Asignación de cerebro traslacional en el Centro Médico de la Universidad de Rochester: Preservar la mente a través de la asignación cerebral personalizada

Figura 2, Figura 3y Figura 4 presentan resultados representativos de mapeo funcional y estructural preoperatorio para tres pacientes con tumores adyacentes a regiones elocuentes del cerebro. Los hallazgos que se muestran en la Figura 2, la Figura 3y la Figura 4 están destinados a ser ilustrativos (en lugar de un resumen exhaustivo) de los tipos de mapas que se generan para cada paciente. Los detalles sobre los casos presentados en la Figura 2, Figura 3, y Figura 4 se pueden encontrar en: Figura 2 (Chernoff, Teghipco, Garcea, Sims, Belkhir, Paul, Tivarus, Smith, Hintz, Pilcher, Mahon, en la prensa51), Figura 3 (Chernoff, Sims, Smith, Pilcher y Mahon, 201952), y Figura 4 (Garcea et al., 201716). Una consecuencia importante del reclutamiento consecutivo de pacientes con glioma en un protocolo uniforme es que hace posibles análisis a nivel de grupo que evalúan el efecto de los tumores cerebrales en la función y organización de la red. Como ejemplo de este tipo de análisis, la Figura 5 presenta los resultados de un estudio reciente 14 que encontró que los tumores en la corteza parietal izquierda modulan las respuestas neuronales a las “herramientas” (pequeños objetos manipulables) en el lóbulo temporal, una instancia de un fenómeno más general conocido como diaschésis dinámica53. Figura 1. Descripción general del equipo utilizado para pruebas cognitivas extraoperatorias e intraoperatorias. (A) Ejemplo de configuración para pruebas neuropsicológicas cognitivas de alta a través de poner según lo implementado por el Programa de Cartografía Cerebral Traslacional en el Departamento de Neurocirugía en el Centro Médico de la Universidad de Rochester. Los elementos clave para garantizar que todos los pacientes reclutados puedan completar todas las pruebas planificadas incluyen: i) un lugar para que los pacientes se sientan y completen las pruebas que sean totalmente ajustables al tamaño de cada paciente, incluyendo una silla diseñada específicamente para reducir fatiga, y ii) localizando pruebas cognitivas/conductuales físicamente adyacentes a la RMN. Estos elementos permiten a los pacientes visitar la instalación y completar su resonancia magnética funcional y estructural dentro de la misma sesión a medida que se miden los datos de comportamiento principales. Los participantes completan más ensayos con un mejor rendimiento si se sienten cómodos, especialmente para las poblaciones de participantes mayores con otras comorbilidades que pueden hacer que sentarse durante períodos prolongados sea incómodo. (B) Equipo utilizado durante la cartografía intraoperatoria. La imagen de la izquierda muestra a un paciente antes de ser cubierto (la derecha es después de la cubierta). Antes de cubrir, el equipo de ciencia cognitiva configura su equipo, incluyendo grabadoras de audio y video del paciente, un monitor colocado frente a la línea de visión del paciente, y un segundo monitor posicionado para que la persona que trabaja con el paciente pueda fácilmente ver el estímulo en el que el paciente está buscando actualmente (ver ‘Procedimiento’ para más detalles). (C) Estimulador bipolar con estrella de registro adjunta a ubicaciones récord de estimulación intraoperatoria en el espacio preoperatorio de MRI DICOM. Por lo general, en el punto de la cirugía en el que la dura se ha retraído y el paciente está siendo despertado de la anestesia general, hay unos minutos en los que registrar el estimulador bipolar en el campo. Esto debe ser hecho por un miembro del equipo que es borrado en el caso (es decir, asistir o cirujano residente o un técnico de exfoliación / enfermera). Se logra adjuntando una pequeña estrella de registro al estimulador bipolar y siguiendo las instrucciones en el sistema de navegación craneal para registrar un nuevo instrumento sobre el terreno. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2 . Resonancia magnética funcional preoperatoria e imágenes de tensor de difusión (DTI) en el paciente AH con un glioma parietal inferior izquierdo que se infiltró en el fascículo arcuado. (A) Reconstrucción preoperatoria t1 de RMN y reconstrucción 3D del fascículo arcado izquierdo y glioma. El fascículo arcuado se muestra en naranja en un umbral del 5% con el tumor reconstruido en azul. (B) RMN funcional preoperatoria. El paciente completó varias sesiones de resonancia magnética funcional que fueron diseñadas para mapear una función que se preveía que era adyacente al área de intervención quirúrgica. Todos los mapas están umbral en FDR q < .05 o superior. En azul hay vóxeles que exhiben respuestas neuronales diferenciales al nombrar herramientas en comparación con los animales; en línea con estudios previos de nuestro laboratorio utilizando los mismos estímulos, se identifica una red robusta que involucra áreas premotoras, parietales y temporales laterales y ventrales7,8,9,10, 14,15,17,18,19,20,21,22,28. También se le pidió al paciente que llevara a cabo una tarea de numerosidad en la que tenía que juzgar cuál de las dos nubes de puntos tenía más puntos; las dos nubes de puntos podrían tener un número similar de puntos (comparación dura, relación 0,8) o números muy diferentes de puntos (comparación fácil, relación a 0,25). En verde hay vóxeles que exhiben respuestas neuronales diferenciales al llevar a cabo la tarea sobre estímulos de relación dura (relación .8) en comparación con los estímulos fáciles (relación .25 54,55). También se le pidió al paciente que moviera las manos y los pies (ya sea flex/extension o rotar25). En rojo hay vóxeles que presentaban respuestas neuronales diferenciales a los movimientos de la mano derecha en comparación con los movimientos del pie derecho. Por último, se le pidió al paciente que generara tantos elementos como se le ocurra en 30 segundos de varias categorías (por ejemplo, “cosas que se hacen en la cocina”, “animales”, palabras que comienzan con ‘F’, etc.). En púrpura hay vóxeles que exhibieron actividad neuronal diferencial para la producción de palabras indecisos en comparación con la fijación/descanso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3 . Tracto de materia blanca preoperatoria del tracto aslante frontal y fibras adyacentes en forma de U. Experiencia previa en el Programa de Cartografía Cerebral Traslacional (Chernoff et al., 201756) con mapeo cerebral en pacientes con gliomas adyacentes al tracto aslante frontal demostró que la transección (incluso parcial) de esta vía puede estar asociada con disfluencias en el habla espontánea, mientras que la repetición del lenguaje hablado puede permanecer intacta. Esa experiencia previa se utilizó para informar el mapeo preoperatorio del tracto de aslant frontal en el paciente AI11. (A) Rebanadas coronales que muestran el tracto de aslación frontal (azul claro azul) y las fibras en forma de usted (rojo-amarillo). El tracto de alant frontal pasa justo antes y medial al glioma. (B) Representación 3D del tracto aslante frontal (azul) y tumor (rojo) desde múltiples perspectivas. Los estudios anatómicos preoperatorios (Paneles A y B) indicaron que al final de la resección tumoral, sería posible definir el margen anterior del tumor mediante la cartografía directa de la estimulación eléctrica. Por lo tanto, diseñamos una nueva tarea de lenguaje basada en nuestra experiencia previa, específicamente para probar si la estimulación del tracto de aslant frontal interrumpió la producción de oraciones en los límites de las frases gramaticales. (C) La estimulación eléctrica directa del tracto de aslación frontal interrumpe la producción de oraciones diferencialmente en los límites de las frases gramaticales. La captura de pantalla (Panel C, izquierda) del video muestra al paciente, el estímulo con el que se le presentó, la mano del cirujano sosteniendo el estimulador bipolar en contacto con el tracto de alante frontal en el margen anterior del tumor, y la ubicación en coronal y rebanadas sagital de la ubicación actual de estimulación (punto rojo) en relación con el tracto de aslante frontal (azul). La tarea del paciente era describir la relación espacial de la forma objetivo en relación con la ubicación de una forma de referencia (para el ensayo mostrado, la respuesta correcta sería: “El cuadrado rojo está por debajo del diamante rojo”). Encontramos que la estimulación del tracto de aslant frontal interrumpió la producción de oraciones, y diferencialmente al comienzo de nuevas frases gramaticales (Panel C, gráfico a la derecha; para el video del procedimiento de mapeo intraoperatorio en este paciente, ver www.openbrainproject.org). Esta observación motiva una hipótesis novedosa sobre el papel del tracto de aslant frontal en la producción de oraciones: las restricciones sintagmáticas sobre los elementos posicionales (SCOPE) hipótesis11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.  Figura 4. Rmn funcional y estructural preoperatoria y mapeo de estimulación eléctrica directa intraoperatoria en un músico profesional con un glioma en el lóbulo temporal posterior derecho.(Un) Mapeo fMRI preoperatorio del procesamiento visual de alto nivel, la producción del lenguaje y el conocimiento de las herramientas. El tumor, de color amarillo sombreado, estaba en el lóbulo temporal derecho, visible a través del sulcus temporal superior derecho (sulci ligeramente expandido para facilitar la visualización). Debido a que el tumor se encontraba cerca de áreas de procesamiento de movimiento en la corteza temporal lateral, localizamos MT/V5 comparando la actividad neuronal cuando el paciente atendió a matrices de puntos en movimiento a la actividad neuronal provocada por puntos estacionarios; Los vóxeles que exhiben respuestas neuronales diferenciales para el movimiento en comparación con los puntos estáticos se trazan en la escala de color púrpura-blanco (estamos agradecidos a Duje Tadin por su ayuda con el desarrollo de este localizador funcional). En cuanto a todos los demás casos estudiados en el Programa de Cartografía Cerebral Traslacional (por ejemplo,Figura 2,Figura 3), los vóxeles que presentan respuestas neuronales diferenciales para nombrar imágenes comunes se comparan con una línea de base de visualización de versiones codificadas por fases de las mismas imágenes; esto se traza en la escala de color verde-blanco. Ese contraste identificó el complejo occipital lateral bilateral, el génóxido temporal medio/superior bilateral y la corteza motora (asociado con la actividad motora del habla). También como enFigura 2, los vóxeles que presentaban respuestas neuronales diferenciales al nombrar “herramientas” se encontraron en el lóbulo parietal inferior izquierdo, la corteza parietal/dorsal occipital superior bilateral y el gisro temporal medio/inferior inferior izquierdo (escala de color azul-blanco). Finalmente, y de nuevo como enFigura 2, se le pidió al paciente que completara una tarea de producción de palabras de fluidez verbal. Los voxeles asociados con la generación de palabras en comparación con una línea de base en reposo se trazan en la escala de color rojo-blanco y se encuentran en el géresor frontal inferior izquierdo (área de Broca), corteza parietal temporal/inferior superior y el sistema motor del habla. (B) El paciente completó múltiples experimentos de RMN funcionales preoperatoriamente específicamente para mapear el procesamiento de música. En un experimento, modelado después del trabajo previo del laboratorio de Greg Hickok57, el paciente oyó melodías cortas de piano y tuvo que tararear la melodía, u oyó frases cortas y tuvo que repetir las oraciones. Trazados en el cerebro en la escala de color rojo-púrpura son vóxeles que exhibieron actividad neuronal diferencial para la música que para el lenguaje. Cuatro estudiantes de Eastman School of Music Graduate completaron el mismo experimento de fMRI; el borde de la región identificada para el mismo contraste funcional en los controles saludables coincidentes se traza en el contorno verde. Además, otros 10 pacientes de neurocirugía completaron el mismo experimento, también en la fase preoperatoria de su tratamiento. Mientras que el objetivo aproximado en esos 10 pacientes era identificar áreas sensibles al idioma (a través del contraste de la música > del lenguaje), el contraste de la música>lenguaje identifica una región muy similar del giso temporal superior derecho (fronteras de la 10 pacientes de neurocirugía de control se dibujan en azul claro). (C) Tractoprográfico probabilístico preoperatorio sobre datos DTI que muestren las radiaciones acústicas correctas y el fascículo arcuado en relación con el tumor del paciente AE (umbral del 5%, superpuesto en la imagen ponderada en T2 nativa). (D) Durante su cirugía, el paciente AE realizó la misma tarea que durante la fMRI en la que tuvo que escuchar melodías cortas de piano y tararearlas, o una frase corta y repetirla. Se encontró que la estimulación eléctrica directa al giso temporal superior superior posterior derecho interrumpió el rendimiento en la tarea de repetición cuando se realizó sobre melodías (para algunos ensayos), pero no afectó al rendimiento (en ninguna prueba) para la misma tarea de repetición sobre frases (ver www.openbrainproject.org para videos de mapeo de música intraoperatoria).Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5 . Demostración de la diaschesis específica del dominio: Análisis de la relación entre la ubicación de la lesión y la actividad neuronal provocada por estímulos en un grupo de pacientes de glioma estudiados preoperatoriamente en el Programa para el Cerebro Traslacional. Una consecuencia importante de la administración de un conjunto común de resonancias magnéticas funcionales y estudios conductuales a todos los pacientes que pasan por el Programa de Cartografía Cerebral Traslacional en el Centro Médico de la Universidad de Rochester es la oportunidad de llevar a cabo estudios de grupo análisis de grupos más grandes de pacientes estudiados consecutivamente. Como ejemplo, la Figura 5 muestra los resultados de una prueba de la hipótesis científica básica de que las respuestas neuronales a las “herramientas” en el lóbulo temporal se modulan en línea mediante entradas de corteza parietal. Si esa hipótesis es correcta, las lesiones (tumores) en la corteza parietal deben alterar las respuestas neuronales en el lóbulo temporal a “herramientas”, y la varianza entre los pacientes en la actividad neuronal a las “herramientas” en el lóbulo temporal debe estar correlacionada con la presencia de lesiones ( tumores) en la corteza parietal. (A) Las lesiones a la corteza parietal se predicen a nivel de grupo (regresión logística) a partir de la varianza entre los pacientes en las respuestas neuronales en el giso fusiforme medial en la superficie ventral del lóbulo temporal. (B) Las respuestas neuronales a las herramientas del gros fusiforme medial se predicen a nivel de grupo (regresión logística) a partir de la varianza en si la lesión/tumor implica el sulcus intraparietal anterior (aIPS). Los hallazgos resumidos en los grupos especiales A y B representan un caso de diaschesis dinámica53, en este caso diaschesis dinámica ‘específica del dominio’, porque la relación entre la ubicación de la lesión con la actividad neuronal se modula por el tipo de estímulo que se está procesando ( es decir, la relación está presente para las herramientas, y no para lugares, cara o animales)-para todos los detalles ver Garcea y colegas14. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.