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Disegno di studio per la stimolazione magnetica transcranica ripetitiva navigata per la mappatura corticale del parlato

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

La stimolazione magnetica transcranica ripetitiva navigata è uno strumento non invasivo altamente efficiente per mappare le aree corticali correlate al linguaggio. Aiuta a progettare la chirurgia cerebrale e accelera la stimolazione corticale diretta condotta durante l'intervento chirurgico. Questo rapporto descrive come eseguire la mappatura corticale del parlato in modo affidabile per la valutazione e la ricerca preoperatoria.

Abstract

Le aree corticali coinvolte nel linguaggio umano devono essere caratterizzate in modo affidabile prima dell'intervento chirurgico per tumori cerebrali o epilessia resistente ai farmaci. La mappatura funzionale delle aree linguistiche per il processo decisionale chirurgico viene solitamente eseguita in modo invasivo mediante stimolazione corticale diretta elettrica (MDD), che viene utilizzata per identificare l'organizzazione delle strutture corticali e sottocorticali cruciali all'interno di ciascun paziente. Un'accurata mappatura preoperatoria non invasiva aiuta la pianificazione chirurgica, riduce tempi, costi e rischi in sala operatoria e fornisce un'alternativa per i pazienti non adatti alla craniotomia da sveglio. I metodi di imaging non invasivi come MRI, fMRI, MEG e PET sono attualmente applicati nella progettazione e pianificazione prechirurgica. Sebbene l'imaging anatomico e funzionale possa identificare le regioni del cervello coinvolte nel linguaggio, non possono determinare se queste regioni sono critiche per il linguaggio. La stimolazione magnetica transcranica (TMS) eccita in modo non invasivo le popolazioni neuronali corticali mediante l'induzione del campo elettrico nel cervello. Quando applicato nella sua modalità ripetitiva (rTMS) per stimolare un sito corticale correlato al linguaggio, può produrre errori correlati al linguaggio analoghi a quelli indotti dalla MDD intraoperatoria. La rTMS combinata con la neuronavigazione (nrTMS) consente ai neurochirurghi di valutare preoperatoriamente dove si verificano questi errori e di pianificare la MDD e l'operazione per preservare la funzione del linguaggio. Un protocollo dettagliato è fornito qui per la mappatura corticale vocale non invasiva (SCM) utilizzando nrTMS. Il protocollo proposto può essere modificato per adattarsi al meglio alle esigenze specifiche del paziente e del sito. Può anche essere applicato agli studi della rete corticale linguistica in soggetti sani o in pazienti con malattie che non sono suscettibili di chirurgia.

Introduction

Durante la neurochirurgia a causa di malattie cerebrali (ad esempio, epilessia o un tumore), l'estensione della resezione deve essere ottimizzata per preservare le regioni del cervello che supportano funzioni critiche. Le aree vitali per l'integrità del paziente e la qualità della vita, come quelle legate al linguaggio, dovrebbero essere caratterizzate prima della rimozione del tessuto cerebrale. In genere, non possono essere identificati individualmente semplicemente sulla base di punti di riferimento anatomici1. La mappatura funzionale delle aree linguistiche per il processo decisionale chirurgico viene solitamente eseguita in modo invasivo mediante stimolazione corticale diretta elettrica (MDD), che consente al neurochirurgo di comprendere l'organizzazione delle strutture corticali e sottocorticali cruciali all'interno di ciascun paziente2. Sebbene la MDD durante la chirurgia da sveglio sia considerata il gold standard della mappatura corticale per le funzioni vocali, è limitata dalla sua invasività, dalle sfide metodologiche e dall'elevato stress che induce sia per il paziente che per il team chirurgico. Questo protocollo descrive la mappatura corticale del parlato non invasiva (SCM) utilizzando la stimolazione magnetica transcranica navigata (TMS navigato o nTMS). La mappatura accurata e non invasiva aiuta nella pianificazione chirurgica e riduce i tempi, i costi e i rischi in sala operatoria (sala operatoria). Fornisce anche un'alternativa per quei pazienti che non sono adatti per craniotomia da sveglio3.

I metodi di imaging non invasivi hanno già notevolmente beneficiato della pianificazione prechirurgica. La risonanza magnetica anatomica (MRI) è fondamentale per localizzare tumori e lesioni cerebrali; nella neuronavigazione4 e nella mappatura TMS navigata5, guida l'operatore ai siti corticali di interesse. La trattografia MRI basata sulla diffusione (dMRI) fornisce informazioni dettagliate sui tratti di fibre della sostanza bianca che collegano le regioni corticali 5,6. Nell'ultimo decennio, le tecniche di imaging funzionale, in particolare la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e la magnetoencefalografia (MEG), sono state sempre più utilizzate per la mappatura corticale motoria e vocale preoperatoria (SCM)2,8,9. Ogni metodo apporta benefici alla procedura di mappatura preoperatoria e può, ad esempio, fornire informazioni sulle regioni funzionalmente correlate al di fuori delle aree linguistiche convenzionali (aree di Broca e Wernicke). La fMRI è statoil metodo 1 più comunemente usato a causa della sua elevata disponibilità; è stato confrontato con DCS nella localizzazione di aree relative al parlato con risultati variabili 2,10. Tuttavia, sebbene l'imaging funzionale possa identificare le regioni cerebrali coinvolte, non può determinare se queste regioni sono critiche per la funzione da preservare.

La TMS ripetitiva navigata (nrTMS) è oggi utilizzata come alternativa ai suddetti metodi per la SCM preoperatoria non invasiva11,12. nrTMS SCM è particolarmente efficiente nell'identificare aree corticali correlate al linguaggio all'interno del giro frontale inferiore (IFG), del giro temporale superiore (STG) e del giro sopramarginale (SMG)11,13. Un vantaggio del metodo è che l'analisi offline degli errori evocati dalla stimolazione consente all'analizzatore di non essere a conoscenza del sito di stimolazione. È quindi possibile giudicare l'errore senza informazioni a priori sulla rilevanza del sito corticale per la rete vocale. Ciò è reso possibile da una registrazione video, che consente all'analizzatore di distinguere sottili differenze negli errori, come la parafasia semantica e fonologica, in modo più affidabile rispetto all'esame effettivo11,12. L'approccio nrTMS SCM attualmente supera le prestazioni della sola mappatura vocale MEG o fMRI10,14 e ulteriori informazioni funzionali o anatomiche possono essere utilizzate per mettere a punto la procedura nrTMS. È stato dimostrato che la mappatura preoperatoria con nrTMS riduce i tempi operativi e riduce le dimensioni richieste della craniotomia e il danno alla corteccia eloquente15. Riduce il tempo di ospedalizzazione e consente una rimozione più estesa del tessuto tumorale, aumentando così i tassi di sopravvivenza dei pazienti15. nrTMS è stato validato rispetto alla mappatura intraoperatoria delle DCS; in particolare, la sensibilità di nrTMS in SCM è elevata, ma la sua specificità rimane bassa, con eccessivi falsi positivi rispetto a DCS13,16.

Attualmente, la SCM non invasiva prechirurgica con nrTMS può aiutare nella selezione del paziente per l'operazione, aiutare nella progettazione dell'intervento chirurgico e accelerare la MDD condotta durante l'interventochirurgico 17. Qui viene fornita una descrizione dettagliata di come nrTMS SCM può essere eseguito per ottenere risultati affidabili specifici del parlato. Dopo aver acquisito esperienza pratica, il protocollo suggerito può essere personalizzato per soddisfare al meglio le esigenze specifiche del paziente e del sito. Il protocollo può essere ulteriormente esteso a determinati obiettivi, come la produzione del linguaggio (arresto del linguaggio)18,19 o le funzioni visive e cognitive20.

Protocol

Questo studio è stato approvato dal distretto ospedaliero di Helsinki e dal comitato etico di Uusimaa. Il consenso informato a partecipare è stato ottenuto prima della procedura da ciascun soggetto.

1. Preparazione delle immagini strutturali

  1. Registrare una risonanza magnetica strutturale pesata in T1 ad alta risoluzione dell'intera testa per ciascun soggetto (preferibilmente con uno spazio di fetta di 0 mm e uno spessore della fetta di 1 mm). Acquisire le immagini come specificato nelle istruzioni del sistema di neuronavigazione.
  2. Caricare le immagini MR sul sistema di navigazione nel formato preferito (in genere DICOM o NifTI).
  3. Esaminare le immagini MR e verificare la presenza di eventuali errori (ad esempio, punti cardinali sfocati, disturbi del rumore o posizionamenti errati nella ricostruzione del modello 3D).
  4. Trova i punti cardinali (cioè il centro della cresta in ciascun lobo dell'orecchio e la nasion) nei piani di risonanza magnetica assiale, sagittale e coronale, contrassegnali premendo la funzione mirino nei piani e scegli il punto esatto facendo clic sul pulsante sinistro del mouse. Quindi, premi il pulsante "aggiungi punti di riferimento" con il mouse.
  5. Inserire parcellazioni delle aree cerebrali di interesse (ad esempio, individuate con altri metodi funzionali [MEG, fMRI, PET] o basate su database o atlanti MRI)21. Scegli la funzione "immagine sovrapposta".

2. Preparazione alla neuronavigazione

  1. Controllare che il soggetto non abbia oggetti metallici (ad esempio, orecchini) nella zona della testa e del collo e assicurarsi che non ci siano controindicazioni assolute come clip metalliche intracraniche.
  2. Posizionare il soggetto nella poltrona del paziente. Regola la sedia in modo che il soggetto sia seduto comodamente, con il collo, le mani e le gambe rilassati. Regolare l'altezza della sedia in modo che l'operatore possa stimolare comodamente l'intero emisfero in esame.
  3. Posizionare l'head tracker in modo che sia stabilizzato durante la sessione di stimolazione (con un adesivo o una cinghia) e non impedisca alla bobina TMS di muoversi liberamente sopra la testa, specialmente sulle aree temporali. Il tracker può essere posizionato leggermente a destra sulla fronte se viene stimolato l'emisfero sinistro e viceversa se l'emisfero destro viene stimolato per garantire che le aree del lobo frontale anteriore possano essere stimolate.
  4. Co-registrare la testa del soggetto al modello di testa 3D ricostruito con risonanza magnetica. Utilizzare una penna digitalizzante sulla testa del partecipante per contrassegnare i punti cardinali (nasion, punti pre-auricolari) che sono stati selezionati sulla risonanza magnetica. Digitalizza punti aggiuntivi su tutta la superficie del cranio per ridurre l'errore di registrazione finale. Posizionare la penna di digitalizzazione su ciascun punto evidenziato sul modello della testa 3D e premere il pedale sinistro quando lo spot inizia a lampeggiare sullo schermo del navigatore.
  5. Convalidare la registrazione, anche se l'errore complessivo è accettabile (inferiore a 4 mm). Toccare la testa del soggetto con la punta della penna digitalizzante. Verificare visivamente che la penna si trovi nella posizione analoga sulla superficie del modello basato su risonanza magnetica 3D. Se la sua posizione non corrisponde al punto della risonanza magnetica, ripetere i passaggi 2.1-2.4.
  6. Assicurarsi che sia il soggetto che l'operatore indossino protezioni per le orecchie prima di iniziare la stimolazione.

3. Definizione dell'hot spot e della soglia motoria per la stimolazione M1

  1. Per determinare la soglia motoria a riposo (rMT), scegliere un muscolo distale della mano (ad esempio, l'abduttore pollicis brevis [APB]) dalla mano destra.
    NOTA. La soglia motoria viene utilizzata per definire l'intensità iniziale della stimolazione, che può essere successivamente modificata come spiegato di seguito. Pertanto, qualsiasi muscolo distale della mano può essere utilizzato per questo scopo.
  2. Posizionare un elettrodo di gel monouso (diametro: ~ 30 mm) sopra l'APB destro (la pancia del muscolo) e un altro sul centro del pollice (tendine). Posizionare l'elettrodo di massa vicino al polso (o seguire le linee guida del produttore).
  3. Collegare gli elettrodi all'amplificatore elettromiografico (EMG) e verificare che l'APB sia a riposo osservando il segnale EMG continuo. Cambia la posizione della mano se il muscolo registrato non può essere facilmente rilassato.
  4. Trova il punto caldo corticale per determinare la soglia del motore APB. Partendodall'area 22 della manopola del motore, emettere alcuni impulsi TMS e continuare muovendo e ruotando la bobina fino a quando non compaiono i potenziali evocati del motore APB (MEP).
    NOTA: Di solito, le rappresentazioni motorie del pollice si trovano perpendicolarmente alla parete laterale della manopola.
    1. Scegli un'intensità TMS che evochi MEP di circa 200-500 μV. Ottimizza la posizione e l'orientamento della bobina modificandone leggermente l'angolazione per evocare il massimo di MEP.
  5. Salva la posizione ottimale della bobina nel software di neuronavigazione facendo clic con il pulsante destro del mouse sul numero di impulsi corrispondente al sito hot spot e scegliendo l'opzione per ripetere lo stimolo. Ripeti gli stimoli e applica un algoritmo automatico di caccia alla soglia23 facendo clic con il pulsante destro del mouse sull'hot spot e scegliendo l'opzione della soglia motoria dal software di neuronavigazione.
  6. Se queste opzioni non sono disponibili, applicare la regola secondo cui un impulso TMS deve evocare 10 MEP (≥50 μV) su 20 prove24.

4. Denominazione di base delle immagini

  1. Familiarizzare il soggetto con le immagini prima dell'attività di denominazione degli oggetti della linea di base11,12. Stampa le immagini (o mostrale in formato digitale) e lascia che il soggetto si eserciti prima dell'inizio della sessione (il soggetto potrebbe anche esercitarsi a casa).
    1. Utilizzare immagini a colori normalizzate correttamente standardizzate (ad esempio, dalla Banca degli stimoli standardizzati25; Figura supplementare 1).
    2. Usa solo immagini che si vedono frequentemente in un ambiente quotidiano, hanno un numero minimo di sinonimi e hanno un alto accordo sui nomi.
  2. Se disponibile, attaccare un accelerometro sulla pelle sopra la laringe e le corde vocali per registrare l'inizio del linguaggio, come spiegato in Vitikainen et al.26.
  3. Mostra le immagini al soggetto una per una e chiedi loro di nominare le immagini ad alta voce senza stimolazione.
    1. Presentare le immagini al soggetto su uno schermo posto a una distanza di 0,5-1 m.
    2. Utilizzare un tempo di visualizzazione di 700-1.000 ms per immagine.
  4. Regolare l'intervallo tra immagini (IPI) per rendere l'attività leggermente impegnativa per ciascun soggetto (ad esempio, iniziare con 2.500 ms e variare tra 1.500-4.000 ms).
    1. Se si verificano molti errori durante l'attività di denominazione di base, aumentare l'IPI con incrementi di 200-300 ms. Se l'attività è troppo facile, ridurre l'IPI in passi di 200-300 ms.
  5. Per la sessione di mappatura vocale effettiva con nrTMS, omettere le immagini che durante il test di base non sono state addestrate adeguatamente, non nominate correttamente, non nominate chiaramente, non articolate correttamente, nominate con ritardo o esitazione, o sembravano difficili per il soggetto.
  6. Eseguire l'attività di denominazione di base tre volte e ripetere i passaggi 4.3-4.5 se le prestazioni non sono soddisfacenti.

5. Mappatura corticale vocale

  1. Variare l'intensità della stimolazione aumentandola / diminuendola in passi dell'1% della produzione dello stimolatore in modo che ogni area target riceva lo stesso campo elettrico indotto (campo E), come definito per la rMT dei muscoli della mano nell'hotspot corticale del motore della mano. Di solito, è necessario applicare intensità più elevate per i bersagli parietali rispetto a quelli frontotemporali per raggiungere campi E corticali simili a quelli dell'hotspot rMT.
    1. Abbassare l'intensità quando si stimolano strutture corticali situate più vicino alla superficie della testa (campo E sopra il campo E rMT predefinito).
  2. Controllare prima di iniziare la stimolazione che i valori del campo E indotto siano approssimativamente simili (con una differenza di 2-3 V / m) nelle diverse aree relative al linguaggio in entrambi gli emisferi.
    1. Regolare la profondità corticale (profondità di peeling) se necessario.
    2. Assicurarsi che il centro della bobina non sia in aria.
  3. Iniziare con un intervallo picture-to-TMS (PTI) predefinito di 300 ms oppure utilizzare un PTI da 0 a 400 ms; un PTI superiore a 150 ms è preferibile per ottimizzare la sovrapposizione della stimolazione con l'elaborazione del linguaggio.
  4. Inizia con cinque impulsi a una frequenza di stimolazione di 5 Hz. Inizia da un'area corticale non correlata all'elaborazione del linguaggio in modo che il soggetto si abitui alla sensazione indotta dalla stimolazione. Quindi, spostare la bobina nelle aree relative al parlato previste.
  5. Mantenere la bobina nella stessa posizione fino a quando il treno di impulsi è finito e la denominazione del soggetto è completata.
  6. Concentrati sulle prestazioni del soggetto come descritto di seguito.
    1. Se non viene osservato alcun errore, passare al luogo successivo.
    2. Se si osserva un errore, o anche un'esitazione, continuare a stimolare quel sito per altri due o tre treni nrTMS, quindi andare avanti. Tieni a mente il sito per una possibile successiva ristimolazione.
    3. Effettuare piccole regolazioni della bobina quando viene rilevato anche un leggero errore (ad esempio, una piccola esitazione o una voce più forte durante la denominazione a causa di un maggiore sforzo) per provocare errori più chiari.
    4. Evitare di ripetere la stimolazione sullo stesso sito per più di cinque treni consecutivi. Continuare con altri siti corticali e rivisitare il sito in seguito.
    5. Se compaiono errori ripetuti in diverse posizioni stimolate, sollevare la bobina nell'aria sopra il cuoio capelluto e verificare se si verificano ancora errori.
    6. Se gli errori persistono, fare una pausa e attendere che la denominazione torni alla normalità.
      NOTA. Ripetuti errori di denominazione non correlati alla stimolazione possono essere comuni se le aree correlate al linguaggio sono colpite da un tumore o da un'altra lesione.
    7. Stimolare in blocchi di 7-10 minuti (massimo) continuamente, e avere pause di 2-5 minuti in mezzo.
      NOTA: Gli errori diventano più comuni con lunghe stimolazioni e se il soggetto è stanco.
  7. Stimolare tutte le aree anatomiche possibilmente correlate (ad esempio, IFG, STG, SMG, gironi temporali medi, precentrali, postcentrali e angolari e la corteccia prefrontale) per ottenere il maggior numero possibile di risposte di controllo.
  8. Se fattibile e/o clinicamente supportato, stimolare entrambi gli emisferi. Stimolare attentamente all'interno e intorno alla regione tumorale o alla posizione stimata della lesione anche se tali regioni non appartengono alle classiche aree correlate al linguaggio (per i pazienti affetti da tumore ed epilessia).
    1. Indagare le aree corticali che si trovano lontano dal sito della lesione per identificare possibili cambiamenti spaziali nelle aree linguistiche a causa di cambiamenti plastici o dell'effetto massa, specialmente nei pazienti con lesioni di grandi dimensioni.
  9. Ridurre l'intensità del TMS in incrementi del 2%-5% della potenza massima dello stimolatore se la mappatura induce dolore o disagio.
  10. Interrompere la misurazione se il dolore o il disagio indotti non sono tollerati dal soggetto.

6. Strategia quando non si verificano errori di denominazione

  1. Terminare la stimolazione e modificare i parametri di stimolazione.
  2. Diminuire l'IPI con incrementi di 200 ms rispetto al valore predefinito (ad esempio, da 2.500 ms a 2.300 ms).
  3. Modificare la frequenza di erogazione dell'impulso da 5 Hz a 7 Hz. Modificare l'intervallo tra l'inizio dell'immagine presentata e la rTMS (attualmente, non c'è consenso sull'opportunità di aumentarla o diminuirla). Aumentare l'intensità della stimolazione (senza evocare disagio).

7. Analisi off-line degli errori di denominazione evocati

  1. Collaborare con un esperto (ad esempio, un neuropsicologo), che dovrebbe essere presente in modo ottimale in sala operatoria.
  2. Ricontrolla gli errori di denominazione evocati osservando il posizionamento della bobina e le possibili interferenze del dolore dalle registrazioni video.
  3. Classificare gli errori secondo Corina et al.27 (es. anomia, parafasia semantica e fonologica, errori di prestazione).
    1. Se un particolare tipo di errore si ripete nel video di base, non considerarlo come un errore durante l'analisi dei video della sessione di stimolazione.
  4. Se un oggetto prende il nome dal treno rTMS, consideralo come un ritardo o un errore; Verificare anche eventuali fastidi del soggetto durante l'erogazione dell'impulso.
  5. Se il soggetto non è in grado di nominare un determinato oggetto anche se la lingua, le labbra e le mascelle si muovono, registrare un errore di mancata risposta.
  6. Se un'immagine ha un nome diverso in ogni sessione, eliminala.
  7. Se non sei sicuro, controlla le prestazioni del sito di stimolazione vicino o l'effetto della stimolazione dell'altro emisfero con la stessa immagine.

Representative Results

È stato utilizzato un sistema di stimolazione magnetica transcranica navigata con schermi e telecamere integrati. La Figura 1A-C evidenzia i diversi errori di denominazione evocati da TMS in un soggetto durante l'attività in diverse PTI (180 ms, 200 ms e 215 ms). L'effetto della temporizzazione degli impulsi TMS sul numero di errori evocati è evidente. In altre parole, sono stati rilevati cambiamenti nelle prestazioni correlati al TMS in diverse aree in diverse PTI. Il numero di errori variava a seconda della tempistica degli impulsi TMS anche negli stessi siti corticali, in accordo con studi MEG che dimostravano la variazione dei tempi di attivazione in diverse aree corticali correlate al linguaggio28. Un confronto dei risultati tra la mappatura extraoperatoria delle MDD e la nrTMS con un PTI fisso a 300 ms in un paziente con epilessia intrattabile è mostrato nella Figura 2. I dati sono stati ottenuti da una precedente pubblicazione incentrata sull'epilessia29.

Figure 1
Figura 1: Risultati di un SCM nrTMS illustrato su un modello 3D basato sulla risonanza magnetica di un volontario sano . (A) PTI di 180 ms. (B) PTI di 200 ms. (C) PTI di 215ms. Oltre alle principali aree relative al linguaggio, è stata stimolata l'area motoria pre-supplementare (pre-SMA) come descritto nel protocollo (fase 5.7). La maggior parte degli errori sono stati evocati nelle aree linguistiche classiche (IFG, STG, SMG), ma anche lungo il percorso che collega l'area pre-SMA e quella di Broca (i punti verdi vicini alla linea mediana in A e B). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Confronto dei risultati tra la mappatura extraoperatoria delle MDD e la nrTMS con un PTI fisso a 300 ms in un paziente con epilessia intrattabile . (A) Mappatura extraoperatoria della griglia all'età di 13 anni. Le sfere gialle rappresentano tutti gli elettrodi sulla corteccia. Vengono mostrati i siti di stimolazione degli elettrodi (2-5 mA) che hanno indotto le risposte motorie della mano e della bocca (cerchi verdi), l'arresto dei nomi (anomia; cerchi rossi) e l'interruzione della ripetizione della frase (cerchi rosa). (B) nrTMS SCM dello stesso paziente all'età di 15 anni. Vengono mostrati i siti di anomie indotte da nrTMS (punti rossi), parafasie semantiche e fonologiche (punti gialli) ed esitazioni (punti bianchi). Le aree con induzione dell'errore altamente riproducibile e affidabile sono cerchiate. I dati per questa immagine sono stati presi dallo studio di Lehtinen et al.29. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura supplementare 1: Esempi di immagini presentate nell'esperimento nrTMS SCM (in finlandese tra parentesi). (A) Appendiabiti (Henkari). (B) Forbici (Sakset). (C) Fragola (Mansikka). Clicca qui per scaricare questo file.

Discussion

Qui viene presentato un protocollo per nrTMS SCM, che consente una mappatura corticale non invasiva praticamente completa dei più importanti hub della rete vocale e linguistica. Il suo principale vantaggio è che può simulare in modo non invasivo la mappatura delle MDD durante la craniotomia da sveglio30 o extraoperatoriamente29 (vedi Figura 2). Inoltre, può essere applicato agli studi sulla rete corticale linguistica in popolazioni sane31 e in pazienti con malattie che non sono suscettibili di chirurgia32. nrTMS per SCM può anche essere applicato per sviluppare strategie di neuroriabilitazione come la selezione del target (ad esempio, dopo l'ictus). L'induzione della plasticità nelle rappresentazioni corticali correlate al linguaggio da parte della MDD prima dell'intervento chirurgico è stata studiata33 per aumentare l'estensione della resezione34. Devono essere esaminate le possibilità di nrTMS SCM in tali studi.

Nei risultati attuali, un'area relativamente ampia, comprese le aree classiche relative al linguaggio e la pre-SMA, è stata ripetutamente stimolata a tre diversi PTI. Ogni PTI ha mostrato diversa sensibilità e specificità agli errori, ma ha anche dimostrato la ben nota variabilità della risposta nelle stimolazioni cerebrali non invasive35. La maggior parte degli errori sono stati indotti dalla stimolazione di IFG, STG, pre-SMA e lungo il tratto inclinato frontale36. Questo evidenzia la potenza di nrTMS SCM; in particolare, rispetto alla MDD, la stimolazione può essere mirata in modo abbastanza flessibile a diverse aree. Abbiamo osservato che cambiare il PTI e registrare molte sessioni non accelera chiaramente i tempi di reazione26,29, che sarebbero associati a un effetto di apprendimento.

Il protocollo evidenzia diversi parametri che possono influenzare l'accuratezza di nrTMS SCM. I risultati possono essere sensibili alle scelte fatte dall'operatore TMS; Il presente articolo mira a fornire una linea guida standard con parametri di stimolazione ben testati. L'elevata specificità deriva da una scelta appropriata di diversi parametri, tra cui ISI, PTI, posizione della bobina e frequenza rTMS. Questi parametri influenzano la specificità degli errori indotti, che riflettono le funzioni nelle aree corticali sottostanti; La selezione dei parametri deve essere basata sulle attuali conoscenze sulla neurobiologia del linguaggio.

Le immagini per l'attività di denominazione devono essere selezionate in modo che non inducano da sole a nomi errati (Figura supplementare 1). Qui, le immagini sono state scelte da una banca immagini standardizzata e controllate per vari parametri di denominazione25,37. Ad esempio, il pool di immagini era limitato a elementi con complessità e frequenza simili nell'uso quotidiano, nonché ad alti consensi. La scelta delle immagini può variare in base alle esigenze di ciascun centro chirurgico38, della popolazione indagata39, della lingua madre del soggetto testato 40,41 e del compito utilizzato42. Come presentato nel protocollo, la selezione dell'immagine di base viene infine individualizzata per ciascun soggetto, poiché la denominazione in loco è soggettiva.

La frequenza di stimolazione deve essere definita individualmente, perché può determinare la distribuzione degli errori durante la stimolazione cerebrale magnetica transcranica navigata43. La scelta presentata, 4-8 Hz, si basa sul lavoro rTMS di Epstein et al.44. La frequenza di stimolazione iniziale è impostata su 5 Hz. Se non vengono rilevati errori, la frequenza di stimolazione viene aumentata a 7 Hz. Frequenze più elevate possono ridurre il dolore indotto da nrTMS e aumentare la specificità degli errori di denominazione45. Le frequenze più alte hanno anche il vantaggio di limitare gli impulsi a un intervallo di tempo breve e più specifico. Possono, tuttavia, influenzare funzioni relative, ad esempio, all'esecuzione motoria del linguaggio44,46, che non sono l'obiettivo principale del presente protocollo.

Si consiglia di variare il PTI tra 150-400 ms. Questa è un'importante finestra temporale per il recupero delle parole durante l'attività di denominazione degli oggetti28,47. Il protocollo mira alla specificità del parlato evitando l'interferenza dell'elaborazione visiva di base, che si verifica durante i primi 150 ms dopo la presentazione dell'immagine e può influenzare la denominazione degli oggetti ma non è correlata alla produzione del discorso. Il limite superiore raccomandato per il PTI si basa sulle latenze di risposta tipiche nella denominazione delle immagini nello stesso soggetto28,48 e ci si può aspettare una variazione individuale nei valori ottimali tra i soggetti (vedere Figura 1). La selezione del PTI dovrebbe idealmente essere basata su misure personalizzate, anche se ciò può essere logisticamente impegnativo in un contesto clinico. I protocolli dell'ospedale universitario di Helsinki di solito iniziano con un PTI di 300 ms. Può anche essere utile modificare il PTI in base all'area stimolata12,13,49, come indicato da diversi studi linguistici28,47,50. Tuttavia, le PTI al di fuori della finestra sopra menzionata possono anche indurre errori di denominazione utili per la valutazione prechirurgica (per uno studio comparativo, vedere Krieg et al.49 utilizzando PTI di 0-300 ms).

La rete vocale corticale è diffusa e varia tra gli individui, in particolare nei pazienti con tumori ed epilessia29,30,39. nrTMS induce disturbi del linguaggio con grande variabilità tra gli individui, analogamente a quelli osservati durante le stimolazioni craniotomie da sveglio27,51. Le informazioni ottenute da fMRI50, DTI 52,53,54 e MEG 55 possono indirizzare l'utente nTMS e risultare in una procedura su misura per ogni individuo ed è, quindi, più specifica e accurata. L'obiettivo in nrTMS SCM è aumentare la specificità, ridurre il numero di non-responder, guidare il DCS in modo affidabile o sostituirlo quando le risorse e le condizioni non consentono a un team di esperti altamente specializzati di eseguirlo. In futuro, la TMS multilocus (mTMS) potrebbe essere applicata nella procedura per stimolare diverse parti della corteccia senza muovere fisicamente la bobina di stimolazione56.

Il presente protocollo può essere eseguito con diversi tipi di compiti di denominazione42,57 o altri compiti cognitivi (calcoli, processo decisionale, ecc.) 58. La registrazione video può rivelare caratteristiche cruciali dell'esecuzione del compito (ad esempio, smorfie del soggetto che indicano che non viene indotto alcun arresto motorio del linguaggio) che possono passare inosservate durante la stimolazione. La configurazione consente inoltre di chiedere al soggetto informazioni sulle esperienze e le sensazioni indotte da nrTMS visualizzando congiuntamente la registrazione video. Questo può aiutare a distinguere gli errori indotti dal dolore dai veri effetti della nrTMS. Infine, il protocollo può essere facilmente modificato per diversi gruppi di soggetti (ad esempio, individui bilingue31) e per soddisfare le esigenze di ogni team chirurgico o di ricerca.

Disclosures

P.L. è stato consulente di Nexstim Ltd. per la mappatura corticale motoria e vocale.

Acknowledgments

Pantelis Lioumis è stato sostenuto da una sovvenzione HUS VTR (TYH2022224), Salla Autti dalla Fondazione Päivikki e Sakari Sohlberg e Hanna Renvall dalla Fondazione Paulo e dall'Accademia di Finlandia (sovvenzione 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

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Disegno di studio per la stimolazione magnetica transcranica ripetitiva navigata per la mappatura corticale del parlato
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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).

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