Translationele hersen toewijzing aan de Universiteit van Rochester Medical Center: behoud van de geest door gepersonaliseerde hersenen mapping

Figuur 2, Figuur 3en Figuur 4 presenteren representatieve resultaten van pre-operatieve functionele en structurele mapping voor drie patiënten met tumoren die naast eloquente hersengebieden stonden. De in Figuur 2, figuur 3en Figuur 4 getoonde bevindingen zijn bedoeld als illustratief (in plaats van een uitputtende samenvatting) van de soorten kaarten die voor elke patiënt worden gegenereerd. Nadere bijzonderheden over de in Figuur 2, figuur 3, en Figuur 4 gepresenteerde gevallen zijn te vinden in: Figuur 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, hintz, Pilcher, Mahon, in Press51), Figuur 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher en Mahon, 201952) en Figuur 4 (garcea et al., 201716). Een belangrijk gevolg van opeenvolgende rekrutering van glioom-patiënten tot een uniform protocol is dat het mogelijke analyses op groepsniveau mogelijk maakt die het effect van hersentumoren op de netwerkfunctie en-organisatie evalueren. Als een voorbeeld van dit soort analyses, Figuur 5 presenteert resultaten van een recente studie 14 die ontdekte dat tumoren in de linker pariëtale cortex neurale reacties gemoduleerd naar ‘ tools ‘ (kleine losse objecten) in de temporale kwal, een instantie van een meer algemeen fenomeen aangeduid als dynamische diaschesis53. Figuur 1. Overzicht van apparatuur die wordt gebruikt voor extra operatieve en intra-operatieve cognitieve testen. (A) voorbeeld Setup voor hoge door-put cognitieve neuropsychologische testen zoals uitgevoerd door het programma voor translationele hersenen mapping in het departement van Neurochirurgie aan de Universiteit van Rochester Medical Center. Belangrijke elementen om ervoor te zorgen dat alle gerekruteerde patiënten in staat zijn om alle geplande tests te voltooien zijn: i) een plek voor patiënten om te zitten en te voltooien testen die volledig aanpasbaar is aan de grootte van elke patiënt, inclusief een stoel die speciaal is ontworpen om vermoeidheid, en II) lokaliseren van cognitieve/gedragstesten fysiek grenzend aan de MRI. Deze elementen stellen patiënten in staat om de faciliteit te bezoeken en hun functionele en structurele MRI te voltooien binnen dezelfde sessie als kern gedragsgegevens worden gemeten. Deelnemers completeren meer proeven met betere prestaties als ze comfortabel zijn, vooral voor oudere deelnemers aan de bevolking met andere comorbiditeiten die het zitten voor langere periodes ongemakkelijk kunnen maken. B) apparatuur die tijdens de intraoperatieve toewijzing wordt gebruikt. De afbeelding links toont een patiënt voordat hij gedrapeerd wordt (rechts is na draperen). Voor het draperen, het cognitieve Science team stelt hun apparatuur, met inbegrip van audio-en videorecorders van de patiënt, een monitor gepositioneerd voor de gezichtslijn van de patiënt, en een tweede monitor gepositioneerd zodat de persoon die werkt met de patiënt gemakkelijk kan Zie de stimulans waarop de patiënt op dit moment op zoek is (Zie ‘ procedure ‘ voor meer informatie). C) bipolaire stimulator met registratie ster bevestigd om locaties van intra-operatieve stimulatie in de PREOPERATIEVE MRI DICOM-ruimte te registreren. Meestal op het punt in de operatie waarbij de Dura is teruggetrokken en de patiënt wordt wakker van algemene anesthesie, zijn er een paar minuten om de bipolaire stimulator aan het veld te registreren. Dit moet gedaan worden door een teamlid dat in de zaak wordt geschombarsd (d.w.z. Als u aanwezig bent of een chirurg of een scrub-tech/verpleegkundige heeft). Het wordt bereikt door een kleine registratie ster aan de bipolaire stimulator te bevestigen en de instructies in het craniale navigatiesysteem te volgen om een nieuw instrument op het veld te registreren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 2 . Pre-operatieve functionele MRI en diffusie tensor Imaging (DTI) in patiënt AH met een linker inferieure parietale glioom die de arcuate Fasciculus infiltreerde. A) pre-OPERATIEVE T1 MRI en 3D reconstructie van de linker arcuate Fasciculus en glioom. De arcuate Fasciculus wordt in oranje weergegeven bij een 5%-drempel met de in blauw gereconstrueerde tumor. (B) pre-OPERATIEVE functionele MRI. De patiënt voltooide verschillende sessies van functionele MRI die elk ontworpen waren om een functie aan te maken die naar verwachting grenst aan het gebied van chirurgische interventie. Alle kaarten zijn thresholded op FDR q <. 05 of beter. In het blauw zijn voxels die differentiële neurale responsen vertonen bij het benoemen van gereedschappen in vergelijking met dieren; in lijn met eerdere onderzoeken van ons laboratorium met dezelfde stimuli, wordt een robuust netwerk geïdentificeerd met premotorische, pariëtale en laterale en ventrale temporele gebieden7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. De patiënt werd ook gevraagd om een numerieke taak uit te voeren waarin hij moest oordelen welke van de twee wolken van stippen meer stippen had; de twee wolken van stippen kunnen ofwel een vergelijkbaar aantal stippen hebben (harde vergelijking, ratio = 0,8) of zeer verschillende aantallen stippen (eenvoudige vergelijking, ratio = 0,25). In het groen zijn voxels die differentiële neurale responsen vertonen bij het uitvoeren van de taak over harde ratio stimuli (ratio = .8) in vergelijking met eenvoudige stimuli (ratio = .25 54,55). De patiënt werd ook gevraagd om zijn handen en voeten te bewegen (Flex/extension of25roteren). In het rood zijn voxels die differentiële neurale responsen vertoonden op bewegingen van de rechterhand in vergelijking met bewegingen van de rechter voet. Ten slotte werd de patiënt gevraagd om zoveel items te genereren als hij kon bedenken in 30 seconden uit verschillende categorieën (bijvoorbeeld ‘ dingen die je doet in de keuken ‘, ‘ dieren ‘, woorden die beginnen met ‘ F ‘, enz.). In het paars zijn voxels die differentiële neurale activiteit vertoonden voor overt-woord productie in vergelijking met fixatie/rust. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 3 . Pre-operatieve witte stof tractografie van de frontale Aslant tractus en aangrenzende u-vormige vezels. Eerdere ervaring in het programma voor translationele hersen toewijzing (Chernoff et al., 201756) met hersen mapping bij patiënten met gliomen grenzend aan de frontale Aslant tractus toonde aan dat (zelfs gedeeltelijke) transectie van dit traject kan worden geassocieerd met disfluenties in spontane spraak, terwijl herhaling van gesproken taal intact kan blijven. Die voorafgaande ervaring werd gebruikt om de pre-operatieve mapping van het frontale Aslant tractus bij patiënt AI11te informeren. A) coronale plakjes met het frontale Aslant tracé (blauw-licht blauw) en u-vormige vezels (rood-geel). De frontale Aslant tractus passeert net voorste en mediale naar het glioom. (B) 3D-rendering van frontale Aslant tractus (blauw) en tumor (rood) vanuit meerdere perspectieven. De pre-operatieve anatomische studies (panelen A en B) gaven aan dat aan het einde van de tumorresectie het mogelijk zou zijn om de voorste marge van tumor te definiëren met behulp van directe elektrische stimulatie mapping. We hebben dus een nieuwe taal taak ontworpen op basis van onze eerdere ervaring, met name om te testen of stimulatie van de frontale Aslant tractus verstoorde productie op de grenzen van grammaticale zinnen verstoord. C) directe elektrische stimulatie van het frontale Aslant tractus verstoort de productie van zinnen differentieel op de grenzen van de grammaticale uitdrukkingen. De screenshot (panel C, links) van de video toont de patiënt, de stimulus waarmee hij werd gepresenteerd, de hand van de chirurg die de bipolaire stimulator in contact met de frontale Aslant tractus in de voorste marge van de tumor, en de locatie in coronale en sagittale schijfjes van de huidige stimulatie locatie (rode stip) ten opzichte van het frontale Aslant tractus (blauw). De taak van de patiënt was om de ruimtelijke relatie van de doel vorm te beschrijven ten opzichte van de locatie van een verwijzings vorm (voor de getoonde proef zou het juiste antwoord zijn: “het Rode plein ligt onder de rode ruit”). We vonden dat stimulatie van de frontale Aslant tractus verstoorde productie van zinnen, en differentieel zo aan het begin van nieuwe grammaticale zinnen (panel C, grafiek rechts; voor video van de intraoperatieve mapping procedure bij deze patiënt, zie www.openbrainproject.org). deze observatie motiveert een nieuwe hypothese over de rol van het frontale Aslant tractus in de productie van zinnen: de Syntagmatic beperkingen op positionele elementen (SCOPE) hypothese11. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.  Figuur 4. Pre-operatieve functionele en structurele MRI en intraoperatieve directe elektrische stimulatie mapping in een professionele muzikant met een glioom in de juiste posterieure temporale kwab.(A) Pre-operatieve fMRI-mapping van visuele verwerking op hoog niveau, taalproductie en gereedschaps kennis. De tumor, gearceerd geel, was in de juiste temporale kwal, zichtbaar door de rechter superieure temporale Sulcus (sulci iets uitgebreid om visualisatie te vergemakkelijken). Omdat de tumor zich dicht bij de bewegings verwerkings gebieden in de laterale temporale cortex bevindt, hebben we MT/V5 gelokaliseerd door de neurale activiteit te vergelijken toen de patiënt deelnam aan arrays van bewegende stippen naar neurale activiteit die door stationaire stippen werden opgewekt; voxels die differentiële neurale responsen vertonen voor beweging in vergelijking met statische stippen worden getekend op de paars-witte kleur schaal (we zijn Duje Tadin dankbaar voor hulp bij het ontwikkelen van deze functionele localizer). Zoals voor alle andere gevallen bestudeerd in het programma voor translationele hersen mapping (bijv.Figuur 2,Figuur 3), voxels die differentiële neurale responsen vertonen voor het benoemen van veelvoorkomende afbeeldingen worden vergeleken met een baseline van het bekijken van fasegecodeerde versies van dezelfde afbeeldingen; Dit wordt getekend op de groen-witte kleur schaal. Dat contrast geïdentificeerd bilaterale laterale occipitale complex, bilaterale midden/superieure temporale gyrus, en motorische cortex (geassocieerd met spraak motorische activiteit). Ook als inFiguur 2, voxels vertonen differentiële neurale reacties bij het benoemen van ‘ hulpmiddelen ‘ werden gevonden in de linker inferieure pariëtale lobule, bilaterale superieure pariëtale/dorsale occipitale cortex, en de linker posterieure midden/inferieure temporele gyrus (blauw-witte kleur schaal). Eindelijk, en weer als inFiguur 2, de patiënt werd gevraagd om een mondelinge vloeiendheid woord productietaak te voltooien. Voxels in verband met het genereren van Word in vergelijking met een rust basislijn worden uitgezet op de rood-witte kleur schaal en werden gevonden in de linker inferieure frontale gyrus (Broca gebied), superieure temporale/inferieure pariëtale cortex, en de spraak motorsysteem. (B) De patiënt voltooide meerdere functionele MRI-experimenten die pre-operatief specifiek zijn voor het toewijzen van muziek verwerking. In een experiment, gemodelleerd naar eerdere werken van Greg Hickok Lab57, de patiënt hoorde korte piano melodieën en moest de melodie terug te neuriën, of gehoord korte zinnen en moest de zinnen terug te herhalen. Getekend op de hersenen op de rood-paarse kleur schaal zijn voxels die differentiële neurale activiteit voor muziek tentoongesteld dan voor taal. Vier Eastman School of Music graduate students voltooide hetzelfde fMRI-experiment; de rand van de regio die voor hetzelfde functionele contrast in de overeenkomende gezonde besturingselementen is geïdentificeerd, wordt in een groene omtrek uitgezet. Bovendien voltooiden 10 andere Neurochirurgie patiënten hetzelfde experiment, ook in de preoperatieve fase van hun behandeling. Hoewel het proximale doel in die 10 patiënten was om taal-responsieve gebieden te identificeren (thorugh het contrast van taal > muziek), identificeert het contrast van muziek > taal een zeer vergelijkbaar gebied van de juiste superieure temporele gyrus (grenzen van de functionele regio van de 10 controle Neurochirurgie patiënten worden getekend in licht blauw). (C) Pre-operatieve probabilistische tractografie over DTI-gegevens met de juiste akoestische radiaties en arcuate Fasciculus in relatie tot de tumor van de patiënt AE (5%-drempel, overgelegd op native T2-gewogen afbeelding). (D) Tijdens zijn chirurgische ingreep voerde de patiënt AE dezelfde taak uit als tijdens fMRI, waarin hij naar korte piano melodieën moest luisteren en ze terugneuriën, of een korte zin en herhaal. Bleek dat directe elektrische stimulatie naar de rechter posterieure superieure temporale gyrus verstoorde prestaties in de herhalings taak wanneer uitgevoerd over melodieën (voor sommige proeven), maar heeft geen invloed op de prestaties (op alle proeven) voor dezelfde herhaling taak uitgevoerd over zinnen (zie www.openbrainproject.org voor Video’s van intraoperatieve muziek mapping).Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 5 . Demonstratie van domeinspecifieke diaschesis: analyse van de relatie van laesie locatie en stimulus-opgewekt neurale activiteit over een groep van glioom patiënten bestudeerde pre-operatief in het programma voor translationele hersenen. Een belangrijk gevolg van het toedienen van een gemeenschappelijke reeks functionele MRI-en gedrags studies aan alle patiënten die het programma voor translationele hersen toewijzing aan de Universiteit van Rochester Medical Center doorlopen, is de mogelijkheid om groepsniveau uit te voeren analyses op grotere sets van opeenvolgend bestudeerde patiënten. Als voorbeeld, afbeelding 5 toont de resultaten van een test van de basiswetenschap hypothese dat neurale reacties op ‘ tools ‘ in de temporale LOB zijn gemoduleerd online door ingangen uit de pariëtale cortex. Als die hypothese juist is, dan moeten laesies (tumoren) in de pariëtale cortex de neurale responsen in de temporale kwin veranderen in ‘ tools ‘, en de variantie tussen patiënten in neurale activiteit op ‘ hulpmiddelen ‘ in de temporale kwal moet worden gecorreleerd met de aanwezigheid van laesies ( tumoren) in de pariëtale cortex. A) laesies van de pariëtale cortex worden voorspeld op het groepeerniveau (logistieke regressie) van variantie tussen patiënten in neurale responsen in de mediale fusiforme gyrus op het ventrale oppervlak van de temporele kwal. (B) neurale reacties op hulpmiddelen in de mediale fusiform gyrus worden voorspeld op het groepeerniveau (logistieke regressie) van variantie in de vraag of laesie/tumor de anterieure Intraparietale Sulcus (aip’s) omvat. De bevindingen samengevat in de deelvensters A en B vormen een instantie van dynamische diaschesis53, in dit geval “domeinspecifieke” dynamische diaschesis, omdat de relatie van laesie locatie tot neurale activiteit wordt gemoduleerd door het type Stimulus dat wordt verwerkt ( dat wil zeggen, de relatie is aanwezig voor gereedschap, en niet voor plaatsen, gezicht of dieren)-voor alle details zie Garcea en collega’s14. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.