide stoffiberkanaler, der forbinder kortikale regioner 5,6. I løbet af det sidste årti er funktionelle billeddannelsesteknikker, især funktionel MR (fMRI) og magnetoencefalografi (MEG), i stigende grad blevet brugt til præoperativ motorisk og talekortikal kortlægning (SCM)2,8,9. Hver metode giver fordele for den præoperative kortlægningsprocedure og kan for eksempel give information om de funktionelt relaterede regioner uden for de konventionelle sprogområder (Brocas og Wernickes områder). fMRI har været den mest almindeligt anvendte metode1 på grund af dens høje tilgængelighed; det er blevet sammenlignet med DCS i lokalisering af talerelaterede områder med variable resultater 2,10. Men selvom funktionel billeddannelse kan identificere de involverede hjerneområder, kan den ikke afgøre, om disse regioner er kritiske for, at funktionen bevares.
Navigeret gentagen TMS (nrTMS) bruges i dag som et alternativ til de førnævnte metoder til præoperativ ikke-invasiv SCM11,12. nrTMS SCM er især effektiv til at identificere talerelaterede kortikale områder inden for den ringere frontale gyrus (IFG), overlegen temporale gyrus (STG) og supramarginal gyrus (SMG)11,13. En fordel ved metoden er, at offlineanalysen af de fejl, der fremkaldes af stimuleringen, gør det muligt for analysatoren at være uvidende om stimuleringsstedet. Det er således muligt at bedømme fejlen uden forudgående information om det kortikale websteds relevans for talenetværket. Dette muliggøres af en videooptagelse, som gør det muligt for analysatoren at skelne subtile forskelle i fejl, såsom semantisk og fonologisk parafasi, mere pålideligt end under den faktiske undersøgelse11,12. NrTMS SCM-tilgangen overgår i øjeblikket udførelsen af MEG- eller fMRI-talekortlægning alene10,14, og yderligere funktionel eller anatomisk information kan bruges til at finjustere nrTMS-proceduren. Præoperativ kortlægning med nrTMS har vist sig at forkorte driftstiderne og reducere den krævede størrelse af kraniotomi og beskadigelse af den veltalende cortex15. Det forkorter indlæggelsestiden og muliggør en mere omfattende fjernelse af tumorvæv og derved øger patientens overlevelsesrate15. nrTMS er blevet valideret mod intraoperativ DCS-kortlægning; specifikt er følsomheden af nrTMS i SCM høj, men dens specificitet forbliver lav med overdrevne falske positive sammenlignet med DCS13,16.
I øjeblikket kan prækirurgisk ikke-invasiv SCM med nrTMS hjælpe med patientvalg til operation, hjælpe med at designe operationen og fremskynde DCS, der udføres under operationen17. Her gives en detaljeret beskrivelse af, hvordan nrTMS SCM kan udføres for at opnå pålidelige talespecifikke resultater. Efter at have opnået praktisk erfaring kan den foreslåede protokol skræddersys, så den passer bedst til patient- og stedspecifikke krav. Protokollen kan udvides yderligere til visse mål, såsom taleproduktion (talestop)18,19 eller visuelle og kognitive funktioner20.
Her præsenteres en protokol for nrTMS SCM, som muliggør praktisk talt komplet kortikal ikke-invasiv kortlægning af de vigtigste knudepunkter i tale- og sprognetværket. Dens største fordel er, at den ikke-invasivt kan simulere DCS-kortlægningen under vågen kraniotomi30 eller ekstraoperativt29 (se figur 2). Desuden kan det anvendes til kortikale netværksundersøgelser af sprog i raske populationer31 og hos patienter med sygdomme, der ikke kan opereres32. nrTMS for SCM kan også anvendes til at udvikle neurorehabiliteringsstrategier såsom målvalg (f.eks. Efter slagtilfælde). DCS’ induktion af plasticitet i talerelaterede kortikale repræsentationer før operation er blevet undersøgt33 for at øge omfanget af resektion34. Mulighederne for nrTMS SCM i sådanne undersøgelser bør undersøges.
I de nuværende resultater blev et relativt stort område, herunder klassiske talerelaterede områder og præ-SMA, gentagne gange stimuleret ved tre forskellige PTI’er. Hver PTI viste forskellig følsomhed og specificitet over for fejl, men demonstrerede også den velkendte responsvariation i ikke-invasive hjernestimuleringer35. De fleste fejl blev induceret af stimulering af IFG, STG, præ-SMA og langs den frontale skråkanal36. Dette fremhæver kraften i nrTMS SCM; specifikt sammenlignet med DCS kan stimuleringen ganske fleksibelt målrettes mod flere områder. Vi har observeret, at ændring af PTI og optagelse af mange sessioner ikke klart fremskynder reaktionstiderne26,29, hvilket ville være forbundet med en læringseffekt.
Protokollen fremhæver forskellige parametre, der kan påvirke nøjagtigheden af nrTMS SCM. Resultaterne kan være følsomme over for de valg, som TMS-operatøren træffer; Dette papir sigter mod at give en standard retningslinje med velafprøvede stimuleringsparametre. Høj specificitet skyldes et passende valg af flere forskellige parametre, herunder ISI, PTI, spoleplacering og rTMS-frekvens. Disse parametre påvirker specificiteten af de inducerede fejl, som afspejler funktionerne i de underliggende kortikale områder; Parametervalget skal baseres på aktuel viden om sprogets neurobiologi.
Billederne til navngivningsopgaven skal vælges, så de ikke i sig selv fremkalder fejlagtig navngivning (supplerende figur 1). Her blev billederne udvalgt fra en standardiseret billedbank og kontrolleret for forskellige navngivningsparametre25,37. For eksempel var puljen af billeder begrænset til genstande med lignende kompleksitet og hyppighed i daglig brug samt høj navneaftale. Valget af billeder kan variere afhængigt af behovene hos hvert kirurgisk center38, populationen under undersøgelse39, modersmålet for det testede emne 40,41 og den anvendte opgave42. Som præsenteret i protokollen individualiseres baseline-billedvalget endelig for hvert emne, da navngivning på stedet er subjektiv.
Stimuleringsfrekvensen skal defineres individuelt, fordi den kan bestemme fordelingen af fejl under navigeret transkraniel magnetisk hjernestimulering43. Det præsenterede valg, 4-8 Hz, er baseret på rTMS-arbejdet af Epstein et al.44. Den indledende stimuleringsfrekvens er indstillet til 5 Hz. Hvis der ikke opdages fejl, øges stimuleringsfrekvensen til 7 Hz. Højere frekvenser kan reducere nrTMS-induceret smerte og øge specificiteten af navngivningsfejl45. Højere frekvenser har også den fordel, at impulserne begrænses til et kort og mere specifikt tidsinterval. De kan dog påvirke funktioner relateret til for eksempel talemotorisk udførelse44,46, som ikke er hovedmålet for denne protokol.
Det anbefales at variere PTI mellem 150-400 ms. Dette er et vigtigt tidsvindue for hentning af ord under objektnavngivningsopgaven28,47. Protokollen sigter mod talespecificitet ved at undgå interferens af grundlæggende visuel behandling, som forekommer i løbet af de første 150 ms efter billedpræsentation og kan påvirke objektnavngivning, men er ikke relateret til taleproduktion. Den anbefalede øvre grænse for PTI er baseret på typiske responslatenstider i billednavngivning i samme emne28,48, og der kan forventes individuel variation i de optimale værdier mellem forsøgspersoner (se figur 1). PTI-udvælgelsen bør ideelt set baseres på personlige målinger, selvom dette kan være logistisk krævende i en klinisk indstilling. Helsinki University Hospital protokoller starter normalt med en 300 ms PTI. Det kan også være nyttigt at ændre PTI baseret på det stimulerede område12,13,49, som det fremgår af flere sprogstudier28,47,50. Ikke desto mindre kan PTI’er uden for ovennævnte vindue også fremkalde navngivningsfejl, der er nyttige til prækirurgisk evaluering (for en sammenlignende undersøgelse, se Krieg et al.49 ved hjælp af PTI’er på 0-300 ms).
Det kortikale talenetværk er udbredt og varierer blandt individer, især hos patienter med tumorer og epilepsi29,30,39. nrTMS inducerer sprogforstyrrelser med stor variation på tværs af individer, analogt med dem, der observeres under vågen kraniotomistimulering27,51. Oplysningerne fra fMRI 50, DTI 52,53,54 og MEG 55 kan dirigere nTMS-brugeren og resultere i en procedure, der er skræddersyet til hver enkelt person og dermed er mere specifik og præcis. Målet i nrTMS SCM er at øge specificiteten, reducere antallet af ikke-respondenter, guide DCS pålideligt eller erstatte det, når ressourcerne og betingelserne ikke tillader et team af højt specialiserede eksperter at udføre det. I fremtiden kan multilocus TMS (mTMS) anvendes i proceduren for at stimulere forskellige dele af cortex uden fysisk at flytte stimuleringsspolen56.
Den nuværende protokol kan udføres med flere typer navngivningsopgaver42,57 eller andre kognitive opgaver (beregninger, beslutningstagning osv.) 58. Videooptagelsen kan afsløre afgørende træk ved opgaveudførelsen (f.eks. grimasser af motivet, der indikerer, at der ikke induceres motorisk talestop), der kan gå ubemærket under stimuleringen. Opsætningen giver også mulighed for at spørge motivet om de nrTMS-inducerede oplevelser og fornemmelser ved i fællesskab at se videooptagelsen. Dette kan hjælpe med at skelne smerteinducerede fejl fra de sande virkninger af nrTMS. Endelig kan protokollen let ændres til forskellige faggrupper (f.eks. Tosprogede individer31) og til at tjene behovene hos hvert kirurgisk eller forskningsteam.
The authors have nothing to disclose.
Pantelis Lioumis er blevet støttet af et HUS VTR-tilskud (TYH2022224), Salla Autti af Päivikki og Sakari Sohlberg Foundation og Hanna Renvall af Paulo Foundation og Academy of Finland (bevilling 321460).
Neurology surface electrodes | Ambu A/S | Ambu Neuroline Ground | |
Neurology surface electrodes | Ambu A/S | Ambu Neuroline 720 | |
Off-line speech error analyzer | Nexstim Ltd | NexSpeech 2.1.0 | |
Single patient surface electrode | Ambu A/S | Ambu Neuroline 700 | |
Stimulator | Nexstim Ltd | NBS 4.3 |