Kortikal stimuleringskartläggning
| Kortikal stimuleringskartläggning | |
|---|---|
| Syfte | syftar till att lokalisera funktionen hos specifika hjärnregioner |
Kortikal stimuleringskartläggning ( CSM ) är en typ av elektrokortikografi som involverar en fysiskt invasiv procedur och syftar till att lokalisera funktionen hos specifika hjärnregioner genom direkt elektrisk stimulering av hjärnbarken . Det är fortfarande en av de tidigaste metoderna för att analysera hjärnan och har gjort det möjligt för forskare att studera sambandet mellan kortikal struktur och systemisk funktion. Kortikal stimuleringskartläggning används för ett antal kliniska och terapeutiska tillämpningar och är fortfarande den föredragna metoden för prekirurgisk kartläggning av den motoriska cortex- och språkområdena för att förhindra onödig funktionsskada. Det finns också några kliniska tillämpningar för kortikal stimuleringskartläggning, såsom behandling av epilepsi .
Historia
Historien om kortikal stimuleringskartläggning går tillbaka till slutet av 1800-talet. Neurologen David Ferrier och neurokirurgen Victor Horsley var några av de första som använde denna teknik. Ferrier och Horsley använde CSM för att ytterligare förstå strukturen och funktionen av de pre-Rolandic och post-Rolandic områdena, även kända som pre-central gyrus och post-central gyrus . Före utvecklingen av mer avancerade metoder använde CB Nancrede 1888 en batteridriven bipolär sond för att kartlägga den motoriska cortexen . 1937 Wilder Penfield och Boldrey visa att stimulering av den precentrala gyrusen framkallade ett svar kontralateralt ; ett betydande fynd med tanke på att det korrelerade med anatomin baserat på vilken del av hjärnan som stimulerades. I början av 1900-talet Charles Sherrington använda monopolär stimulering för att framkalla ett motoriskt svar. Denna teknik gjorde det möjligt för Sherrington att fastställa att den precentrala gyrusen (pre-Rolandic area) är en motorisk cortex och den postcentrala gyrusen (post-Rolandic area) är en sensorisk cortex . Dessa fynd, som upprepades av Harvey Cushing under det tidiga 1900-talet, visar att den Rolandic fissuren är punkten för separation mellan motoriska och sensoriska cortices. Cushings arbete med CSM flyttade det från en experimentell teknik till en som blev en grundläggande neurokirurgiteknik som används för att kartlägga hjärnan och behandla epilepsi. Cushing tog arbete som tidigare hade gjorts på djur, speciellt schimpanser och orangutanger, och kunde använda kortikal stimuleringskartläggning för att ta hänsyn till skillnaderna mellan dessa arter och människor. Cushings arbete ökade dramatiskt effektiviteten av behandlingen med kortikal stimuleringskartläggning, eftersom neurokirurger nu använde en mer uppdaterad bild av hjärnan. [ citat behövs ]
Procedur
Kortikal stimuleringskartläggning är en invasiv procedur som måste slutföras under en kraniotomi . När dura mater är tillbakadragen, placeras en elektrod på hjärnan för att testa motorisk, sensorisk, språklig eller visuell funktion på en specifik hjärnplats. Elektroden levererar en elektrisk ström som varar från 2 till 10 sekunder på ytan av hjärnan, vilket orsakar en reversibel lesion på en viss hjärnplats. Denna lesion kan förhindra eller producera ett testbart svar, såsom rörelse av en lem eller förmågan att identifiera ett föremål. Den elektriska strömmen från elektroden stimulerar vilken funktion den platsen i hjärnan än är ansvarig för, och berättar i huvudsak för kirurgen eller undersökaren vad en specifik plats i hjärnan gör.
Elektroder är vanligtvis gjorda av rostfritt stål eller platina-iridium inbäddade i ett silastiskt material, och är vanligtvis cirkulära med diametrar på 2 till 3 mm. Elektrodpositionering varierar från patient till patient, och elektroderna kan komma i rader, i en rutnätsuppsättning eller kan arrangeras individuellt. Antalet nödvändiga elektroder och deras exakta rumsliga arrangemang bestäms ofta i operationssalen. Kortikal stimuleringskartläggning gör att elektroder kan placeras på exakta platser för att testa hjärnans funktion och identifiera om stimulering av hjärnlokaliseringen orsakar en funktionsnedsättning hos patienten. CSM kan slutföras med sövda patienter eller vakna patienter.
Elektroder kan antingen placeras direkt på hjärnområden av intresse eller kan placeras i det subdurala utrymmet i hjärnan. Subdurala elektroder kan förskjutas något och kan påverkas av cerebrospinalvätska i det subdurala utrymmet, vilket kan störa strömmen som används för att stimulera hjärnan från elektroderna och eventuellt orsaka shuntning och avleda strömmen, vilket gör stimuleringens effekt mindre exakt. En fördel med subdurala elektrodgaller är dock att de kan lämnas kvar i hjärnan i flera dagar och tillåter funktionstestning under stimulering utanför operationssalen.
Nuvarande nivåer och densitet är ett viktigt övervägande i alla kortikala stimuleringskartläggningsprocedurer. Strömtäthet , det vill säga mängden ström som appliceras på ett definierat område av hjärnan, måste vara tillräcklig för att stimulera neuroner effektivt och inte dö ut för snabbt, men ändå tillräckligt låg för att skydda hjärnvävnaden från skadliga strömmar. Strömmar hålls på nivåer som har fastställts säkra och ges endast som korta skurar, vanligtvis skurar som långsamt ökar i intensitet och varaktighet tills ett svar (som en muskelrörelse) kan testas. Strömintensiteten ställs vanligtvis in på skurar på 1 mA för att börja och ökas gradvis i steg om 0,5 till 1 mA, och strömmen appliceras i några sekunder. Om den applicerade strömmen orsakar efterurladdningar, nervimpulser som uppstår efter stimulering, då sänks nivåerna. Studier på patienter som har fått kortikal stimuleringskartläggning har inte funnit några kortikala skador i de testade områdena.
De olika typerna och administreringsteknikerna för anestesi har visat sig påverka kortikal stimuleringskartläggning. CSM kan utföras på vakna patienter, kallad vaken kraniotomi eller på patienter som har lagts under allmän narkos. Om patienten är under narkos kan djupet av anestesin påverka resultatet eftersom om nivåerna av muskelavslappning är för höga på grund av neuromuskulärt blockerande läkemedel kan resultaten från kartläggningen vara felaktiga. För det vakna ingreppet finns det olika hänsyn till patientvården som narkosläkaren måste ta hänsyn till. Istället för att bara se till att patienten sover kan läkaren följa det som kallas sova-vaken-sömn-tekniken. I denna teknik bedövas patienten med en allmän anestesi under öppnings- och stängningsdelarna av proceduren, men under mellantiden underhålls patienten med hjälp av lokalbedövning. De lokala anestesiteknikerna kan vara antingen ett lokalt fältblock eller ett regionalt nervblock i hårbotten. Den vanligaste tekniken för vaken kraniotomi är medveten sedering. Vid medveten sedering sövs patienten endast under öppnings- och stängningsprocessen, men aldrig helt sövd, vilket eliminerar behovet av andningsslangar, minskar risken för komplikationer och minskar risken för problem med motorisk respons. Patienter som genomgår ingreppet med en vaken kraniotomi istället för generell anestesi har bättre bevarande av språkfunktionen, en förutsägelse av deras anfallsfria utfall baserat på kortikografi, en kortare sjukhusvistelse (vilket motsvarar en minskad vårdkostnad), en minskad användning av invasiva monitorer och minskat antal postoperativa komplikationer på grund av anestesi såsom illamående och kräkningar.
Somatotopi
Kortikal stimuleringskartläggning används för somatotopi för att bestämma de områden i hjärnbarken som ansluter genom nervfibrer med olika kroppsdelar. Kortikal stimulering identifierar vilka regioner i hjärnan som är avgörande för vissa funktioner, vilket gör att en "karta" kan göras som kan användas för att avgöra om hjärnområden är säkra att ta bort. Kortikal stimuleringskartläggning ledde till utvecklingen av en homunculus för de motoriska och sensoriska cortexerna, vilket är ett diagram som visar hjärnans kopplingar till olika delar av kroppen. Ett exempel är den kortikala homunculus i den primära motoriska cortexen och den somatosensoriska cortexen, som är åtskilda av den centrala sulcusen . Diagrammet börjar i den längsgående sprickan och fortsätter ut i sidled från hjärnans mitt, vilket representerar det allmänna mönstret från nedre extremiteter och könsorgan i sprickan upp till händerna och ansiktet på hjärnans yttre kanter.
Motorkartläggning
Funktionell testning av rörelse under kortikal stimulering inkluderar att leta efter aktiv rörelse och hämning av rörelse. När frontallobens precentrala gyrus stimuleras, kommer specifika muskler i kroppen att dra ihop sig baserat på platsen för hjärnan som tar emot den elektriska signalen. Stimulering på ena sidan av hjärnan kommer att orsaka en sammandragning på den kontralaterala eller motsatta sidan av kroppen.
Nyare studier med användning av CSM har visat att den motoriska cortex är mer komplex än det arrangemang som avbildas traditionella homunculus, och att motoriska svar förekommer i frontalloben längre bort från den smala remsan bredvid den centrala sulcusen.
Områden av cortex som hämmar rörelse vid stimulering har i vissa fall visat sig vara kompletterande och inte avgörande för motorisk funktion. Dessa områden har tagits bort utan att äventyra en patients förmåga att röra sig efter operationen.
Språkkartläggning
används olika språkuppgifter för att kontrollera hjärnans funktion som att läsa meningar, hörselförståelse och spontant tal som att namnge föremål. Kortikal stimulering i språkområden i hjärnan testar vanligtvis för hämning av viss språkförmåga, snarare än en definierad motorisk eller sensorisk respons. Detta kan göra att språkkartläggning kräver mer komplexa språkrelaterade uppgifter som ska bedömas under testning, för att avgöra om platsen som stimuleras är väsentlig för en viss språkförmåga.
Språkkartläggning görs normalt i den vänstra hjärnhalvan där de flesta språkområdena finns, såsom Brocas och Wernickes områden. Kortikal stimuleringskartläggning har också identifierat ett språkområde i den basala temporala cortex som tidigare var okänt.
Kortikal stimuleringskartläggning hos patienter med epilepsi har visat att kritiska språkområden i hjärnan varierar mycket hos patienter, vilket understryker behovet av att utföra noggrann kartläggning före operationer i språkområden. Traditionella landmärken som Brocas och Wernickes områden går inte att lita på för att särskilja väsentlig språkbark. Snarare är experiment som har testat för vitala språkplatser varierande, och den exakta rollen för ett specifikt cortexområde i en språkuppgift är svår att bedöma. En ytterligare komplikation är att många patienter som har genomgått språkkartläggning har epilepsi, vilket ofta förändrar lokaliseringen av kortikala områden på grund av det neuroplastiska svaret på kortikal insult som orsakas av patientens anfall. Eftersom proceduren är så invasiv görs inte kortikal stimuleringskartläggning för språkorganisation på friska individer. Dessutom har fördelningen och överflödet av specifika uppgiftsrelaterade språksajter visat variation baserat på IQ och kön.
Somatosensorisk kartläggning
Somatosensorisk kartläggning innebär att mäta elektriska svar på hjärnans yta som ett resultat av stimulering av perifera nerver , såsom mekanoreceptorer som svarar på tryck på huden, och stimulera hjärnan direkt för att kartlägga sensoriska områden. Sensation har testats hos patienter genom stimulering av den postcentrala gyrusen, med en minskning av amplituden av sensoriska svar som inträffar mot den centrala sulcusen.
Kliniska applikationer
Epilepsi
CSM är en effektiv behandling för fokal epilepsi och bilaterala eller multipla anfallshärdar. Det är ett effektivt behandlingsalternativ när resektiv kirurgi för att ta bort det drabbade området inte är ett alternativ, vanligtvis sett med bilaterala eller multipla anfallsfokus. CSM används rutinmässigt för patienter med epilepsi för att fastställa anfallens anfallspunkt . Det används när det finns en testbar hypotes om hjärnans lokalisering för den epileptogena zonen, fastställd genom en mindre invasiv procedur, elektroencefalografi . När anfallens anfallspunkt har fastställts, gör denna information det möjligt för neurokirurger att veta vilka delar av hjärnan som potentiellt skulle kunna avlägsnas utan några negativa postoperativa neurologiska underskott. [ citat behövs ]
CSM kommer att övervägas för en patient med epilepsi när två villkor är uppfyllda: prövningen av antiepileptika har inte kontrollerat anfall och det finns en sannolikhet att operationen kommer att gynna patienten. På grund av förfarandets natur används CSM endast efter att icke-invasiva förfaranden inte har kunnat lokalisera och behandla patienten helt.
De invasiva elektroderna är stereotaxiskt placerade elektroder eller en subdural remsa eller gallerelektrod. Genom att använda informationen som erhålls genom CSM kan begränsad resektion av epileptogen hjärna utföras. För fokal epilepsi är resektiv kirurgi ett av de viktigaste behandlingsalternativen för läkemedelsresistent epilepsi. Genom tekniken för CSM, vanligtvis med vakna kraniotomier, har neurokirurgen förmågan att övervaka patientens funktion under resektion och stimulering av hjärnan.
Neuro-onkologi
Kortikal stimuleringskartläggning kan användas inom neuro-onkologi som ett verktyg för att identifiera de områden i en patients hjärna som är kritiska för funktioner som språk och motoriska vägar. Denna procedur anses vara standard för operationer som involverar gliom för att minska förlust av motorisk funktion och övergripande sjuklighet. Pre-kirurgisk planering gör det möjligt för läkaren att undvika dessa högriskområden så mycket som möjligt under en tumörresektion, vilket minimerar potentiell funktionsförlust och utveckling av följdsjukdomar .
Patienter vars kirurg använder kortikal stimuleringskartläggning för att bedöma anatomin och funktionen hos rolandiska områden har en större chans och snabbare hastighet att återfå baslinjefunktionen postoperativt än de som genomgår operationer som undviker denna teknik. Detsamma kan sägas om fördelarna med att kartlägga språkområden med kortikal stimuleringsteknik före en gliomresektion. Att bedöma och minimera skadorna av att operera i språkinvolverade regioner leder till en större och snabbare återgång av den övergripande språkfunktionen.
Trots den funktionella vinsten av att bevara dessa vältaliga kortikala områden övervägs fortfarande fördelar-till-riskfaktorer. Mer komplett tumörresektion har visat sig möjligen förlänga den förväntade livslängden för gliompatienter; dock kan en ökning av mängden borttagen hjärnvävnad också orsaka en försvagande funktionsnedsättning. Som sådan hjälper kortikal stimuleringskartläggning att bestämma den maximala mängden vävnad som kan avlägsnas samtidigt som patientens livskvalitet bibehålls.
Syn
Kartläggning av occipital cortex har möjlig användning i utvecklingen av en protes för blinda. Elektrisk stimulering i nackloben har visat sig orsaka visuella illusioner som kallas fosfener såsom ljus, färger eller skuggor, som observerades i de tidiga experimenten med Penfield och Jasper . Den första registrerade produktionen av artificiell syn var i experiment gjorda av Brindley och Dobelle, där de kunde tillåta blinda patienter att "se" små tecken genom kortikal stimulering. Elektrisk stimulering i occipitalloben har också varit känd för att producera små färgade cirklar vanligtvis i mitten av patientens synfält. Visuella hallucinationer, såsom rörliga geometriska mönster och rörliga färgade fosfener, har också observerats med kortikal stimulering. Elektroder vid den occipitala cortexytan tenderar att producera flimrande fosfener, medan elektroder som sätts djupare in i cortex producerar stadiga färger. Den primära visuella cortexen , som är ansvarig för att generera mer komplexa bilder, är belägen djupare i calcarine fissur av occipitalloben, så intrakortikal stimulering behövs för att stimulera dessa områden effektivt. Intrakortikal stimulering använder en elektrod som går djupare in i hjärnan för att mer effektivt stimulera den primära visuella cortexen, i motsats till att försöka arbeta endast från hjärnans yta, vilket kan orsaka oavsiktliga visuella signaler, smärta och skada på nervvävnaden.
För patienter med glaukom och synnervatrofi är befintliga retinalproteser inte ett alternativ eftersom synnerven är skadad, därför är en protes som använder kortikal stimulering ett kvarvarande hopp om att erbjuda viss synfunktion. En kortikal synprotes är ett lovande ämne för forskning eftersom den riktar sig mot neuroner förbi sjukdomsplatsen hos de flesta blinda patienter. Emellertid kvarstår betydande utmaningar såsom reproducerbarhet hos olika patienter, långtidseffekter av elektrisk stimulering och den högre komplexiteten i visuell organisation i den primära visuella cortex jämfört med den i näthinnan .
En annan plats för forskning för en synprotes som använder kortikal stimulering är själva synnerven, som innehåller de nervfibrer som ansvarar för hela synfältet. Forskning pågår fortfarande inom detta område och den lilla storleken på synnerven och den höga tätheten av nervfibrer är fortsatta utmaningar för detta tillvägagångssätt
Kortikal stimuleringskartläggning kontra transkraniell magnetisk stimulering
Kortikal stimuleringskartläggning (CSM) anses vara guldstandarden för kartläggning av funktionella regioner i hjärnan för att skapa en förkirurgisk plan som maximerar patientens funktionella resultat. Historien om fördelaktiga resultat och mängden information som redan är etablerad om CSM-tekniken gör den fördelaktig i kliniska och forskningsapplikationer. Men eftersom det har nackdelen att vara en intraoperativ teknik, finns det en växande debatt om dess status som den föredragna metoden. Istället transkraniell magnetisk stimulering (TMS), en ny [ när? ] förfarande som inte medför lika stor kirurgisk risk, övervägs. [ av vem? ]
Transkraniell magnetisk stimulering har fått ett ökande intresse som ett alternativt verktyg för att studera sambanden mellan specifika kortikala områden och hjärnans funktion, särskilt eftersom dess icke-invasiva karaktär är fördelaktigt jämfört med CSM. Dessutom, på grund av den ökande mängden forskning som fokuserar på att undersöka de många medicinska användningsområdena för TMS, kan det så småningom ha fler tillämpningar än CSM. Till exempel har denna procedur framgångsrikt använts för att mäta ledningshastigheten i centrala motorvägar, vilket gör det till ett användbart verktyg för dem som studerar multipel skleros . På samma sätt undersöks TMS också för dess möjligheter som ett långsiktigt och möjligen mer kostnadseffektivt terapeutiskt alternativ för behandling av kroniska psykiatriska störningar såsom egentlig depression samt dess användning som ett medel för att hjälpa till vid återhämtning av stroke . Men även om terapeutisk TMS överlag är lovande, är dess framgång fortfarande oklar och har inte bekräftats i ett antal studier. Detta gäller studier av Parkinsonspatienter som fick långvarig TMS-behandling. Även om det från början verkade som om dessa försökspersoner fick förbättrad prestanda i motoriska koordinationstest, är dessa resultat inkonsekvent reproducerbara. Samma typ av resultat ses i studier inom schizofreni där det har visat sig att kognitiva prestationer hos schizofrena patienter som behandlas med TMS är mycket varierande. Sådana resultat tyder på att bevis för effekterna av TMS saknas och denna tekniks neurobiologiska mekanismer är fortfarande inte väl förstådda. På grund av dessa osäkerheter pågår forskning om denna metod och mycket återstår fortfarande att fastställa om dess exakta effekt på hjärnans aktiveringstillstånd. Jämförelsevis är CSM, som har fördelarna med den mer undersökta tekniken, ofta fortfarande att föredra. [ av vem? ]
Säkerheten måste också beaktas med avseende på båda metoderna. Hittills [ när? ] Food and Drug Administration (FDA) riktlinjer har endast godkänt användningen av TMS för behandling av depression. Även om denna teknik inte har några kända bestående biverkningar förutom ett fåtal rapporterade fall av inducerade anfall, behandlas den fortfarande med försiktighet på grund av dess relativa nyhet i klinisk användning. CSM har erhållit amerikanskt FDA-godkännande för sina användningar avseende kortikal stimuleringskartläggning, särskilt i fall av anfalls- och gliombehandlingar, och för att hjälpa till med placeringen av elektroder i hjärnan.