Translational Brain Mapping am University of Rochester Medical Center: Erhaltung des Geistes durch personalisierte Brain Mapping

Abbildung 2, Abbildung 3und Abbildung 4 zeigen repräsentative Ergebnisse der präoperativen funktionellen und strukturellen Kartierung für drei Patienten mit Tumoren, die an eloquente Regionen des Gehirns angrenzen. Die in Abbildung 2, Abbildung 3und Abbildung 4 dargestellten Ergebnisse sollen die Kartentypen, die für jeden Patienten generiert werden, veranschaulichen (und nicht eine erschöpfende Zusammenfassung). Einzelheiten zu den in Abbildung 2, Abbildung 3und Abbildung 4 dargestellten Fällen finden Sie in: Abbildung 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, in Presse51), Abbildung 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher und Mahon, 201952), und Abbildung 4 (Garcea et al., 201716). Eine wichtige Folge der konsekutigenen Rekrutierung von Gliom-Patienten in ein einheitliches Protokoll ist, dass es Gruppenanalysen ermöglicht, die die Wirkung von Hirntumoren auf die Netzwerkfunktion und -organisation bewerten. Als Beispiel für diese Art von Analysen zeigt Abbildung 5 Ergebnisse einer aktuellen Studie 14, die herausfand, dass Tumore im linken parietalen Kortex modulierte neuronale Reaktionen auf “Werkzeuge” (kleine manipulierbare Objekte) im Temporallappen, eine Instanz eines allgemeineres Phänomen, das als dynamische Diaschese53bezeichnet wird. Abbildung 1. Überblick über Geräte, die für außeroperative und intraoperative kognitive Tests verwendet werden. (A) Beispiel-Setup für hochdurchdrängliche neuropsychologische Tests, wie sie vom Program for Translational Brain Mapping in der Abteilung für Neurochirurgie am University of Rochester Medical Center implementiert wurden. Zu den wichtigsten Elementen, um sicherzustellen, dass alle rekrutierten Patienten alle geplanten Tests durchführen können, gehören: i) ein Platz für Patienten zum Sitzen und vollständige Tests, die vollständig an die Größe jedes Patienten anpassbar sind, einschließlich eines Stuhls, der speziell entwickelt wurde, um Ermüdung und ii) Lokalisierung von kognitiven/Verhaltenstests, die physisch an das MRT angrenzen. Diese Elemente ermöglichen es den Patienten, die Einrichtung zu besuchen und ihre funktionelle und strukturelle MRT innerhalb derselben Sitzung wie die gemessenen Kernverhaltensdaten abzuschließen. Die Teilnehmer absolvieren mehr Versuche mit besserer Leistung, wenn sie sich wohlfühlen, vor allem für ältere Teilnehmerpopulationen mit anderen Komorbiditäten, die das Sitzen für längere Zeit unangenehm machen können. (B) Geräte, die während der intraoperativen Kartierung verwendet werden. Das Bild links zeigt einen Patienten, bevor er drapiert wird (rechts ist nach dem Drapieren). Vor dem Drapieren richtet das Team der Kognitionswissenschaft seine Geräte ein, einschließlich Audio- und Videorecorder des Patienten, einen Monitor, der vor der Sichtlinie des Patienten positioniert ist, und einen zweiten Monitor, der so positioniert ist, dass die Person, die mit dem Patienten arbeitet, leicht siehe den Stimulus, nach dem der Patient derzeit sucht (Details siehe “Verfahren”). (C) Bipolarer Stimulator mit Registrierungsstern, der an Aufnahmeorte der intraoperativen Stimulation im präoperativen MRT-DICOM-Raum angeschlossen ist. In der Regel an dem Punkt in der Operation, an dem die Dura zurückgezogen wurde und der Patient aus der Vollnarkose geweckt wird, gibt es ein paar Minuten, in denen der bipolare Stimulator auf dem Feld registriert werden kann. Dies muss von einem Teammitglied durchgeführt werden, das in den Fall geschrubbt wird (d. h. entweder behandelnder oder niedergelassener Chirurg oder ein Peeling-Techniker/Krankenschwester). Es wird erreicht, indem ein kleiner Registrierungsstern am bipolaren Stimulator befestigt wird und den Anweisungen im Kranialnavigationssystem folgt, um ein neues Instrument auf dem Feld zu registrieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 2 . Präoperative funktionelle MRT und Diffusion Tensor Imaging (DTI) bei Patient AH mit einem linken minderwertigen parietalen Gliom, das den arcuate fasciculus infiltrierte. (A) Präoperative T1 MRT und 3D-Rekonstruktion des linken Arcuate Fasciculus und Gliom. Der arcuate fasciculus wird in Orange an einer 5%-Schwelle gezeigt, wobei der Tumor blau rekonstruiert wird. (B) Voroperative funktionelle MRT. Der Patient absolvierte mehrere Sitzungen der funktionellen MRT, die jeweils entworfen wurden, um eine Funktion abzubilden, die voraussichtlich an den Bereich des chirurgischen Eingriffs angrenzen würde. Alle Karten sind mit FDR q < .05 oder besser belaufen. In blau sind Voxel, die differentiale neuronale Reaktionen aufweisen, wenn Werkzeuge im Vergleich zu Tieren benannt werden; im Einklang mit früheren Studien aus unserem Labor mit den gleichen Reizen, wird ein robustes Netzwerk identifiziert, das prämotorische, parietale und laterale und ventrale temporale Bereiche7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Der Patient wurde auch gebeten, eine Numerositätsaufgabe durchzuführen, bei der er beurteilen musste, welche von zwei Wolken von Punkten mehr Punkte hatte; Die beiden Punktwolken könnten entweder eine ähnliche Anzahl von Punkten (harter Vergleich, Verhältnis = 0,8) oder sehr unterschiedliche Punktzahlen (einfacher Vergleich, Verhältnis = 0,25) aufweisen. In grün sind Voxel, die differentiale neuronale Reaktionen aufweisen, wenn die Aufgabe über harte Verhältnis Reize (Verhältnis = .8) im Vergleich zu einfachen Reizen (Verhältnis = 0,25 54,55). Der Patient wurde auch gebeten, seine Hände und Füße zu bewegen (entweder Flex/Verlängerung oder drehen25). In Rot sind Voxel, die differentiale neuronale Reaktionen auf Bewegungen der rechten Hand im Vergleich zu Bewegungen des rechten Fußes zeigten. Schließlich wurde der Patient gebeten, so viele Gegenstände zu erzeugen, wie er sich in 30 Sekunden aus verschiedenen Kategorien vorstellen konnte (z. B. “Dinge, die du in der Küche machst”, “Tiere”, Wörter, die mit “F” usw. beginnen). In lila sind Voxel, die differentiale neuronale Aktivität für die unbedenkliche Wortproduktion im Vergleich zu Fixierung/Ruhe zeigten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 3 . Voroperative weiße Materie-Traktographie des Frontal Aslant Tract und angrenzender u-förmiger Fasern. Vorherige Erfahrungen im Programm für Translationale Gehirnkartierung (Chernoff et al., 201756) mit Hirnkartierung bei Patienten mit Gliomen neben dem frontalen Aslanttrakt zeigten, dass (auch teilweise) Transektion dieses Weges zugeordnet werden kann mit Dysfluencies in spontaner Sprache, während Wiederholung der gesprochenen Sprache intakt bleiben kann. Diese vorige Erfahrung wurde verwendet, um die präoperative Kartierung des frontalen Aslanttraktes bei Patient AI11zu informieren. (A) Koronale Scheiben, die den frontalen Aslanttrakt (blau-hellblau) und sie-förmige Fasern (rot-gelb) zeigen. Der frontale Aslanttrakt geht nur vorder und medial an das Gliom vorbei. (B) 3D Rendering von frontalen Aslanttrakt (blau) und Tumor (rot) aus mehreren Perspektiven. Die präoperativen anatomischen Studien (Panels A und B) zeigten, dass es am Ende der Tumorresektion möglich wäre, den vorderen Rand des Tumors mittels direkter elektrischer Stimulationskartierung zu definieren. So haben wir eine neue Sprachaufgabe auf der Grundlage unserer bisherigen Erfahrungen entworfen, um zu testen, ob die Stimulation des frontalen Aslanttraktes die Satzproduktion an den Grenzen grammatikalischer Phrasen stört. (C) Direkte elektrische Stimulation des frontalen Aslanttraktes stört die Satzproduktion differenziell an den Grenzen grammatikalischer Phrasen. Der Screenshot (Panel C, links) aus dem Video zeigt den Patienten, den Stimulus, mit dem er vorgestellt wurde, die Hand des Chirurgen, der den bipolaren Stimulator in Kontakt mit dem frontalen Aslanttrakt am vorderen Rand des Tumors hält, und die Lage in koronalen und sagittale Scheiben der aktuellen Stimulationsposition (roter Punkt) in Bezug auf den frontalen Aslanttrakt (blau). Die Aufgabe des Patienten bestand darin, das räumliche Verhältnis der Zielform in Bezug auf die Position einer Bezugsform zu beschreiben (für die gezeigte Studie wäre die richtige Antwort: “Das rote Quadrat befindet sich unter dem roten Diamanten”). Wir fanden heraus, dass die Stimulation des frontalen Aslanttraktes die Satzproduktion störte, und zwar differenziert zu Beginn neuer grammatikalischer Phrasen (Panel C, Graph rechts; für Video des intraoperativen Kartierungsverfahrens bei diesem Patienten siehe www.openbrainproject.org). Diese Beobachtung motiviert eine neue Hypothese über die Rolle des frontalen Aslanttraktes in der Satzproduktion: die Syntagmatische Constraints on Positional Elements (SCOPE) Hypothese11. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.  Abbildung 4. Voroperative funktionelle und strukturelle MRT und intraoperative direkte elektrische Stimulationskartierung bei einem professionellen Musiker mit einem Gliom im rechten hinteren Temporallappen.(pro) Präoperative fMRI-Zuordnung von hochwertiger visueller Verarbeitung, Sprachproduktion und Werkzeugkenntnissen. Der Tumor, gelb schattiert, befand sich im rechten Temporallappen, sichtbar durch den rechten überlegenen temporalen Sulkus (Sulci leicht erweitert, um die Visualisierung zu erleichtern). Da sich der Tumor in der Nähe von Bewegungsverarbeitungsbereichen im lateralen temporalen Kortex befand, lokalisierten wir MT/V5, indem wir die neuronale Aktivität verglichen, wenn der Patient sich um Arrays beweglicher Punkte mit neuronaler Aktivität kümmerte, die durch stationäre Punkte ausgelöst wurden; Voxel, die differentiale neuronale Reaktionen für Bewegung im Vergleich zu statischen Punkten aufweisen, werden auf der lila-weißen Farbskala dargestellt (wir sind Duje Tadin für die Unterstützung bei der Entwicklung dieses funktionellen Lokalisierers dankbar). Wie bei allen anderen Fällen, die im Programm für Translationale Gehirnkartierung (z. B.Abbildung 2,Abbildung 3), voxel, die differenzielle neuronale Reaktionen für die Benennung gängiger Bilder aufweisen, werden mit einer Basislinie der Anzeige phasenverwobener Versionen derselben Bilder verglichen; Dies wird auf der grün-weißen Farbskala dargestellt. Dieser Kontrast identifizierte bilaterale laterale okzipitale komplexe, bilaterale mittlere /überlegene zeitliche Gyrus und motorischen Kortex (verbunden mit Sprachmotoraktivität). Auch wie inAbbildung 2, Voxel, die differentiale neuronale Reaktionen bei der Benennung von “Werkzeugen” aufweisen, wurden in der linken unterlegenen parietalen Lobule, bilateraler überlegener parietaler/dorsaler okzipitaler Kortex und dem linken hinteren mittleren/unteren zeitlichen Gyrus (blau-weiße Farbskala) gefunden. Schließlich, und wieder wie inAbbildung 2, wurde der Patient gebeten, eine verbale fließende Wortproduktion zu erfüllen. Voxel, die mit der Wortgenerierung im Vergleich zu einer ruhenden Grundlinie assoziiert sind, werden auf der rot-weißen Farbskala dargestellt und wurden im linken unteren frontalen Gyrus (Brocas Bereich), dem überlegenen zeitlichen/minderwertigen parietalen Kortex und dem Sprachmotorsystem gefunden. (B) Der Patient absolvierte mehrere funktionelle MRT-Experimente präoperativ speziell zur Kartierung der Musikverarbeitung. In einem Experiment, modelliert nach vorheriger Arbeit aus Greg Hickoks Labor57, hörte der Patient kurze Klaviermelodien und musste die Melodie zurücksummen, kurze Sätze hören und die Sätze wiederholen. Auf der rot-violetten Farbskala auf dem Gehirn geplottet sind Voxel, die für Musik als für Sprache unterschiedliche neuronale Aktivität zeigten. Vier Studenten der Eastman School of Music Graduate absolvierten das gleiche fMRI-Experiment; Der Rahmen der Region, die für den gleichen funktionalen Kontrast in den übereinstimmenden gesunden Steuerelementen identifiziert wurde, ist in grüner Umrissgeriss dargestellt. Darüber hinaus absolvierten 10 andere Neurochirurgie-Patienten das gleiche Experiment, auch in der präoperativen Phase ihrer Behandlung. Während das nahe Ziel bei diesen 10 Patienten darin bestand, sprachempfindliche Bereiche zu identifizieren (den Kontrast der Sprache > Musik zu beleuchten), identifiziert der Kontrast von musik>Sprache eine sehr ähnliche Region des rechten überlegenen temporalen Gyrus (Grenzen der funktionalen Region aus den 10 Kontroll-Neurochirurgie-Patienten sind hellblau gezeichnet). (c) Präoperative probabilistische Traktographie über DTI-Daten, die die richtigen akustischen Strahlungen und Arcuate Fasciculus in Bezug auf den Tumor des Patienten AE zeigen (5% Schwelle, überlagert auf nativem T2-gewichtetem Bild). (D) Während seiner Operation erfüllte der Patient AE die gleiche Aufgabe wie während der fMRI, bei der er kurze Klaviermelodien hören und sie zurücksummen musste, oder einen kurzen Satz und wiederholte sie zurück. Es wurde festgestellt, dass die direkte elektrische Stimulation des rechten hinteren oberen zeitlichen Gyrus die Leistung in der Wiederholungsaufgabe störte, wenn sie über Melodien (für einige Versuche) vorgetragen wurde, aber die Leistung (bei irgendwelchen Versuchen) für die gleiche Wiederholungsaufgabe nicht beeinflusste. über Sätze (siehe www.openbrainproject.org für Videos von intraoperativer Musik-Mapping).Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 5 . Demonstration der domänenspezifischen Diaschese: Analyse des Verhältnisses von Läsionsort und Stimulus-entlöster neuronaler Aktivität über eine Gruppe von Gliom-Patienten, die im Programm für Translational Brain präoperativ untersucht wurden. Eine wichtige Folge der Verabreichung eines gemeinsamen Satzes funktioneller MRT- und Verhaltensstudien für alle Patienten, die das Programm für Translational Brain Mapping am University of Rochester Medical Center durchlaufen, ist die Möglichkeit, Gruppen-Level durchzuführen. Analysen an größeren Gruppen nacheinander untersuchter Patienten. Als Beispiel zeigt Abbildung 5 die Ergebnisse eines Tests der grundlegenden wissenschaftlichen Hypothese, dass neuronale Reaktionen auf “Werkzeuge” im temporalen Lappen online durch Eingaben aus parietalen Kortex moduliert werden. Wenn diese Hypothese richtig ist, sollten Läsionen (Tumoren) im parietalen Kortex die neuronalen Reaktionen im temporalen Lappen zu “Werkzeugen” verändern, und die Varianz zwischen Patienten in der neuronalen Aktivität zu “Werkzeugen” im temporalen Lappen sollte mit dem Vorhandensein von Läsionen korreliert werden ( Tumoren) in parietaler Kortex. (A) Läsionen zum parietalen Kortex werden auf Gruppenebene (logistische Regression) von der Varianz zwischen Patienten in neuronalen Reaktionen im medialen fusiforlen Gyrus auf der ventralen Oberfläche des Temporallappens vorhergesagt. (B) Neuronale Reaktionen auf Werkzeuge im medialen fusiforme Gyrus werden auf Gruppenebene vorhergesagt (logistische Regression) aus der Varianz, ob Läsion/Tumor den vorderen Intraparietalen Sulcus (aIPS) beinhaltet. Die in den Panels A und B zusammengefassten Ergebnisse stellen eine Instanz dynamischer Diaschese53dar, in diesem Fall “domänenspezifische” dynamische Diaschese, da das Verhältnis von Läsionsort und neuronaler Aktivität durch die Art des zu verarbeitenden Stimulus moduliert wird ( d.h. die Beziehung ist für Werkzeuge vorhanden, und nicht für Orte, Gesicht oder Tiere)-für alle Details siehe Garcea und Kollegen14. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.