Cartographie du cerveau translationnelle au Centre médical de l'Université de Rochester : préserver l'esprit grâce à la cartographie personnalisée du cerveau

La figure 2, la figure 3et la figure 4 présentent des résultats représentatifs de la cartographie fonctionnelle et structurale préopératoire pour trois patients atteints de tumeurs adjacentes à des régions éloquentes du cerveau. Les résultats présentés à la figure 2, à la figure 3et à la figure 4 sont destinés à illustrer (plutôt qu’un résumé exhaustif) des types de cartes générées pour chaque patient. Vous trouverez des détails sur les cas présentés à la figure 2, à la figure 3et à la figure 4 : Figure 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, dans la presse51), Figure 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher et Mahon, 201952), et Figure 4 (Garcea et al., 201716). Une conséquence importante du recrutement consécutif des patients de gliome dans un protocole uniforme est qu’il rend possible des analyses de groupe-niveau qui évaluent l’effet des tumeurs de cerveau sur la fonction et l’organisation de réseau. À titre d’exemple de ce type d’analyses, la figure 5 présente les résultats d’une étude récente 14 qui a révélé que les tumeurs du cortex pariétal gauche modulé réponses neuronales à des «outils» (petits objets manipulables) dans le lobe temporal, un exemple d’un phénomène plus général appelé diasche dynamique53. Figure 1. Aperçu de l’équipement utilisé pour les tests cognitifs extraopératoires et intraopératoires. (A) Configuration d’exemple pour les tests neuropsychologiques cognitifs à haut niveau tels qu’ils sont mis en œuvre par le Programme de cartographie du cerveau translationnel du Département de neurochirurgie du Centre médical de l’Université de Rochester. Les éléments clés pour s’assurer que tous les patients recrutés sont en mesure de compléter tous les tests prévus comprennent: i) un endroit pour les patients de s’asseoir et de compléter des tests qui est entièrement réglable à la taille de chaque patient, y compris une chaise spécialement conçu pour réduire fatigue, et ii) la localisation des tests cognitifs/comportementaux physiquement adjacents à l’IRM. Ces éléments permettent aux patients de visiter l’établissement et de compléter leur IRM fonctionnelle et structurelle au cours de la même session que les données comportementales de base sont mesurées. Les participants terminent plus d’essais avec de meilleures performances s’ils sont à l’aise, en particulier pour les populations de participants plus âgés avec d’autres comorbidités qui peuvent rendre la séance pendant de longues périodes inconfortable. (B) Équipement utilisé lors de la cartographie peropératoire. L’image à gauche montre un patient avant d’être drapé (à droite est après drapage). Avant de draper, l’équipe des sciences cognitives met en place son équipement, y compris les enregistreurs audio et vidéo du patient, un moniteur placé devant la ligne de mire du patient, et un deuxième moniteur positionné de sorte que la personne qui travaille avec le patient peut facilement voir le stimulus auquel le patient est actuellement à la recherche (voir «Procédure» pour plus de détails). (C) Stimulateur bipolaire avec étoile d’enregistrement attaché à des emplacements d’enregistrement de stimulation intraopératoire dans l’espace préopératoire de MRI DICOM. Habituellement au point dans la chirurgie à laquelle le dura a été rétracté et le patient est réveillé de l’anesthésie générale, il ya quelques minutes dans lequel pour enregistrer le stimulateur bipolaire sur le terrain. Cela doit être fait par un membre de l’équipe qui est frotté dans le cas (c.-à-d., soit assistant ou chirurgien résident ou un technicien de gommage / infirmière). Il est accompli en attachant une petite étoile d’enregistrement au stimulateur bipolaire et en suivant les instructions dans le système de navigation crânienne pour enregistrer un nouvel instrument sur le terrain. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 2 . Imagerie fonctionnelle préopératoire de MRI et de tenseur de diffusion (DTI) dans l’AH patient avec un glioma pariétal inférieur gauche qui a infiltré le fasciculus d’arcuate. (A) Irm T1 préopératoire et reconstruction 3D du fasciculus et du gliome d’arcuategauche. Le fasciculus arcuate est montré en orange à un seuil de 5% avec la tumeur reconstruite en bleu. (B) IRM fonctionnelle préopératoire. Le patient a accompli plusieurs sessions de MRI fonctionnel qui ont été chacunes conçues pour cartographier une fonction qui était prévue pour être adjacente à la zone de l’intervention chirurgicale. Toutes les cartes sont seuils à FDR q ‘lt; 0,05 ou mieux. En bleu sont des voxels qui présentent des réponses neuronales différentielles lors du nom des outils par rapport aux animaux; conformément aux études antérieures de notre laboratoire utilisant les mêmes stimuli, un réseau robuste est identifié impliquant des zones temporelles prémotrices, pariétales et latérales et ventrales7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Le patient a également été invité à effectuer une tâche de numéroosité dans laquelle il a dû juger lequel de deux nuages de points avait plus de points; les deux nuages de points pourraient avoir un nombre similaire de points (comparaison dure, ratio de 0,8) ou des nombres très différents de points (comparaison facile, ratio de 0,25). En vert sont voxels qui présentent des réponses neuronales différentielles lors de l’exécution de la tâche sur les stimuli de ratio dur (ratio de 0,8) par rapport aux stimuli faciles (ratio de 0,25 54,55). Le patient a également été invité à déplacer ses mains et ses pieds (soit flex / extension ou tourner25). En rouge sont voxels qui ont montré des réponses neuronales différentielles aux mouvements de la main droite par rapport aux mouvements du pied droit. Enfin, on a demandé au patient de générer autant d’articles qu’il pouvait penser en 30 secondes à partir de différentes catégories (par exemple, « choses que vous faites dans la cuisine », « animaux », mots qui commencent par « F », etc.). Dans le violet sont des voxels qui ont montré l’activité neurale différentielle pour la production manifeste de mot comparée à la fixation/repos. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 3 . Tractographie de matière blanche préopératoire de la tractaire aslantfrontal frontale et des fibres adjacentes en forme de u. Une expérience antérieure dans le programme de cartographie du cerveau translationnelle (Chernoff et al., 201756) avec la cartographie du cerveau chez les patients atteints de gliomes adjacents à l’aslant frontal a démontré que la transection (même partielle) de cette voie peut être associée avec des dysfluencies dans la parole spontanée, tandis que la répétition de la langue parlée peut rester intacte. Cette expérience antérieure a été utilisée pour éclairer la cartographie préopératoire du tractus frontal aslant dans l’AI11du patient. (A) Tranches de coronale montrant la voie frontale de l’aslant (bleu-lumière) et les fibres en forme de vous (rouge-jaune). Le tractus frontal estpassant passe juste antérieur et médial au gliome. (B) Rendu 3D du tractus frontal d’aslant (bleu) et de tumeur (rouge) des perspectives multiples. Les études anatomiques préopératoires (Panels A et B) ont indiqué qu’à la fin de la résection de tumeur, il serait possible de définir la marge antérieure de la tumeur utilisant la cartographie électrique directe de stimulation. Nous avons ainsi conçu une nouvelle tâche linguistique basée sur notre expérience antérieure, spécifiquement pour tester si la stimulation du tractus frontal aslant a perturbé la production de phrases aux limites des phrases grammaticales. (C) Stimulation électrique directe du tractus frontal de l’aslant perturbe la production de phrases différemment aux limites des phrases grammaticales. La capture d’écran (Panel C, à gauche) de la vidéo montre le patient, le stimulus avec lequel il a été présenté, la main du chirurgien tenant le stimulateur bipolaire en contact avec le tractus frontal aslant à la marge antérieure de la tumeur, et l’emplacement dans coronal et tranches sagittales de l’emplacement de stimulation actuel (point rouge) par rapport à la région d’aslant frontal (bleu). La tâche du patient était de décrire la relation spatiale de la forme de la cible par rapport à l’emplacement d’une forme de référence (pour l’essai montré, la réponse correcte serait : « Le carré rouge est en dessous du diamant rouge »). Nous avons constaté que la stimulation du tractus frontal aslant a perturbé la production de phrase, et différentiellement ainsi au début de nouvelles phrases grammaticales (Panel C, graphique à droite ; pour la vidéo de la procédure de cartographie peropératoire dans ce patient, voyez www.openbrainproject.org). Cette observation motive une nouvelle hypothèse sur le rôle de la voie aslant frontale dans la production de phrases : l’hypothèse des contraintes syntagmatiques sur les éléments de position (SCOPE)11. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.  Figure 4. Irm fonctionnelle et structurale fonctionnelle préopératoire et cartographie électrique directe peropératoire dans un musicien professionnel avec un glioma dans le lobe temporel postérieur droit.(un) Cartographie préopératoire de l’IRMf du traitement visuel de haut niveau, de la production linguistique et des connaissances sur les outils. La tumeur, jaune ombragé, était dans le lobe temporel droit, visible par le sulcus temporel supérieur droit (sulci légèrement élargi pour faciliter la visualisation). Puisque la tumeur a été localisée près des secteurs de traitement de mouvement dans le cortex temporel latéral, nous avons localisé MT/V5 en comparant l’activité neurale quand le patient a assisté aux rangées des points mobiles à l’activité neurale obtenue par des points stationnaires ; voxels présentant des réponses neuronales différentielles pour le mouvement par rapport aux points statiques sont tracés sur l’échelle de couleur pourpre-blanc (nous sommes reconnaissants à Duje Tadin pour l’aide au développement de ce localisateur fonctionnel). Comme pour tous les autres cas étudiés dans le cadre du Programme de cartographie du cerveau translationnel (p. ex.,Figure 2,Figure 3), les voxels présentant des réponses neuronales différentielles pour nommer des images communes sont comparés à une ligne de base de visualisation des versions brouillées par phase des mêmes images ; ceci est tracé sur l’échelle de couleur vert-blanc. Ce contraste a identifié le complexe occipital latéral bilatéral, le gyrus temporel moyen/supérieur bilatéral, et le cortex moteur (associé à l’activité motrice de la parole). Aussi comme dansFigure 2, voxels présentant des réponses neuronales différentielles lors du nom des « outils » ont été trouvés dans le lobule pariétal inférieur gauche, cortex occipital supérieur bilatéral/dorsal, et le gyrus temporel moyen/inférieur postérieur gauche (échelle de couleur bleu-blanc). Enfin, et encore comme dansFigure 2, le patient a été invité à accomplir une tâche verbale de production de mot d’aisance. Les voxels associés à la génération de mots par rapport à une ligne de base au repos sont tracés sur l’échelle de couleur rouge-blanc et ont été trouvés dans le gyrus frontal inférieur gauche (région de Broca), cortex pariétal temporel supérieur/inférieur, et le système moteur de la parole. (B) Le patient a accompli plusieurs expériences fonctionnelles de MRI pre-operatively spécifiquement pour mapper le traitement de musique. Dans une expérience, calquée sur des travaux antérieurs du laboratoire de Greg Hickok57, le patient a entendu de courtes mélodies de piano et a dû fredonner la mélodie en arrière, ou a entendu de courtes phrases et a dû répéter les phrases en arrière. Tracésur sur le cerveau sur l’échelle de couleur rouge-violet sont voxels qui ont montré l’activité neuronale différentielle pour la musique que pour le langage. Quatre étudiants diplômés de l’Eastman School of Music ont terminé la même expérience de l’IRMf; la frontière de la région identifiée pour le même contraste fonctionnel dans les contrôles sains assortis est tracée dans le contour vert. En outre, 10 autres patients de neurochirurgie ont accompli la même expérience, également dans la phase préopératoire de leur traitement. Alors que l’objectif immédiat de ces 10 patients était d’identifier les zones sensibles à la langue (thorugh le contraste de la langue et de la musique), le contraste de la musique-langue identifie une région très similaire du gyrus temporel supérieur droit (frontières de la fonction région des 10 patients témoins de neurochirurgie sont dessinés en bleu clair). (C) Tractographie probabilistique préopératoire sur les données DTI montrant les radiations acoustiques droites et les fasciculus d’arcuate par rapport à la tumeur du patient AE (seuil de 5%, superposé sur l’image T2-weighted indigène). (D) Pendant son opération, le patient AE a effectué la même tâche que pendant l’IRMf dans laquelle il a dû écouter de courtes mélodies de piano et les hum en arrière, ou une courte phrase et le répéter. Il a été constaté que la stimulation électrique directe au gyrus temporel supérieur postérieur droit a perturbé la performance dans la tâche de répétition lorsqu’elle est exécutée sur des mélodies (pour certains essais), mais n’a pas affecté la performance (sur les essais) pour la même tâche de répétition sur des phrases (voir www.openbrainproject.org pour les vidéos de cartographie musicale peropératoire).Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 5 . Démonstration de la diasèse spécifique au domaine : Analyse de la relation entre l’emplacement des lésions et l’activité neuronale stimulée chez un groupe de patients atteints de gliome étudiés de façon préopératoire dans le cadre du Programme pour le cerveau translationnel. Une conséquence importante de l’administration d’un ensemble commun d’IRM fonctionnelles et d’études comportementales à tous les patients qui passent par le Programme de cartographie du cerveau translationnel à l’Université de Rochester Medical Center est l’occasion de mener à bien le groupe-niveau analyses sur de plus grands ensembles de patients étudiés consécutivement. À titre d’exemple, la figure 5 montre les résultats d’un test de l’hypothèse scientifique fondamentale selon lequel les réponses neuronales aux « outils » du lobe temporal sont modulées en ligne par des entrées du cortex pariétal. Si cette hypothèse est correcte, alors les lésions (tumeurs) dans le cortex pariétal devraient modifier des réponses neurales dans le lobe temporel aux « outils », et la variance entre les patients dans l’activité neurale aux « outils » dans le lobe temporel devrait être corrélée avec la présence des lésions ( dans le cortex pariétal. (A) Les lésions au cortex pariétal sont prédites au niveau du groupe (régression logistique) de la variance entre les patients dans les réponses neuronales dans le gyrus fusiforme médial sur la surface ventrale du lobe temporal. (B) Les réponses neuronales aux outils dans le gyrus fusiforme médial sont prédites au niveau du groupe (régression logistique) de la variance dans la question de savoir si la lésion/tumeur implique le Sulcus intrapariétal antérieur (aIPS). Les résultats résumés dans les panneaux A et B représentent un exemple de diaschesis dynamique53, dans ce cas,« spécifique au domaine » diaschesis dynamique, parce que la relation de l’emplacement de la lésion à l’activité neuronale est modulée par le type de stimulus en cours de traitement ( c’est-à-d., la relation est présente pour les outils, et non pour les lieux, le visage ou les animaux)-pour tous les détails voir Garcea et ses collègues14. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.