Waiting
Traitement de la connexion…

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Дизайн исследования навигационной повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции для картирования коры речи

Published: March 24, 2023 doi: 10.3791/64492
Automatic Translation
1,2, 1,2, 2,3, 1,2,3, 3,5, 4, 3, 2, 1,2, 1,2
1Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Aalto University School of Science, 2BioMag Laboratory, HUS Diagnostic Center, University of Helsinki, Aalto University, and Helsinki University Hospital, 3Department of Clinical Neurophysiology, HUS Diagnostic Center, University of Helsinki and Helsinki University Hospital, 4Department of Neurosurgery, University of Helsinki and Helsinki University Hospital, 5Department of Child Neurology, University of Helsinki and Helsinki University Hospital

Summary

Навигационная повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция является высокоэффективным неинвазивным инструментом для картирования областей коры, связанных с речью. Это помогает в разработке операции на головном мозге и ускоряет прямую стимуляцию коры головного мозга, проводимую во время операции. В этом отчете описывается, как надежно выполнять картирование коры речи для предоперационной оценки и исследований.

Abstract

Области коры, участвующие в человеческой речи, должны быть надежно охарактеризованы до операции по поводу опухолей головного мозга или лекарственно-устойчивой эпилепсии. Функциональное картирование языковых областей для принятия хирургических решений обычно выполняется инвазивно с помощью прямой электрической стимуляции коры головного мозга (DCS), которая используется для идентификации организации важнейших корковых и подкорковых структур внутри каждого пациента. Точное предоперационное неинвазивное картирование помогает планировать хирургическое вмешательство, сокращает время, затраты и риски в операционной, а также предоставляет альтернативу пациентам, не подходящим для трепанации черепа в сознании. Неинвазивные методы визуализации, такие как МРТ, МРТ, МЭГ и ПЭТ, в настоящее время применяются при предоперационном проектировании и планировании. Хотя анатомическая и функциональная визуализация может идентифицировать области мозга, участвующие в речи, они не могут определить, являются ли эти области критическими для речи. Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) неинвазивно возбуждает популяции корковых нейронов посредством индукции электрического поля в головном мозге. При применении в повторяющемся режиме (рТМС) для стимуляции коркового участка, связанного с речью, он может вызывать ошибки, связанные с речью, аналогичные тем, которые индуцируются интраоперационной ДКБ. рТМС в сочетании с нейронавигацией (нрТМС) позволяет нейрохирургам предоперационно оценить, где происходят эти ошибки, и спланировать ДКБ и операцию для сохранения языковой функции. Здесь приведен подробный протокол для неинвазивного картирования коры речи (SCM) с использованием nrTMS. Предлагаемый протокол может быть изменен в соответствии с потребностями пациента и конкретного места. Он также может быть применен к исследованиям языковой корковой сети у здоровых людей или у пациентов с заболеваниями, не поддающимися хирургическому вмешательству.

Introduction

Во время нейрохирургии из-за церебрального заболевания (например, эпилепсии или опухоли) объем резекции должен быть оптимизирован для сохранения областей мозга, которые поддерживают критические функции. Области, жизненно важные для целостности и качества жизни пациента, такие как области, связанные с языком, должны быть охарактеризованы до удаления мозговой ткани. Как правило, они не могут быть индивидуально идентифицированы только на основе анатомических признаков1. Функциональное картирование языковых областей для принятия хирургических решений обычно проводится инвазивно с помощью прямой электрической стимуляции коры головного мозга (DCS), что позволяет нейрохирургу понять организацию важнейших корковых и подкорковых структур у каждого пациента2. Хотя DCS во время операции в сознании считается золотым стандартом коркового картирования речевых функций, она ограничена своей инвазивностью, методологическими проблемами и высоким стрессом, который она вызывает как у пациента, так и у хирургической бригады. Этот протокол описывает неинвазивное картирование коры речи (SCM) с использованием навигационной транскраниальной магнитной стимуляции (навигационная ТМС или нТМС). Точное неинвазивное картирование помогает в хирургическом планировании и сокращает время, затраты и риски в операционной. Он также предоставляет альтернативу для тех пациентов, которым не подходит трепанация черепа в сознании3.

Неинвазивные методы визуализации уже принесли большую пользу предоперационному планированию. Анатомическая магнитно-резонансная томография (МРТ) имеет решающее значение для обнаружения опухолей и поражений головного мозга; в нейронавигации4 и в навигационном картографированииTMS 5 он направляет оператора к интересующим участкам коры. Диффузионная МРТ (дМРТ) трактография дает подробную информацию о путях волокон белого вещества, которые соединяют области коры 5,6. В течение последнего десятилетия методы функциональной визуализации, в первую очередь функциональная МРТ (фМРТ) и магнитоэнцефалография (МЭГ), все чаще используются для предоперационного моторного и речевого картирования коры (SCM)2,8,9. Каждый метод приносит пользу процедуре предоперационного картирования и может, например, предоставить информацию о функционально связанных областях за пределами обычных языковых областей (области Брока и Вернике). фМРТ был наиболее часто используемым методом1 из-за его высокой доступности; он сравнивался с DCS в локализации областей, связанных с речью, с переменными результатами 2,10. Однако, хотя функциональная визуализация может идентифицировать вовлеченные области мозга, она не может определить, являются ли эти области критическими для сохранения функции.

Навигационная повторяющаяся ТМС (nrTMS) в настоящее время используется в качестве альтернативы вышеупомянутым методам предоперационной неинвазивной SCM11,12. nrTMS SCM особенно эффективен при выявлении связанных с речью корковых областей в нижней лобной извилине (IFG), верхней височной извилине (STG) и супрамаргинальной извилине (SMG)11,13. Преимущество метода заключается в том, что автономный анализ ошибок, вызванных стимуляцией, позволяет анализатору не знать о месте стимуляции. Таким образом, можно судить об ошибке без априорной информации о релевантности коркового сайта для речевой сети. Это обеспечивается видеозаписью, которая позволяет анализатору различать тонкие различия в ошибках, таких как семантическая и фонологическая парафазия, более надежно, чем при фактическом обследовании11,12. Подход nrTMS SCM в настоящее время превосходит производительность только МЭГ или фМРТ картирования речи10,14, и дополнительная функциональная или анатомическая информация может быть использована для точной настройки процедуры nrTMS. Было продемонстрировано, что предоперационное картирование с помощью nrTMS сокращает время операции и уменьшает требуемый размер трепанации черепа и повреждение красноречивой корыголовного мозга 15. Это сокращает время госпитализации и позволяет более обширно удалять опухолевую ткань, тем самым увеличивая выживаемость пациентов15. nrTMS была проверена на интраоперационное картирование DCS; в частности, чувствительность nrTMS в SCM высока, но ее специфичность остается низкой, с чрезмерным количеством ложных срабатываний по сравнению с DCS13,16.

В настоящее время предоперационная неинвазивная SCM с nrTMS может помочь в отборе пациента для операции, помочь в разработке операции и ускорить проведение DCS во время операции17. Здесь приведено подробное описание того, как можно выполнить nrTMS SCM для получения надежных результатов, специфичных для речи. После приобретения практического опыта предлагаемый протокол может быть адаптирован к потребностям пациента и конкретного места. Протокол может быть дополнительно расширен для определенных целей, таких как производство речи (остановка речи)18,19 или визуальные и когнитивные функции20.

Protocol

Это исследование было одобрено Больничным округом Хельсинки и комитетом по этике Уусимаа. Информированное согласие на участие было получено перед процедурой от каждого испытуемого.

1. Подготовка структурных изображений

  1. Запишите Т1-взвешенную структурную МРТ всей головы с высоким разрешением для каждого субъекта (желательно с зазором среза 0 мм и толщиной среза 1 мм). Получите изображения, как указано в инструкциях нейронавигационной системы.
  2. Загрузите снимки МРТ в навигационную систему в предпочитаемом формате (обычно DICOM или NifTI).
  3. Просмотрите МРТ-изображения и проверьте наличие ошибок (например, размытых сторон света, шумовых помех или неправильного размещения в реконструкции 3D-модели).
  4. Найдите стороны света (т. е. середину гребня в каждой мочке уха и носовую часть) в осевой, сагиттальной и корональной плоскостях МРТ, отметьте их, нажав функцию перекрестия в плоскостях, и выберите точное место, щелкнув левой кнопкой мыши. Затем нажмите кнопку «добавить ориентиры» с помощью мыши.
  5. Вставьте парцелляции интересующих областей мозга (например, точно определенных другими функциональными методами [МЭГ, ФМРТ, ПЭТ] или на основе баз данных МРТ или атласов)21. Выберите функцию «наложение изображения».

2. Подготовка к нейронавигации

  1. Убедитесь, что у субъекта нет металлических предметов (например, сережек) в области головы и шеи, и убедитесь, что нет абсолютных противопоказаний, таких как внутричерепные металлические зажимы.
  2. Поместите испытуемого в кресло пациента. Отрегулируйте стул так, чтобы объект сидел удобно, с расслабленной шеей, руками и ногами. Отрегулируйте высоту кресла так, чтобы оператор мог комфортно стимулировать все исследуемое полушарие.
  3. Разместите трекер головы так, чтобы он стабилизировался во время сеанса стимуляции (с помощью наклейки или ремня) и не блокировал свободное перемещение катушки TMS над головой, особенно над височными областями. Трекер может быть расположен немного справа на лбу, если стимулируется левое полушарие, и наоборот, если стимулируется правое полушарие, чтобы обеспечить стимуляцию передних лобных долей.
  4. Совместно зарегистрируйте голову субъекта в 3D-модели головы, реконструированной с помощью МРТ. Используйте ручку для оцифровки на голове участника, чтобы отметить стороны света (носовые, предушные точки), которые были выбраны на МРТ. Оцифруйте дополнительные точки по всей поверхности черепа, чтобы уменьшить конечную ошибку регистрации. Поместите перо для оцифровки на каждое выделенное место на 3D-модели головы и нажмите левую педаль, когда пятно начнет мигать на экране навигатора.
  5. Подтвердите регистрацию, даже если общая погрешность приемлема (менее 4 мм). Прикоснитесь к голове субъекта кончиком оцифровывающего пера. Дважды проверьте визуально, что ручка находится в аналогичном месте на поверхности 3D-модели на основе МРТ. Если его положение не соответствует точке на МРТ, повторите шаги 2.1-2.4.
  6. Перед началом стимуляции убедитесь, что и субъект, и оператор носят средства защиты органов слуха.

3. Определение горячей точки и моторного порога для стимуляции М1

  1. Для определения двигательного порога покоя (rMT) выберите дистальную мышцу кисти (например, отводящую pollicis brevis [APB]) из правой руки.
    ЗАМЕТКА. Моторный порог используется для определения начальной интенсивности стимуляции, которая впоследствии может быть изменена, как описано ниже. Таким образом, для этой цели можно использовать любую дистальную мышцу кисти.
  2. Поместите одноразовый гелевый электрод (диаметр: ~ 30 мм) на правый APB (живот мышцы), а другой - на середину большого пальца (сухожилие). Поместите заземлитель рядом с запястьем (или следуйте инструкциям производителя).
  3. Подключите электроды к усилителю электромиографии (ЭМГ) и убедитесь, что APB находится в состоянии покоя, наблюдая за непрерывным сигналом ЭМГ. Измените положение руки, если записанная мышца не может быть легко расслаблена.
  4. Найдите корковую горячую точку для определения моторного порога APB. Начиная с областиручки 22 двигателя, подайте несколько импульсов TMS и продолжайте перемещать и вращать катушку до тех пор, пока не появятся вызванные потенциалы двигателя APB (MEP).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Обычно моторные изображения большого пальца расположены перпендикулярно боковой стенке ручки руки.
    1. Выберите интенсивность TMS, которая вызывает MEP около 200-500 мкВ. Оптимизируйте расположение и ориентацию катушки, слегка изменив ее угол, чтобы вызвать максимальное количество MEP.
  5. Сохраните оптимальное расположение катушки в программном обеспечении для нейронавигации, щелкнув правой кнопкой мыши по номеру импульса, соответствующему участку горячей точки, и выбрав вариант повторения стимула. Повторите стимулы и примените алгоритм автоматической охоты за порогами23 , щелкнув правой кнопкой мыши горячую точку и выбрав опцию моторного порога в программном обеспечении нейронавигации.
  6. Если эти варианты недоступны, примените правило, согласно которому импульс ТМС должен вызывать 10 MEP (≥50 мкВ) из 20 испытаний24.

4. Базовое именование изображений

  1. Ознакомьте испытуемого с изображениями перед базовым заданием на присвоение имен объектам11,12. Распечатайте изображения (или покажите их в цифровом формате) и дайте испытуемому попрактиковаться до начала сеанса (испытуемый также может практиковаться дома).
    1. Используйте правильно стандартизированные нормализованные цветные изображения (например, из Банка стандартизированных стимулов25; Дополнительный рисунок 1).
    2. Используйте только те изображения, которые часто встречаются в повседневной среде, имеют минимальное количество синонимов и имеют высокое согласие.
  2. Если возможно, прикрепите акселерометр к коже над гортанью и голосовыми связками, чтобы записать начало речи, как объясняется в Vitikainen et al.26.
  3. Покажите изображения испытуемому одно за другим и попросите его назвать изображения вслух без стимуляции.
    1. Представьте изображения объекту на экране, расположенном на расстоянии 0,5-1 м.
    2. Используйте время отображения 700-1,000 мс на изображение.
  4. Отрегулируйте интервал между изображениями (IPI), чтобы сделать задачу немного сложной для каждого предмета (например, начните с 2,500 мс и варьируйте от 1,500 до 4,000 мс).
    1. Если во время базовой задачи именования возникает много ошибок, увеличивайте IPI с шагом 200–300 мс. Если задача слишком простая, уменьшите IPI с шагом 200-300 мс.
  5. Для фактического сеанса картирования речи с nrTMS опустите изображения, которые во время базового тестирования не были обучены должным образом, неправильно названы, не названы четко, неправильно сформулированы, названы с задержкой или нерешительностью или казались сложными для субъекта.
  6. Запустите задачу именования базовых показателей три раза и повторите шаги 4.3–4.5, если производительность неудовлетворительна.

5. Картирование коры речи

  1. Варьируйте интенсивность стимуляции, увеличивая / уменьшая ее с шагом 1% от выходной мощности стимулятора, чтобы каждая целевая область получала одно и то же индуцированное электрическое поле (E-поле), как определено для rMT мышц кисти в корковой моторной точке кисти. Обычно для теменных мишеней необходимо применять более высокие интенсивности, чем для лобно-височных мишеней, чтобы достичь тех же корковых E-полей, что и для горячей точки rMT.
    1. Снижение интенсивности при стимуляции корковых структур, расположенных ближе к поверхности головы (Е-поле выше заданного рМТ Е-поля).
  2. Перед началом стимуляции убедитесь, что значения индуцированного Е-поля приблизительно одинаковы (с разницей 2-3 В/м) в разных областях, связанных с речью, в обоих полушариях.
    1. При необходимости отрегулируйте глубину коры (глубину пилинга).
    2. Убедитесь, что центр катушки не находится в воздухе.
  3. Начните с интервала по умолчанию от изображения до TMS (PTI), равного 300 мс, или используйте PTI 0-400 мс; PTI выше 150 мс предпочтительнее для оптимизации перекрытия стимуляции с языковой обработкой.
  4. Начните с пяти импульсов с частотой стимуляции 5 Гц. Начните с области коры, не связанной с обработкой речи, чтобы субъект привык к ощущению, вызванному стимуляцией. Затем переместите катушку в ожидаемые области, связанные с речью.
  5. Удерживайте катушку в том же положении, пока последовательность импульсов не закончится и не будет завершено именование субъекта.
  6. Сосредоточьтесь на производительности субъекта, как описано ниже.
    1. Если ошибки не наблюдается, переходите к следующему локусу.
    2. Если наблюдается ошибка или даже колебание, продолжайте стимулировать этот сайт для дополнительных двух-трех поездов nrTMS, а затем двигайтесь дальше. Помните об этом месте для возможной последующей повторной стимуляции.
    3. При обнаружении даже небольшой ошибки (например, незначительные колебания или более громкий голос во время именования из-за повышенного усилия) выполняйте небольшие корректировки катушки, чтобы спровоцировать более четкие ошибки.
    4. Избегайте повторения стимуляции на одном и том же месте в течение более пяти последовательных поездов. Продолжите работу с другими корковыми участками и вернитесь к сайту позже.
    5. Если повторяющиеся ошибки появляются в нескольких стимулированных местах, поднимите катушку в воздух над кожей головы и проверьте, возникают ли ошибки.
    6. Если ошибки по-прежнему возникают, сделайте перерыв и подождите, пока именование не вернется в нормальное состояние.
      ЗАМЕТКА. Повторяющиеся ошибки именования, не связанные со стимуляцией, могут быть распространены, если области, связанные с речью, поражены опухолью или другим поражением.
    7. Стимулируйте блоками по 7-10 минут (максимум) непрерывно и делайте перерывы между ними по 2-5 минут.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ошибки становятся более распространенными при длительных стимуляциях и если субъект устал.
  7. Стимулируйте все, возможно, связанные анатомические области (например, IFG, STG, SMG, среднюю височную, прецентральную, постцентральную и угловую извилины, а также префронтальную кору), чтобы получить как можно больше контрольных ответов.
  8. Если это возможно и/или клинически подтверждено, стимулируйте оба полушария. Осторожно стимулируйте внутри и вокруг опухолевой области или предполагаемого местоположения поражения, даже если эти области не относятся к классическим речевым областям (для пациентов с опухолями и эпилепсией).
    1. Исследуйте области коры, которые расположены вдали от места поражения, чтобы выявить возможные пространственные сдвиги в языковых областях из-за пластических изменений или масс-эффекта, особенно у пациентов с большими поражениями.
  9. Уменьшите интенсивность ТМС с шагом 2-5% от максимальной мощности стимулятора, если картирование вызывает боль или дискомфорт.
  10. Прекратите измерение, если субъект не терпит вызванную боль или дискомфорт.

6. Стратегия, когда не возникает ошибок в именовании

  1. Прекратите стимуляцию и измените параметры стимуляции.
  2. Уменьшите IPI с шагом 200 мс по сравнению со значением по умолчанию (например, с 2,500 мс до 2,300 мс).
  3. Измените частоту подачи импульсов с 5 Гц до 7 Гц. Измените интервал между началом представленного изображения и рТМС (в настоящее время нет единого мнения о том, следует ли его увеличивать или уменьшать). Увеличьте интенсивность стимуляции (не вызывая дискомфорта).

7. Офф-лайн анализ вызванных ошибок именования

  1. Сотрудничайте со специалистом (например, нейропсихологом), который должен оптимально присутствовать в операционной.
  2. Дважды проверьте вызванные ошибки именования, наблюдая за положением катушки и возможными болевыми помехами от видеозаписей.
  3. Классифицируйте ошибки в соответствии с Corina et al.27 (например, аномия, семантическая и фонологическая парафазия, ошибки производительности).
    1. Если определенный тип ошибки повторяется в базовом видео, не рассматривайте это как ошибку при анализе видео сеанса стимуляции.
  4. Если объект назван в честь поезда rTMS, считайте это задержкой или отсутствием ошибки; Проверьте также возможный дискомфорт субъекта во время подачи импульса.
  5. Если испытуемый не может назвать данный объект, хотя язык, губы и челюсти двигаются, запишите ошибку без ответа.
  6. Если в каждом сеансе изображение называется по-разному, откажитесь от него.
  7. Если вы не уверены, контролируйте производительность соседнего участка стимуляции или эффект стимуляции другого полушария с помощью того же изображения.

Representative Results

Использовалась навигационная система транскраниальной магнитной стимуляции со встроенными экранами и камерами. На рисунке 1A-C показаны различные ошибки именования, вызванные TMS, у одного испытуемого во время выполнения задания в разных PTI (180 мс, 200 мс и 215 мс). Влияние синхронизации импульсов ТМС на количество вызванных ошибок очевидно. Другими словами, связанные с TMS изменения производительности были обнаружены в разных областях в разных PTI. Количество ошибок варьировало в зависимости от времени импульсов ТМС даже на одних и тех же участках коры, в соответствии с исследованиями МЭГ, демонстрирующими изменение времени активации в разных областях коры, связанных с речью28. Сравнение результатов между экстраоперационным картированием DCS и nrTMS с фиксированным PTI на 300 мс у пациента с трудноизлечимой эпилепсией показано на рисунке 2. Данные были получены из предыдущей публикации, посвященной эпилепсии29.

Figure 1
Рисунок 1: Результаты nrTMS SCM, проиллюстрированные на 3D-модели на основе МРТ здорового добровольца . (А) PTI 180 мс. (B) PTI 200 мс. (C) PTI 215 мс. В дополнение к основным областям, связанным с речью, стимулировалась преддополнительная моторная область (пре-СМА), как описано в протоколе (этап 5.7). Большинство ошибок было вызвано в классических речевых областях (IFG, STG, SMG), а также вдоль пути, соединяющего пред-SMA и область Брока (зеленые пятна, близкие к средней линии в A и B). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Сравнение результатов между экстраоперационным картированием DCS и nrTMS с фиксированным PTI через 300 мс у пациента с трудноизлечимой эпилепсией . (A) Внеоперационное картирование сетки в возрасте 13 лет. Желтые сферы представляют собой все электроды на коре. Показаны места электродной стимуляции (2-5 мА), которые индуцировали двигательные реакции руки и рта (зеленые круги), остановку именования (аномия; красные круги) и прерывание повторения предложения (розовые круги). (B) nrTMS SCM того же пациента в возрасте 15 лет. Показаны участки аномий, индуцированных nrTMS (красные точки), семантических и фонологических парафазий (желтые точки) и колебаний (белые точки). Области с высокой воспроизводимостью и надежностью индукции ошибок обведены кружком. Данные для этого изображения были взяты из исследования Lehtinen et al.29. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительный рисунок 1: Примеры изображений, представленных в эксперименте nrTMS SCM (в скобках на финском языке). (А) Вешалка (Хенкари). (б) Ножницы (саксет). (С) Клубника (Мансикка). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Discussion

Здесь представлен протокол для nrTMS SCM, который позволяет практически полностью корковое неинвазивное картирование наиболее важных узлов речевой и языковой сети. Его основное преимущество заключается в том, что он может неинвазивно имитировать картирование DCS во время трепанации черепа в сознании30 или экстраоперационной29 (см. рис. 2). Кроме того, он может быть применен к исследованиям языковой корковой сети в здоровых популяциях31 и у пациентов с заболеваниями, не поддающимися хирургическому вмешательству32. nrTMS для SCM также может применяться для разработки стратегий нейрореабилитации, таких как выбор цели (например, после инсульта). Индукция пластичности в корковых репрезентациях, связанных с речью, с помощью DCS до операции была изучена33 для увеличения степени резекции34. Следует изучить возможности nrTMS SCM в таких исследованиях.

В настоящих результатах относительно большая область, включая классические области, связанные с речью, и пре-СМА, неоднократно стимулировалась в трех разных PTI. Каждый PTI показал разную чувствительность и специфичность к ошибкам, но также продемонстрировал хорошо известную вариабельность ответа при неинвазивной стимуляции мозга35. Большинство ошибок было вызвано стимуляцией IFG, STG, pre-SMA и вдоль лобного косого тракта36. Это подчеркивает мощь nrTMS SCM; В частности, по сравнению с DCS, стимуляция может быть довольно гибко направлена на несколько областей. Мы заметили, что изменение PTI и запись многих сеансов явно не ускоряют время реакции26,29, что было бы связано с эффектом обучения.

Протокол выделяет различные параметры, которые могут повлиять на точность nrTMS SCM. Результаты могут быть чувствительны к выбору, сделанному оператором TMS; Цель настоящего документа состоит в том, чтобы предоставить стандартное руководство с хорошо проверенными параметрами стимуляции. Высокая специфичность обусловлена правильным выбором нескольких различных параметров, включая ISI, PTI, расположение катушки и частоту rTMS. Эти параметры влияют на специфичность индуцированных ошибок, которые отражают функции в нижележащих областях коры; Выбор параметров должен основываться на современных знаниях о нейробиологии языка.

Изображения для задачи именования должны быть выбраны таким образом, чтобы они сами по себе не вызывали ошибочного именования (дополнительный рисунок 1). Здесь изображения выбирались из стандартизированного банка изображений и контролировались по различным параметрам именования25,37. Например, пул изображений был ограничен элементами с аналогичной сложностью и частотой в повседневном использовании, а также соглашением о высоком имени. Выбор изображений может варьироваться в зависимости от потребностей каждого хирургического центра38, исследуемой популяции39, родного языка испытуемого 40,41 и используемого задания42. Как представлено в протоколе, выбор базового изображения окончательно индивидуализируется для каждого субъекта, поскольку именование на месте является субъективным.

Частота стимуляции должна быть определена индивидуально, поскольку она может определять распределение ошибок во время навигационной транскраниальной магнитной стимуляциимозга 43. Представленный вариант, 4-8 Гц, основан на работе rTMS Epstein et al.44. Начальная частота стимуляции установлена на 5 Гц. Если ошибок не обнаружено, частота стимуляции увеличивается до 7 Гц. Более высокие частоты могут уменьшить боль, вызванную nrTMS, и повысить специфичность ошибок именования45. Более высокие частоты также имеют то преимущество, что ограничивают импульсы коротким и более конкретным интервалом времени. Однако они могут влиять на функции, связанные, например, с речевым моторным исполнением44,46, которые не являются основной целью настоящего протокола.

Рекомендуется варьировать PTI в пределах 150-400 мс. Это важное временное окно для поиска слов во время задачи именования объектов28,47. Протокол направлен на специфичность речи, избегая вмешательства базовой визуальной обработки, которое происходит в течение первых 150 мс после представления изображения и может влиять на именование объектов, но не связано с воспроизведением речи. Рекомендуемый верхний предел для PTI основан на типичных задержках ответа при именовании изображений у одного и того жесубъекта 28,48, и можно ожидать индивидуальных вариаций оптимальных значений между субъектами (см. рис. 1). Отбор PTI в идеале должен основываться на персонализированных показателях, хотя это может быть сложно с точки зрения логистики в клинических условиях. Протоколы Университетской больницы Хельсинки обычно начинаются с PTI 300 мс. Также может быть полезно изменить PTI на основе стимулированной области12,13,49, как указано в нескольких языковых исследованиях28,47,50. Тем не менее, PTI за пределами вышеупомянутого окна также могут вызывать ошибки в названиях, которые полезны для предоперационной оценки (для сравнительного исследования см. Krieg et al.49 с использованием PTI 0-300 мс).

Корковая речевая сеть широко распространена и варьируется у разных людей, особенно у пациентов с опухолями и эпилепсией29,30,39. nrTMS вызывает языковые нарушения с большой вариабельностью у разных людей, аналогичные тем, которые наблюдаются во время стимуляции трепанации черепа в бодрствовании27,51. Информация, полученная с помощью фМРТ 50, DTI 52,53,54 и MEG 55, может направлять пользователя nTMS и приводить к процедуре, адаптированной для каждого человека и, таким образом, более конкретной и точной. Цель nrTMS SCM состоит в том, чтобы повысить специфичность, уменьшить количество не отвечающих, надежно направлять DCS или заменить ее, когда ресурсы и условия не позволяют команде узкоспециализированных экспертов выполнить ее. В будущем мультилокусная ТМС (мТМС) может быть применена в процедуре для стимуляции различных участков коры головного мозга без физического перемещения катушки56 стимуляции.

Настоящий протокол может быть выполнен с несколькими типами задач на именование42,57 или другими когнитивными задачами (вычисления, принятие решений и т.д.) 58. Видеозапись может выявить важнейшие особенности выполнения задания (например, гримасы испытуемого, свидетельствующие о том, что остановка моторной речи не вызвана), которые могут остаться незамеченными во время стимуляции. Установка также позволяет спрашивать испытуемого о переживаниях и ощущениях, вызванных nrTMS, путем совместного просмотра видеозаписи. Это может помочь отличить ошибки, вызванные болью, от истинных эффектов nrTMS. Наконец, протокол может быть легко изменен для различных групп субъектов (например, двуязычных лиц31) и для удовлетворения потребностей каждой хирургической или исследовательской группы.

Disclosures

.Л. был консультантом Nexstim Ltd. по моторному и речевому корковому картированию.

Acknowledgments

Пантелис Лиумис был поддержан грантом HUS VTR (TYH2022224), Салла Аутти - Фондом Пяйвикки и Сакари Сольберг, а Ханна Ренвалл - Фондом Пауло и Академией Финляндии (грант 321460).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pouratian, N., Bookheimer, S. Y. The reliability of neuroanatomy as a predictor of eloquence: A review. Neurosurgical Focus. 28 (2), 3 (2010).
  2. Rutten, G. -J., Ramsey, N. F. The role of functional magnetic resonance imaging in brain surgery. Neurosurgical Focus. 28 (2), 4 (2010).
  3. Raffa, G., et al. Personalized surgery of brain tumors in language areas: the role of preoperative brain mapping in patients not eligible for awake surgery. Neurosurgical Focus. 53 (6), 3 (2022).
  4. Willems, P., Berkelbach vander Sprenkel, J. W., Tulleken, C. A. F., Viergever, M. A., Taphoorn, M. J. B. Neuronavigation and surgery of intracerebral tumours. Journal of Neurology. 253 (9), 1123-1136 (2006).
  5. Hannula, H., Ilmoniemi, R. J. Basic principles of navigated TMS. Navigated Transcranial Magnetic Stimulation in Neurosurgery. Krieg, S. M. , Cham, Switzerland. 3-29 (2017).
  6. Friederici, A. D. White-matter pathways for speech and language processing. Handbook of Clinical Neurology. 129, 177-186 (2015).
  7. Rosenstock, T., et al. Specific DTI seeding and diffusivity-analysis improve the quality and prognostic value of TMS-based deterministic DTI of the pyramidal tract. NeuroImage: Clinical. 16, 276-285 (2017).
  8. Mäkelä, J. P., et al. Magnetoencephalography in neurosurgery. Neurosurgery. 59 (3), 493-511 (2006).
  9. Majchrzak, K., et al. Surgical treatment of insular tumours with tractography, functional magnetic resonance imaging, transcranial electrical stimulation and direct subcortical stimulation support. Neurologia I Neurochirurgia Polska. 45 (4), 351-362 (2011).
  10. Tarapore, P. E., Nagarajan, S. S. nTMS, MEG, and fMRI: Comparing and contrasting three functional mapping techniques. Navigated Transcranial Magnetic Stimulation in Neurosurgery. Krieg, S. M. , Springer. Cham, Switzerland. 31-49 (2017).
  11. Lioumis, P., et al. A novel approach for documenting naming errors induced by navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 204 (2), 349-354 (2012).
  12. Krieg, S. M., et al. Protocol for motor and language mapping by navigated TMS in patients and healthy volunteers; Workshop report. Acta Neurochirurgica. 159 (7), 1187-1195 (2017).
  13. Mäkelä, J. P., Laakso, A. nTMS language mapping: Basic principles and clinical use. In Navigated Transcranial Magnetic Stimulation in Neurosurgery. Krieg, S. M. , 131-150 (2017).
  14. Durner, G., et al. Comparison of hemispheric dominance and correlation of evoked speech responses between functional magnetic resonance imaging and navigated transcranial magnetic stimulation in language mapping. Journal of Neurosurgical Sciences. 63 (2), 106-113 (2019).
  15. Krieg, S. M., et al. Changing the clinical course of glioma patients by preoperative motor mapping with navigated transcranial magnetic brain stimulation. BMC Cancer. 15 (1), 231 (2015).
  16. Jeltema, H. -R., et al. Comparing navigated transcranial magnetic stimulation mapping and "gold standard" direct cortical stimulation mapping in neurosurgery: A systematic review. Neurosurgical Review. 44 (4), 1903-1920 (2021).
  17. Picht, T. Current and potential utility of transcranial magnetic stimulation in the diagnostics before brain tumor surgery. CNS Oncology. 3 (4), 299-310 (2014).
  18. Terao, Y., et al. Primary face motor area as the motor representation of articulation. Journal of Neurology. 254 (4), 442-447 (2007).
  19. Lu, J., et al. Functional maps of direct electrical stimulation-induced speech arrest and anomia: A multicentre retrospective study. Brain: A Journal of Neurology. 144 (8), 2541-2553 (2021).
  20. Hartwigsen, G., Silvanto, J. Noninvasive brain stimulation: Multiple effects on cognition. The Neuroscientist. , (2022).
  21. Reijonen, J., Könönen, M., Tuunanen, P., Määttä, S., Julkunen, P. Atlas-informed computational processing pipeline for individual targeting of brain areas for therapeutic navigated transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 132 (7), 1612-1621 (2021).
  22. Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain: A Journal of Neurology. 120, 141-157 (1997).
  23. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  24. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  25. Brodeur, M. B., Dionne-Dostie, E., Montreuil, T., Lepage, M. The Bank of Standardized Stimuli (BOSS), a new set of 480 normative photos of objects to be used as visual stimuli in cognitive research. PLoS One. 5 (5), e10773 (2010).
  26. Vitikainen, A. -M., Mäkelä, E., Lioumis, P., Jousmäki, V., Mäkelä, J. P. Accelerometer-based automatic voice onset detection in speech mapping with navigated repetitive transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 253, 70-77 (2015).
  27. Corina, D. P., et al. Analysis of naming errors during cortical stimulation mapping: Implications for models of language representation. Brain and Language. 115 (2), 101-112 (2010).
  28. Liljeström, M., Kujala, J., Stevenson, C., Salmelin, R. Dynamic reconfiguration of the language network preceding onset of speech in picture naming. Human Brain Mapping. 36 (3), 1202-1216 (2014).
  29. Lehtinen, H., et al. Language mapping with navigated transcranial magnetic stimulation in pediatric and adult patients undergoing epilepsy surgery: Comparison with extraoperative direct cortical stimulation. Epilepsia Open. 3 (2), 224-235 (2018).
  30. Picht, T., et al. A comparison of language mapping by preoperative navigated transcranial magnetic stimulation and direct cortical stimulation during awake surgery. Neurosurgery. 72 (5), 808-819 (2013).
  31. Hämäläinen, S., et al. TMS uncovers details about sub-regional language-specific processing networks in early bilinguals. NeuroImage. 171, 209-221 (2018).
  32. Weiss Lucas, C., et al. Cortical inhibition of face and jaw muscle activity and discomfort induced by repetitive and paired-pulse TMS during an overt object naming task. Brain Topography. 32 (3), 418-434 (2019).
  33. Kato, R., Solt, K. Prehabilitation with brain stimulation. Anesthesia and Analgesia. 132 (5), 1344-1346 (2021).
  34. Rivera-Rivera, P. A., et al. Cortical plasticity catalyzed by prehabilitation enables extensive resection of brain tumors in eloquent areas. Journal of Neurosurgery. 126 (4), 1323-1333 (2017).
  35. Antal, A., et al. Non-invasive brain stimulation and neuroenhancement. Clinical Neurophysiology Practice. 7, 146-165 (2022).
  36. Dick, A. S., Garic, D., Graziano, P., Tremblay, P. The frontal aslant tract (FAT) and its role in speech, language and executive function. Cortex. 111, 148-163 (2019).
  37. Brodeur, M. B., Guérard, K., Bouras, M. Bank of Standardized Stimuli (BOSS) Phase II: 930 new normative photos. PLoS One. 9 (9), e106953 (2014).
  38. Weiss Lucas, C., et al. The Cologne Picture Naming Test for language mapping and monitoring (CoNaT): An open set of 100 black and white object drawings. Frontiers in Neurology. 12, 633068 (2021).
  39. Narayana, S., et al. Clinical utility of transcranial magnetic stimulation (TMS) in the presurgical evaluation of motor, speech, and language functions in young children with refractory epilepsy or brain tumor: Preliminary evidence. Frontiers in Neurology. 12, 650830 (2021).
  40. Brodeur, M. B., et al. The bank of standardized stimuli (BOSS): Comparison between French and English norms. Behavior Research Methods. 44 (4), 961-970 (2012).
  41. Decuyper, C., Brysbaert, M., Brodeur, M. B., Meyer, A. S. Bank of Standardized Stimuli (BOSS): Dutch names for 1400 photographs. Journal of Cognition. 4 (1), 33 (2021).
  42. Hernandez-Pavon, J. C., Mäkelä, N., Lehtinen, H., Lioumis, P., Mäkelä, J. P. Effects of navigated TMS on object and action naming. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 660 (2014).
  43. Hauck, T., et al. Task type affects location of language-positive cortical regions by repetitive navigated transcranial magnetic stimulation mapping. PLoS One. 10 (4), e0125298 (2015).
  44. Epstein, C. M., et al. Optimum stimulus parameters for lateralized suppression of speech with magnetic brain stimulation. Neurology. 47 (6), 1590-1593 (1996).
  45. Nettekoven, C., et al. Improving the efficacy and reliability of rTMS language mapping by increasing the stimulation frequency. Human Brain Mapping. 42 (16), 5309-5321 (2021).
  46. Sollmann, N., Fuss-Ruppenthal, S., Zimmer, C., Meyer, B., Krieg, S. M. Investigating stimulation protocols for language mapping by repetitive navigated transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 12, 197 (2018).
  47. Liljeström, M., Hultén, A., Parkkonen, L., Salmelin, R. Comparing MEG and fMRI views to naming actions and objects. Human Brain Mapping. 30 (6), 1845-1856 (2009).
  48. Salmelin, R., Hari, R., Lounasmaa, O. V., Sams, M. Dynamics of brain activation during picture naming. Nature. 368 (6470), 463-465 (1994).
  49. Krieg, S. M., et al. Optimal timing of pulse onset for language mapping with navigated repetitive transcranial magnetic stimulation. NeuroImage. 100, 219-236 (2014).
  50. Wheat, K. L., et al. Charting the functional relevance of Broca's area for visual word recognition and picture naming in Dutch using fMRI-guided TMS. Brain and Language. 125 (2), 223-230 (2013).
  51. Sanai, N., Mirzadeh, Z., Berger, M. S. Functional outcome after language mapping for glioma resection. The New England Journal of Medicine. 358 (1), 18-27 (2008).
  52. De Geeter, N., Lioumis, P., Laakso, A., Crevecoeur, G., Dupré, L. How to include the variability of TMS responses in simulations: A speech mapping case study. Physics in Medicine and Biology. 61 (21), 7571-7585 (2016).
  53. Hazem, S. R., et al. Middle frontal gyrus and area 55b: Perioperative mapping and language outcomes. Frontiers in Neurology. 12, 646075 (2021).
  54. Zhang, H., et al. Elucidating the structural-functional connectome of language in glioma-induced aphasia using nTMS and DTI. Human Brain Mapping. 43 (6), 1836-1849 (2021).
  55. Islam, M., et al. MEG and navigated TMS jointly enable spatially accurate application of TMS therapy at the epileptic focus in pharmacoresistant epilepsy. Brain Stimulation. 12 (5), 1312-1314 (2019).
  56. Koponen, L. M., Nieminen, J. O., Ilmoniemi, R. J. Multi-locus transcranial magnetic stimulation-theory and implementation. Brain Stimulation. 11 (4), 849-855 (2018).
  57. Ntemou, E., et al. Mapping verb retrieval with nTMS: The role of transitivity. Frontiers in Human Neuroscience. 15, 719461 (2021).
  58. Haddad, A. F., Young, J. S., Berger, M. S., Tarapore, P. E. Preoperative applications of navigated transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neurology. 11, 628903 (2020).

Tags

В этом месяце в JoVE выпуск 193
Дизайн исследования навигационной повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции для картирования коры речи
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lioumis, P., Autti, S., Wilenius,… More

Lioumis, P., Autti, S., Wilenius, J., Vaalto, S., Lehtinen, H., Laakso, A., Kirveskari, E., Mäkelä, J. P., Liljeström, M., Renvall, H. Study Design for Navigated Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation for Speech Cortical Mapping. J. Vis. Exp. (193), e64492, doi:10.3791/64492 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter