Переводное картирование мозга в Медицинском центре Университета Рочестера: Сохранение разума с помощью персонализированного картирования мозга

Рисунок 2, Рисунок 3, и Рисунок 4 настоящее представление результатов предоперационного функционального и структурного картирования для трех пациентов с опухолями, которые были рядом с красноречивыми областями мозга. Выводы, показанные на рисунке 2, Рисунок 3, и рисунок 4 предназначены для иллюстративных (а не исчерпывающее резюме) типов карт, которые генерируются для каждого пациента. Подробная информация о случаях, представленных на рисунке 2, Рисунок 3, и рисунок 4 можно найти в: Рисунок 2 (Чернофф, Teghipco, Гарсеа, Sims, Belkhir, Пол, Тиварус, Смит, Hintz, Pilcher, Махон, в прессе51), Рисунок 3 (Чернофф, Симс, Смит, Пилчер и Махон, 201952), и рисунок 4 (Garcea et al., 201716). Важным последствием последовательного набора пациентов с глиомой в единый протокол является то, что он делает возможным групповой анализ, который оценивает влияние опухолей головного мозга на функцию и организацию сети. В качестве примера такого рода анализов, Рисунок 5 представляет результаты недавнего исследования 14, которые обнаружили, что опухоли в левой теменной коре модулированных нейронных реакций на “инструменты” (небольшие манипулируемые объекты) в височной доле, экземпляр более общее явление, называемое динамическим диашезом53. Рисунок 1. Обзор оборудования, используемого для экстра-оперативного и внутриоперационного когнитивного тестирования. (A) Пример установки для высокой через положить когнитивных нейропсихологических испытаний, как осуществляется в рамках программы для трансляционного мозга Картирование в департаменте нейрохирургии в Университете Рочестера медицинский центр. Ключевые элементы для обеспечения того, чтобы все набранные пациенты могли завершить все запланированные тесты включают в себя: i) место для пациентов, чтобы сидеть и завершить тестирование, которое полностью регулируется размер каждого пациента, в том числе стул, специально предназначенный для сокращения усталость, и ii) размещение когнитивных / поведенческих испытаний физически примыкают к МРТ. Эти элементы позволяют пациентам посетить учреждение и завершить их функциональной и структурной МРТ в течение той же сессии, как основные поведенческие данные измеряются. Участники завершают больше испытаний с более высокой производительностью, если они удобны, особенно для пожилых групп участников с другими сопутствующими делами, которые могут сделать сидение в течение длительных периодов неудобно. (B) Оборудование, используемое во время внутриоперационного картирования. Изображение слева показывает пациента, прежде чем драпированные (справа после драпировки). Перед драпировкой команда когнитивных наук устанавливает свое оборудование, включая аудио- и видеорегистраторы пациента, монитор, расположенный перед линией зрения пациента, и второй монитор, расположенный так, что человек, работающий с пациентом, может легко увидеть стимул, на котором пациент в настоящее время ищет (см. “Процедура” для деталей). (C) Биполярный стимулятор с регистрацией звезды прилагается к записи места внутриоперационной стимуляции в предоперационном пространстве МРТ DICOM. Обычно в момент операции, в которой dura был отозван и пациент в настоящее время проснулся от общей анестезии, Есть несколько минут, в которых для регистрации биполярного стимулятора на поле. Это должно быть сделано членом команды, который очищается в случае (т.е., либо посещать или резидентов хирургили или скраб технологий / медсестра). Это достигается путем присоединения небольшой звезды регистрации к биполярному стимулятору и следуя инструкциям в системе навигации черепа для регистрации нового инструмента на поле. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 2 . Предоперационная функциональная МРТ и диффузионная тензорная визуализация (DTI) у пациента AH с левой нижней теменной глиомой, которая проникла в оргуатный фасцикулус. ()Предоперационная T1 МРТ и 3D реконструкция левого аркуата фасцикулус и глиома. Аркуат ный фасцикул показывается оранжевым цветом на 5% пороге с опухолью, реконструироватой синим цветом. (B) Предоперационная функциональная МРТ. Пациент завершил несколько сеансов функциональной МРТ, каждый из которых был разработан для картирования функции, которая, как ожидается, будет примыкать к области хирургического вмешательства. Все карты имеют порог овое значение на FDR q q lt; .05 или лучше. В синий voxels, которые демонстрируют дифференциальные нейронные реакции при именования инструментов по сравнению с животными; в соответствии с предыдущими исследованиями из нашей лаборатории с использованием тех же стимулов, надежная сеть определяется с участием премоторных, теменной, а также боковой и вентральной височной области7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. Пациенту также было предложено выполнить задачу нумерочинии, в которой он должен был судить, в каком из двух облаков точек было больше точек; две облака точек могут иметь одинаковое количество точек (жесткое сравнение, соотношение 0,8), либо очень разные числа точек (легкое сравнение, соотношение 0,25). В зеленом цвете являются воксели, которые демонстрируют дифференциальные нейронные реакции при выполнении задачи по жестким стимулам соотношения (коэффициент .8) по сравнению с легкими стимулами (коэффициент .25 54,55). Пациенту также было предложено пошевелить руками и ногами (либо сгибаться/расширение, либо вращать25). В красном цвете находятся воксели, которые демонстрируют дифференциальные нейронные реакции на движения правой руки по сравнению с движениями правой ноги. Наконец, пациенту было предложено создать как можно больше предметов, как он мог думать о в 30 секунд из различных категорий (например, “вещи, которые вы делаете на кухне”, “животные”, слова, которые начинаются с “F” и т.д.). В фиолетовый являются voxels, которые выставлены дифференциальной нейронной активности для явных слов производства по сравнению с фиксацией / отдых. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 3 . Предоперационная трактография белого вещества фронтального Аслантского тракта и прилегающих u-образных волокон. Предыдущий опыт работы в программе трансляционного картирования мозга (Chernoff et al., 201756) с картированием мозга у пациентов с глиомами, прилегающими к фронтальной наклонной тракту, показал, что (даже частичный) трансекция этого пути может быть связана с дисфлюенциями в спонтанной речи, в то время как повторение разговорного языка может оставаться нетронутым. Этот предыдущий опыт был использован для информирования предоперационного картирования лобного аклонного тракта у пациента ИИ11. (A) Корональные ломтики, показывающие фронтальный аклонный тракт (сине-голубой) и вы-формы волокон (красно-желтый). Фронтальный аклонный тракт проходит только переднюю и медиальную к глиоме. (B) 3D Рендеринг фронтального аклонного тракта (синий) и опухоли (красный) с разных точек зрения. Предоперационные анатомические исследования (панели A и B) показали, что в конце резекции опухоли можно будет определить переднюю маржу опухоли с помощью прямого картирования электрической стимуляции. Таким образом, мы разработали новую языковую задачу, основанную на нашем предыдущем опыте, в частности, чтобы проверить, является ли стимуляция лобного асланного тракта нарушена производство предложения на границах грамматических фраз. (C) Прямая электрическая стимуляция фронтального аклонного тракта нарушает производство предложения дифферепрециально на границах грамматических фраз. На скриншоте (панель C, слева) из видео показан пациент, стимул, с которым он был представлен, рука хирурга, держащего биполярный стимулятор в контакте с фронтальным аклентным трактом на передней окраине опухоли, и расположение в корональном и сагиттальные ломтики текущего местоположения стимуляции (красная точка) по отношению к фронтальной наклонной тракта (синий). Задача пациента состояла в том, чтобы описать пространственное отношение целевой формы по отношению к расположению эталонной формы (для показанного испытания, правильный ответ будет: “Красный квадрат ниже красного алмаза”). Мы обнаружили, что стимуляция фронтального асланного тракта нарушила производство предложения, и дифференциально так в начале новых грамматических фраз (Панель C, график справа; для видео внутриоперационной процедуры картирования у этого пациента, см. www.openbrainproject.org). Это наблюдение мотивирует новую гипотезу о роли фронтального аклонного тракта в производстве предложения: Синтагматические ограничения на позиционные элементы (SCOPE) гипотеза11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.  Рисунок 4. Предоперационная функционально-структурная МРТ и интраоперационная прямая электрическая стимуляция отображение у профессионального музыканта с глиомой в правой задней височной доле.(A) Предоперационное мРТ отображение высококачественной визуальной обработки, языкового производства и знаний инструментов. Опухоль, затененный желтый, был в правой височной доле, видимой через правую высшую височную sulcus (sulci слегка расширена для облегчения визуализации). Поскольку опухоль находилась близко к зонам обработки движения в боковой височной коре, мы локализовали MT/V5, сравнивая нейронную активность, когда пациент посещал массивы движущихся точек к нейронной активности, вызванной стационарными точками; воксели, демонстрирующие дифференциальные нейронные реакции для движения по сравнению со статической точкой, построены по фиолетово-белой цветовой шкале (мы благодарны Duje Tadin за помощь в разработке этого функционального локализатора). Что касается всех других случаев, изученных в Программе трансляционного картирования мозга (например,Рисунок 2,Рисунок 3), воксели, демонстрирующие дифференциальные нейронные реакции для именования общих изображений, сравниваются с базовыми версиями одноименного обзора фазовых версий одних и тех же изображений; это построено на зелено-белой цветовой шкале. Этот контраст определил двусторонний боковой затылочной комплекс, двустороннюю среднюю/высшую височную извилину и моторную кору (связанную с речевой двигательной активностью). Также как вРисунок 2, воксели, демонстрирующие дифференциальные нейронные реакции при наименовании «инструментов» были найдены в левой нижней теменной лобуле, двусторонней верхней теменной/дорсальной затылочной коре, и левой задней средней/нижней височной извилисне (сине-белая цветовая шкала). Наконец, и снова, как вРисунок 2, пациент попросил, чтобы завершить устное беглое слово производства задачи. Воксели, связанные с генерацией слов по сравнению с исходной линией отдыха, построены по красно-белой цветовой шкале и были найдены в левой нижней лобной извилине (область Брока), верхней височной/нижней теменной коре и речевой моторной системе. (B) Пациент завершил несколько функциональных экспериментов МРТ предварительно оперативно специально для картобработки музыки. В одном эксперименте, смоделированный после предыдущей работы из лаборатории Грега Хикока57, пациент услышал короткие мелодии фортепиано и должен был напевать мелодию обратно, или слышал короткие предложения и должен был повторить предложения обратно. На мозгнах по красно-фиолетовой цветовой гамме выставляются воксели, которые демонстрируют дифференциальную нейронную активность для музыки, чем для языка. Четыре Истман ской музыкальной школы аспирантов завершили тот же эксперимент МРТ; граница региона, идентифицированная для того же функционального контраста в соответствующих здоровых элементах управления, построена зеленым контуром. Кроме того, 10 других нейрохирургических пациентов завершили тот же эксперимент, также в предоперационной фазе их лечения. В то время как рядовая цель в этих 10 пациентов состояла в том, чтобы определить языковые области (thorugh контраст языка и музыки), контраст музыки »язык определяет очень похожую область правой верхней височной извилины (границы функциональной области из 10 пациентов контроля нейрохирургии обращается в светло-голубой). (C) Предоперационная вероятностная трактография по данным DTI, показывающим правильные акустические излучения и аркуатный фасцикул усом по отношению к опухоли пациента АЕ (5% порог, наложенный на родной T2-взвешенное изображение). (D) Во время операции, пациент А.Е. выполняетту ту же задачу, что и во время МРТ, в которой он должен был слушать короткие фортепианные мелодии и напыгнет их обратно, или короткое предложение и повторить его обратно. Было установлено, что прямая электрическая стимуляция в правой задней верхней височной извилины нарушили производительность в повторении задачи при выполнении над мелодиями (для некоторых испытаний), но не влияет на производительность (на любых испытаниях) для той же задачи повторения выполняется над предложениями (см. www.openbrainproject.org видео внутриоперационного музыкального картирования).Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 5 . Демонстрация домено-специфического диачеси: Анализ связи расположения поражения и стимулирующей нейронной активности в группе пациентов с глиомой, изученных предварительно в Программе перевода мозга. Важным последствием введения общего набора функциональных МРТ и поведенческих исследований для всех пациентов, которые проходят через программу трансляционного картирования мозга в Университете Рочестера медицинский центр является возможность проведения группового уровня анализы на более крупных наборах последовательно изученных пациентов. В качестве примера, На рисунке 5 показаны результаты теста гипотезы фундаментальной науки о том, что нейронные реакции на “инструменты” в височной доле модулируются онлайн входами из теменной коры. Если эта гипотеза верна, то поражения (опухоли) в теменной коре должны изменять нервные реакции в височной доле на “инструменты”, а дисперсия между пациентами в нервной активности к “инструментам” в височной доле должна быть коррелирована с наличием поражений ( опухолей) в теменной коре. (A) Поражения теменной коры прогнозируются на групповом уровне (логистическая регрессия) от дисперсии между пациентами в нейронных реакциях в медиальной фузиформной извилине на брюшной поверхности височной доли. (B) Нейронные ответы на инструменты в медиаальной фузиформной извилине прогнозируются на групповом уровне (логистическая регрессия) от дисперсии в том, поражения / опухоли включает в себя передние Intraparietal Sulcus (aIPS). Выводы, обобщенные в группах A и B представляют собой пример динамического диашеза53, в данном случае “домен-специфический” динамический диачеси, потому что отношение место поражения к нейронной активности модулируется тип стимула обрабатываются ( т.е. отношение присутствует для инструментов, а не для мест, лица или животных) – для полной информации см Гарсеа и коллеги14. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.