Navigerad repetitiv transkraniell magnetisk stimulering är ett mycket effektivt icke-invasivt verktyg för att kartlägga talrelaterade kortikala områden. Det hjälper till att utforma hjärnkirurgi och påskyndar den direkta kortikala stimuleringen som utförs under operationen. Denna rapport beskriver hur man utför kortikal kartläggning av tal på ett tillförlitligt sätt för preoperativ utvärdering och forskning.
De kortikala områdena som är involverade i mänskligt tal bör karakteriseras på ett tillförlitligt sätt före operation för hjärntumörer eller läkemedelsresistent epilepsi. Den funktionella kartläggningen av språkområden för kirurgiskt beslutsfattande görs vanligtvis invasivt genom elektrisk direkt kortikal stimulering (DCS), som används för att identifiera organisationen av de avgörande kortikala och subkortikala strukturerna inom varje patient. Noggrann preoperativ icke-invasiv kartläggning underlättar kirurgisk planering, minskar tid, kostnader och risker i operationssalen och ger ett alternativ för patienter som inte är lämpliga för vaken kraniotomi. Icke-invasiva avbildningsmetoder som MR, fMRI, MEG och PET tillämpas för närvarande i prekirurgisk design och planering. Även om anatomisk och funktionell avbildning kan identifiera hjärnregionerna som är involverade i tal, kan de inte avgöra om dessa regioner är kritiska för tal. Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) exciterar icke-invasivt de kortikala neuronala populationerna med hjälp av elektrisk fältinduktion i hjärnan. När det appliceras i sitt repetitiva läge (rTMS) för att stimulera en talrelaterad kortikal plats kan den producera talrelaterade fel som är analoga med de som induceras av intraoperativ DCS. rTMS i kombination med neuronavigation (nrTMS) gör det möjligt för neurokirurger att preoperativt bedöma var dessa fel uppstår och att planera DCS och operationen för att bevara språkfunktionen. Ett detaljerat protokoll finns här för icke-invasiv kortikal talmappning (SCM) med nrTMS. Det föreslagna protokollet kan modifieras för att bäst passa de patient- och platsspecifika kraven. Det kan också tillämpas på språkkortikala nätverksstudier hos friska försökspersoner eller hos patienter med sjukdomar som inte är mottagliga för operation.
Under neurokirurgi på grund av cerebral sjukdom (t.ex. epilepsi eller tumör) måste omfattningen av resektion optimeras för att bevara hjärnregioner som stöder kritiska funktioner. Områden som är avgörande för patientens integritet och livskvalitet, såsom språkrelaterade, bör karakteriseras innan hjärnvävnad avlägsnas. Vanligtvis kan de inte identifieras individuellt enbart baserat på anatomiska landmärken1. Den funktionella kartläggningen av språkområden för kirurgiskt beslutsfattande görs vanligtvis invasivt genom elektrisk direkt kortikal stimulering (DCS), vilket gör det möjligt för neurokirurgen att förstå organisationen av de avgörande kortikala och subkortikala strukturerna inom varje patient2. Även om DCS under vaken kirurgi anses vara guldstandarden för kortikal kartläggning för talfunktioner, begränsas den av dess invasivitet, metodologiska utmaningar och den höga stress det inducerar för både patienten och det kirurgiska teamet. Detta protokoll beskriver icke-invasiv kortikal talkartläggning (SCM) med navigerad transkraniell magnetisk stimulering (navigerad TMS eller nTMS). Noggrann icke-invasiv kartläggning underlättar kirurgisk planering och minskar tid, kostnader och risker i operationssalen (OR). Det ger också ett alternativ för de patienter som inte är lämpliga för vaken kraniotomi3.
Icke-invasiva avbildningsmetoder har redan gynnat prekirurgisk planering mycket. Anatomisk magnetisk resonanstomografi (MRT) är avgörande för att lokalisera tumörer och hjärnskador; i neuronavigation4 och i den navigerade TMS-kartläggningen5 guidar den operatören till de kortikala platserna av intresse. Diffusionsbaserad MRI (dMRI) traktografi ger detaljerad information om de vita fiberkanalerna som förbinder kortikala regioner 5,6. Under det senaste decenniet har funktionella avbildningstekniker, framför allt funktionell MRI (fMRI) och magnetencefalografi (MEG), i allt högre grad använts för preoperativ motorisk och talkortikal kartläggning (SCM)2,8,9. Varje metod ger fördelar för den preoperativa kartläggningsproceduren och kan till exempel ge information om de funktionellt relaterade regionerna utanför de konventionella språkområdena (Brocas och Wernickes områden). fMRI har varit den vanligaste metoden1 på grund av dess höga tillgänglighet; det har jämförts med DCS i lokalisering av talrelaterade områden med varierande resultat 2,10. Men även om funktionell avbildning kan identifiera de involverade hjärnregionerna, kan den inte avgöra om dessa regioner är kritiska för att funktionen ska bevaras.
Navigated repetitive TMS (nrTMS) används numera som ett alternativ till ovan nämnda metoder för preoperativ icke-invasiv SCM11,12. nrTMS SCM är särskilt effektivt för att identifiera talrelaterade kortikala områden inom inferior frontal gyrus (IFG), superior temporal gyrus (STG) och supramarginal gyrus (SMG)11,13. En fördel med metoden är att offlineanalysen av de fel som framkallas av stimuleringen gör att analysatorn kan vara omedveten om stimuleringsstället. Det är således möjligt att bedöma felet utan a priori-information om den kortikala platsens relevans för talnätverket. Detta möjliggörs av en videoinspelning, som gör det möjligt för analysatorn att skilja subtila skillnader i fel, såsom semantisk och fonologisk parafasi, mer tillförlitligt än under själva undersökningen11,12. nrTMS SCM-metoden överträffar för närvarande prestandan för MEG- eller fMRI-talmappning ensam10,14, och ytterligare funktionell eller anatomisk information kan användas för att finjustera nrTMS-proceduren. Preoperativ kartläggning med nrTMS har visat sig förkorta operationstiderna och minska den nödvändiga storleken på kraniotomi och skador på den vältaliga cortex15. Det förkortar tiden för sjukhusvistelse och möjliggör ett mer omfattande avlägsnande av tumörvävnad, vilket ökar patientens överlevnad15. nrTMS har validerats mot intraoperativ DCS-kartläggning; specifikt är känsligheten för nrTMS i SCM hög, men dess specificitet är fortfarande låg, med alltför stora falska positiva jämfört med DCS13,16.
För närvarande kan prekirurgisk icke-invasiv SCM med nrTMS hjälpa till med patientval för operation, hjälpa till att utforma operationen och påskynda DCS som utförs under operationen17. Här ges en detaljerad beskrivning av hur nrTMS SCM kan utföras för att få tillförlitliga talspecifika resultat. Efter att ha fått praktisk erfarenhet kan det föreslagna protokollet skräddarsys för att bäst passa de patient- och platsspecifika kraven. Protokollet kan utvidgas ytterligare till vissa mål, såsom talproduktion (talstopp)18,19 eller visuella och kognitiva funktioner20.
Här presenteras ett protokoll för nrTMS SCM, som möjliggör praktiskt taget fullständig kortikal icke-invasiv kartläggning av de viktigaste naven i tal- och språknätverket. Dess främsta fördel är att den icke-invasivt kan simulera DCS-kartläggningen under vaken kraniotomi30 eller extraoperativt29 (se figur 2). Dessutom kan det tillämpas på språkkortikala nätverksstudier i friska populationer31 och hos patienter med sjukdomar som inte är mottagliga för kirurgi32. nrTMS för SCM kan också tillämpas för att utveckla neurorehabiliteringsstrategier såsom målval (t.ex. efter stroke). Induktion av plasticitet i talrelaterade kortikala representationer av DCS före kirurgi har studerats33 för att öka omfattningen av resektion34. Möjligheterna med nrTMS SCM i sådana studier bör undersökas.
I de aktuella resultaten stimulerades ett relativt stort område, inklusive klassiska talrelaterade områden och pre-SMA, upprepade gånger vid tre olika PTI. Varje PTI visade olika känslighet och specificitet för fel, men visade också den välkända responsvariabiliteten i icke-invasiva hjärnstimuleringar35. De flesta fel inducerades av stimulering av IFG, STG, pre-SMA och längs frontalkanalen36. Detta belyser kraften i nrTMS SCM; specifikt, i jämförelse med DCS, kan stimuleringen riktas ganska flexibelt till flera områden. Vi har observerat att ändring av PTI och inspelning av många sessioner inte tydligt påskyndar reaktionstiderna26,29, vilket skulle vara förknippat med en inlärningseffekt.
Protokollet belyser olika parametrar som kan påverka noggrannheten hos nrTMS SCM. Resultaten kan vara känsliga för de val som TMS-operatören gör; Detta dokument syftar till att ge en standardriktlinje med väl testade stimuleringsparametrar. Hög specificitet är resultatet av ett lämpligt val av flera olika parametrar, inklusive ISI, PTI, spolplats och rTMS-frekvens. Dessa parametrar påverkar specificiteten hos de inducerade felen, vilket återspeglar funktionerna i de underliggande kortikala områdena; Parametervalet måste baseras på aktuell kunskap om språkets neurobiologi.
Bilderna för namngivningsuppgiften bör väljas så att de inte orsakar felaktig namngivning av sig själva (kompletterande figur 1). Här valdes bilderna från en standardiserad bildbank och kontrollerades för olika namnparametrar25,37. Till exempel var bildpoolen begränsad till objekt med liknande komplexitet och frekvens i daglig användning, liksom hög namnöverenskommelse. Valet av bilder kan variera beroende på behoven hos varje kirurgiskt centrum38, befolkningen som undersöks39, modersmålet för den testade personen 40,41 och den använda uppgiften42. Som presenteras i protokollet är baslinjebildvalet slutligen individualiserat för varje ämne, eftersom namngivning på plats är subjektiv.
Stimuleringsfrekvensen måste definieras individuellt, eftersom den kan bestämma fördelningen av fel under navigerad transkraniell magnetisk hjärnstimulering43. Det presenterade valet, 4-8 Hz, är baserat på rTMS-arbetet av Epstein et al.44. Den initiala stimuleringsfrekvensen är inställd på 5 Hz. Om inga fel upptäcks ökas stimuleringsfrekvensen till 7 Hz. Högre frekvenser kan minska nrTMS-inducerad smärta och öka specificiteten av namnfel45. Högre frekvenser har också fördelen att begränsa pulserna till ett kort och mer specifikt tidsintervall. De kan dock påverka funktioner relaterade till till exempel talmotorisk exekvering44,46, som inte är huvudmålet för detta protokoll.
Det rekommenderas att variera PTI mellan 150-400 ms. Detta är ett viktigt tidsfönster för ordhämtning under objektnamngivningsuppgiften28,47. Protokollet syftar till talspecificitet genom att undvika störningar av grundläggande visuell bearbetning, som inträffar under de första 150 ms efter bildpresentation och kan påverka objektnamngivning men inte är relaterad till talproduktion. Den rekommenderade övre gränsen för PTI baseras på typiska svarsfördröjningar vid bildnamngivning i samma ämne28,48, och individuell variation i de optimala värdena mellan försökspersoner kan förväntas (se figur 1). PTI-urvalet bör helst baseras på personliga åtgärder, även om detta kan vara logistiskt krävande i en klinisk miljö. Helsingfors universitetssjukhus protokoll börjar vanligtvis med en 300 ms PTI. Det kan också vara användbart att ändra PTI baserat på det stimulerade området12,13,49, vilket indikeras av flera språkstudier28,47,50. Icke desto mindre kan PTI utanför ovannämnda fönster också inducera namnfel som är användbara för prekirurgisk utvärdering (för en jämförande studie, se Krieg et al.49 med PTI på 0-300 ms).
Det kortikala talnätverket är utbrett och varierar mellan individer, särskilt hos patienter med tumörer och epilepsi29,30,39. nrTMS inducerar språkstörning med stor variation mellan individer, analogt med de som observerats under vakna kraniotomistimuleringar27,51. Informationen som erhålls från fMRI50, DTI 52,53,54 och MEG 55 kan styra nTMS-användaren och resultera i en procedur som är skräddarsydd för varje individ och därmed är mer specifik och korrekt. Målet i nrTMS SCM är att öka specificiteten, minska antalet icke-svarande, vägleda DCS på ett tillförlitligt sätt eller ersätta det när resurserna och förhållandena inte tillåter ett team av högspecialiserade experter att utföra det. I framtiden kan multilocus TMS (mTMS) appliceras i proceduren för att stimulera olika delar av cortex utan att fysiskt flytta stimuleringsspolen56.
Det nuvarande protokollet kan utföras med flera typer av namngivningsuppgifter42,57 eller andra kognitiva uppgifter (beräkningar, beslutsfattande etc.) 58. Videoinspelningen kan avslöja viktiga funktioner i uppgiftens prestanda (t.ex. grimaser av motivet som indikerar att inget motoriskt talstopp induceras) som kan gå obemärkt under stimuleringen. Installationen gör det också möjligt att fråga ämnet om nrTMS-inducerade upplevelser och känslor genom att gemensamt titta på videoinspelningen. Detta kan hjälpa till att skilja smärtinducerade fel från de verkliga effekterna av nrTMS. Slutligen kan protokollet enkelt modifieras till olika ämnesgrupper (t.ex. tvåspråkiga individer31) och för att tillgodose behoven hos varje kirurgiskt eller forskningsteam.
The authors have nothing to disclose.
Pantelis Lioumis har fått stöd av HUS VTR-stipendium (TYH2022224), Salla Autti av Päivikki och Sakari Sohlbergs stiftelse och Hanna Renvall av Paulostiftelsen och Finlands Akademi (stipendium 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 |