Navigert repeterende transkraniell magnetisk stimulering er et svært effektivt ikke-invasivt verktøy for kartlegging av talerelaterte kortikale områder. Det hjelper i utformingen av hjernekirurgi og fremskynder direkte kortikal stimulering utført under operasjonen. Denne rapporten beskriver hvordan man utfører talekortikal kartlegging på en pålitelig måte for preoperativ evaluering og forskning.
De kortikale områdene som er involvert i menneskelig tale, bør karakteriseres pålitelig før kirurgi for hjernesvulster eller medikamentresistent epilepsi. Den funksjonelle kartleggingen av språkområder for kirurgisk beslutningstaking gjøres vanligvis invasivt ved elektrisk direkte kortikal stimulering (DCS), som brukes til å identifisere organisasjonen av de avgjørende kortikale og subkortikale strukturer i hver pasient. Nøyaktig preoperativ ikke-invasiv kartlegging hjelper kirurgisk planlegging, reduserer tid, kostnader og risiko i operasjonsstuen, og gir et alternativ for pasienter som ikke er egnet for våken kraniotomi. Ikke-invasive bildebehandlingsmetoder som MR, fMRI, MEG og PET brukes for tiden i prekirurgisk design og planlegging. Selv om anatomisk og funksjonell bildebehandling kan identifisere hjernegruppene som er involvert i tale, kan de ikke avgjøre om disse områdene er kritiske for tale. Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) eksiterer ikke-invasivt de kortikale nevronpopulasjonene ved hjelp av elektrisk feltinduksjon i hjernen. Når den brukes i sin repeterende modus (rTMS) for å stimulere et talerelatert kortikalt sted, kan det produsere talerelaterte feil som er analoge med de som induseres av intraoperativ DCS. rTMS kombinert med nevronavigasjon (nrTMS) gjør det mulig for nevrokirurger å preoperativt vurdere hvor disse feilene oppstår og planlegge DCS og operasjonen for å bevare språkfunksjonen. En detaljert protokoll er gitt her for ikke-invasiv talekortikal kartlegging (SCM) ved bruk av nrTMS. Den foreslåtte protokollen kan modifiseres for å passe best mulig til pasient- og stedsspesifikke krav. Det kan også brukes til språkkortikale nettverksstudier hos friske personer eller hos pasienter med sykdommer som ikke er egnet til kirurgi.
Under nevrokirurgi på grunn av cerebral sykdom (f.eks. epilepsi eller svulst), må omfanget av reseksjon optimaliseres for å bevare hjernegrupper som støtter kritiske funksjoner. Områder som er avgjørende for pasientens integritet og livskvalitet, for eksempel språkrelaterte, bør karakteriseres før fjerning av hjernevev. Vanligvis kan de ikke identifiseres individuelt bare basert på anatomiske landemerker1. Den funksjonelle kartleggingen av språkområder for kirurgisk beslutningstaking gjøres vanligvis invasivt ved elektrisk direkte kortikal stimulering (DCS), som gjør det mulig for nevrokirurgen å forstå organiseringen av de avgjørende kortikale og subkortikale strukturer i hver pasient2. Selv om DCS under våken kirurgi regnes som gullstandarden for kortikal kartlegging for talefunksjoner, er det begrenset av dets invasivitet, metodologiske utfordringer og det høye stresset det induserer for både pasienten og det kirurgiske teamet. Denne protokollen beskriver ikke-invasiv talekortikal kartlegging (SCM) ved bruk av navigert transkraniell magnetisk stimulering (navigert TMS eller nTMS). Nøyaktig ikke-invasiv kartlegging hjelpemidler i kirurgisk planlegging, og reduserer tid, kostnader og risiko i operasjonsrommet (OR). Det gir også et alternativ for de pasientene som ikke er egnet for våken kraniotomi3.
Ikke-invasive bildebehandlingsmetoder har allerede hatt stor nytte av prekirurgisk planlegging. Anatomisk magnetisk resonansavbildning (MR) er avgjørende for å lokalisere svulster og hjerneskader; i nevronavigasjon4 og i den navigerte TMS-kartleggingen5, veileder den operatøren til de kortikale stedene av interesse. Diffusjonsbasert MR (dMRI) traktografi gir detaljert informasjon om de hvite substansfiberkanalene som forbinder kortikale regioner 5,6. I løpet av det siste tiåret har funksjonelle avbildningsteknikker, særlig funksjonell MR (fMRI) og magnetoencefalografi (MEG), i økende grad blitt brukt til preoperativ motorisk og talekortikal kartlegging (SCM)2,8,9. Hver metode gir fordeler til den preoperative kartleggingsprosedyren, og kan for eksempel gi informasjon om de funksjonelt relaterte områdene utenfor de konvensjonelle språkområdene (Brocas og Wernickes områder). fMRI har vært den mest brukte metoden1 på grunn av den høye tilgjengeligheten; det har blitt sammenlignet med DCS i lokalisering av talerelaterte områder med variable resultater 2,10. Men selv om funksjonell avbildning kan identifisere de involverte hjernegruppene, kan den ikke avgjøre om disse områdene er kritiske for at funksjonen skal bevares.
Navigert repeterende TMS (nrTMS) brukes i dag som et alternativ til de nevnte metodene for preoperativ ikke-invasiv SCM11,12. nrTMS SCM er spesielt effektiv når det gjelder å identifisere talerelaterte kortikale områder i gyrus inferior frontal (IFG), superior temporal gyrus (STG) og supramarginal gyrus (SMG)11,13. En fordel med metoden er at den frakoblede analysen av feilene fremkalt av stimuleringen gjør at analysatoren ikke er klar over stimuleringsstedet. Det er dermed mulig å bedømme feilen uten a priori informasjon om det kortikale nettstedets relevans for talenettverket. Dette muliggjøres av et videoopptak, som gjør det mulig for analysatoren å skille subtile forskjeller i feil, for eksempel semantisk og fonologisk parafasi, mer pålitelig enn under selve undersøkelsen11,12. nrTMS SCM-tilnærmingen overgår for tiden ytelsen til MEG- eller fMRI-talekartlegging alene10,14, og ytterligere funksjonell eller anatomisk informasjon kan brukes til å finjustere nrTMS-prosedyren. Preoperativ kartlegging med nrTMS har vist seg å forkorte operasjonstiden og redusere den nødvendige størrelsen på kraniotomi og skade på den veltalende cortex15. Det forkorter tiden for sykehusinnleggelse og muliggjør en mer omfattende fjerning av tumorvev, og øker dermed pasientens overlevelse15. nrTMS er validert mot intraoperativ DCS-kartlegging; Spesielt er sensitiviteten til nrTMS i SCM høy, men spesifisiteten forblir lav, med overdreven falske positiver sammenlignet med DCS13,16.
For tiden kan prekirurgisk ikke-invasiv SCM med nrTMS bistå i pasientvalg for operasjon, hjelp til å designe operasjonen og fremskynde DCS utført under operasjonen17. Her gis en detaljert beskrivelse av hvordan nrTMS SCM kan utføres for å oppnå pålitelige talespesifikke resultater. Etter å ha fått praktisk erfaring, kan den foreslåtte protokollen skreddersys for å passe best mulig til pasient- og stedsspesifikke krav. Protokollen kan utvides ytterligere til visse mål, for eksempel taleproduksjon (talearrest)18,19 eller visuelle og kognitive funksjoner20.
Her presenteres en protokoll for nrTMS SCM, som muliggjør praktisk talt fullstendig kortikal ikke-invasiv kartlegging av de viktigste knutepunktene i tale- og språknettverket. Hovedfordelen er at den ikke-invasivt kan simulere DCS-kartleggingen under våken kraniotomi30 eller ekstraoperativt29 (se figur 2). Videre kan det brukes på språkkortikale nettverksstudier hos friske populasjoner31 og hos pasienter med sykdommer som ikke er egnet til kirurgi32. nrTMS for SCM kan også brukes til å utvikle nevrorehabiliteringsstrategier som målvalg (f.eks. etter slag). Induksjon av plastisitet i talerelaterte kortikale representasjoner av DCS før kirurgi er undersøkt33 for å øke omfanget av reseksjon34. Mulighetene for nrTMS SCM i slike studier bør undersøkes.
I de nåværende resultatene ble et relativt stort område, inkludert klassiske talerelaterte områder og pre-SMA, gjentatte ganger stimulert ved tre forskjellige PTIer. Hver PTI viste forskjellig sensitivitet og spesifisitet for feil, men demonstrerte også den velkjente responsvariabiliteten i ikke-invasive hjernestimuleringer35. De fleste feilene ble indusert av stimuleringen av IFG, STG, pre-SMA og langs frontal aslant tract36. Dette fremhever kraften til nrTMS SCM; Spesielt, i forhold til DCS, kan stimuleringen være ganske fleksibelt målrettet mot flere områder. Vi har observert at endring av PTI og opptak av mange økter ikke klart fremskynder reaksjonstidene26,29, noe som ville være forbundet med en læringseffekt.
Protokollen fremhever forskjellige parametere som kan påvirke nøyaktigheten til nrTMS SCM. Resultatene kan være følsomme for valgene som gjøres av TMS-operatøren. Denne artikkelen tar sikte på å gi en standard retningslinje med velprøvde stimuleringsparametere. Høy spesifisitet skyldes et passende valg av flere forskjellige parametere, inkludert ISI, PTI, spoleplassering og rTMS-frekvens. Disse parametrene påvirker spesifisiteten til de induserte feilene, som gjenspeiler funksjonene i de underliggende kortikale områdene; Parametervalget må være basert på gjeldende kunnskap om språkets nevrobiologi.
Bildene for navneoppgaven bør velges slik at de ikke fremkaller feil navngivning av seg selv (tilleggsfigur 1). Her ble bildene valgt fra en standardisert bildebank og kontrollert for ulike navneparametere25,37. For eksempel var utvalget av bilder begrenset til elementer med lignende kompleksitet og frekvens i daglig bruk, samt høy navneavtale. Valget av bilder kan variere basert på behovene til hvert kirurgisk senter38, populasjonen som undersøkes39, morsmålet til det testede forsøkspersonen 40,41 og den brukte oppgaven42. Som presentert i protokollen, er det grunnleggende bildevalget endelig individualisert for hvert emne, da navngivning på stedet er subjektiv.
Stimuleringsfrekvensen må defineres individuelt, fordi den kan bestemme fordelingen av feil under navigert transkraniell magnetisk hjernestimulering43. Det presenterte valget, 4-8 Hz, er basert på rTMS-arbeidet til Epstein et al.44. Den opprinnelige stimuleringsfrekvensen er satt til 5 Hz. Hvis det ikke oppdages feil, økes stimuleringsfrekvensen til 7 Hz. Høyere frekvenser kan redusere nrTMS-indusert smerte og øke spesifisiteten til navnefeil45. Høyere frekvenser har også fordelen av å begrense pulsene til et kort og mer spesifikt tidsintervall. De kan imidlertid påvirke funksjoner knyttet til for eksempel talemotorisk utførelse44,46, som ikke er hovedmålet for denne protokollen.
Det anbefales å variere PTI mellom 150-400 ms. Dette er et viktig tidsvindu for ordhenting under objektnavnoppgaven28,47. Protokollen tar sikte på talespesifisitet ved å unngå forstyrrelser av grunnleggende visuell behandling, som skjer i løpet av de første 150 ms etter bildepresentasjon og kan påvirke objektnavngivning, men er ikke relatert til taleproduksjon. Anbefalt øvre grense for PTI er basert på typiske responsforsinkelser i bildenavn hos samme28,48, og individuell variasjon i optimale verdier mellom forsøkspersoner kan forventes (se figur 1). PTI-seleksjonen bør ideelt sett baseres på personlige tiltak, selv om dette kan være logistisk krevende i en klinisk setting. Protokoller fra Helsingfors universitetssykehus starter vanligvis med en 300 ms PTI. Det kan også være nyttig å endre PTI basert på det stimulerte området12,13,49, som indikert av flere språkstudier28,47,50. Likevel kan PTI utenfor ovennevnte vindu også indusere navnefeil som er nyttige for prekirurgisk evaluering (for en komparativ studie, se Krieg et al.49 ved bruk av PTI på 0-300 ms).
Det kortikale talenettverket er utbredt og varierer mellom individer, spesielt hos pasienter med svulster og epilepsi29,30,39. nrTMS induserer språkforstyrrelser med stor variasjon mellom individer, analogt med de som observeres under våken kraniotomistimulering27,51. Informasjonen hentet fra fMRI50, DTI 52,53,54 og MEG 55 kan lede nTMS-brukeren og resultere i en prosedyre som er skreddersydd for hver enkelt person og dermed er mer spesifikk og nøyaktig. Målet i nrTMS SCM er å øke spesifisiteten, redusere antall ikke-respondere, veilede DCS pålitelig, eller erstatte den når ressursene og forholdene ikke tillater et team av høyt spesialiserte eksperter å utføre det. I fremtiden kan multilocus TMS (mTMS) brukes i prosedyren for å stimulere ulike deler av cortex uten fysisk å bevege stimuleringsspolen56.
Den nåværende protokollen kan utføres med flere typer navneoppgaver42,57 eller andre kognitive oppgaver (beregninger, beslutningstaking, etc.) 58. Videoopptaket kan avsløre viktige trekk ved oppgaveutførelsen (f.eks. grimaser av motivet som indikerer at ingen motorisk talestans induseres) som kan gå uobservert under stimuleringen. Oppsettet gjør det også mulig å spørre subjektet om de nrTMS-induserte opplevelsene og opplevelsene ved å se videoopptaket i fellesskap. Dette kan bidra til å skille smerteinduserte feil fra de sanne effektene av nrTMS. Endelig kan protokollen enkelt endres til forskjellige faggrupper (f.eks. Tospråklige individer31) og for å betjene behovene til hvert kirurgisk eller forskningsteam.
The authors have nothing to disclose.
Pantelis Lioumis har blitt støttet av et HUS VTR-stipend (TYH2022224), Salla Autti av Päivikki og Sakari Sohlberg Foundation, og Hanna Renvall av Paulo Foundation og Academy of Finland (stipend 321460).
Neurology surface electrodes | Ambu A/S | Ambu Neuroline Ground | |
Neurology surface electrodes | Ambu A/S | Ambu Neuroline 720 | |
Off-line speech error analyzer | Nexstim Ltd | NexSpeech 2.1.0 | |
Single patient surface electrode | Ambu A/S | Ambu Neuroline 700 | |
Stimulator | Nexstim Ltd | NBS 4.3 |