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Invasive versus non-invasive mapping of the motor cortex

1. September 2020

Carolin Weiss Lucas, Charlotte Nettekoven, Volker Neuschmelting, Ana-Maria Oros-Peusquens, Gabriele Stoffels, Shivakumar Viswanathan, Anne K. Rehme, Andrea Maria Faymonville, N. Jon Shah, Karl Josef Langen, Roland Goldbrunner, und Christian Grefkes

Das Hauptziel der Chirurgie bei der Behandlung von Hirntumoren ist die vollständige Tumorresektion unter Erhalt der motorischen Funktion. Folglich benötigen die Neurochirurgen bei der Planung und Durchführung einer Tumorresektion eine Möglichkeit, den motorischen Kortex präzise darzustellen, um eine Schädigung während der Operation zur vermeiden. Derzeit wird dies am häufigsten durch intraoperative direkte kortikale Stimulation (DCS) erreicht.

Die DCS ist ein invasiver Eingriff, der während der Operation stattfindet und schwache Stromstöße zur Stimulation einzelner Kortexbereiche verwendet. Die Effekte der Stimulation ermöglicht es dem Chirurgen, bestimmte Funktionsbereiche mit hoher Genauigkeit zu identifizieren. Obwohl die DCS als Goldstandard gilt, hat sie jedoch mehrere Nachteile. Der Hauptnachteil besteht darin, dass die DCS während der Operation selbst stattfindet und nicht in die präoperative Planung zur Beurteilung der Lage des Tumors in Relation zu den funktionell wichtigen Arealen einbezogen werden kann. Darüber hinaus beeinträchtigen das für die DCS erforderliche anästhesiologische Verfahren und der interoperative Charakter der Methode die Zuverlässigkeit der Abbildung der motorischen Areale, was zu operationsbedingten Schäden führen kann. Folglich ist es von besonderem klinischen Interesse, vor der Operation eine detaillierte, nicht-invasive Darstellung der funktionell wichtigen kortikalen Areale zu erhalten.

Mögliche nicht-invasive Methoden zur Lokalisierung des motorischen Kortex sind die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) und die Magnetoenzephalographie (MEG) oder eine Kombination beider Methoden. Während die fMRT auf der Erfassung der Veränderungen der Sauerstoffversorgung und des Blutflusses im Gehirn als Reaktion auf neurale Aktivität beruht, registriert die MEG sehr empfindliche Magnetfelder, die durch elektrische Ströme im Gehirn erzeugt werden.

Sowohl fMRI als auch MEG arbeiten mit indirekter Stimulation neuronaler Aktivität. In jüngerer Zeit hat sich jedoch die neuronavigierte transkranielle Magnetstimulation (nTMS) zunehmend als Methode zur Lokalisation des motorischen Kortex durchgesetzt. Bei dieser Methode wird eine Handspule verwendet, um mittels eines lokalen Magnetfelds die Hirnrinde direkt zu stimulieren. Im Bereich des motorischen Kortex bewirkt diese Stimulation die Aktivierung von Neuronen, die die Muskeln steuern, und ermöglicht so die genaue Erfassung von Funktionsbereichen.

Das Potenzial für den Einsatz dieser Methoden in der prächirurgischen Planung ist offensichtlich. Es liegen jedoch nur wenige Daten vor, und es gibt nur wenige Untersuchungen, die diese Methoden mit dem derzeitigen Goldstandard, der DCS, vergleichen.

In dieser Studie wurde die Kartierung des motorischen Kortex mittels neuronavigierter transkranialer Magnetstimulation (nTMS) und funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) im Vergleich zur DCS untersucht. Für die Studie wurde die Kartierung der Hand-, Fuß- und Zungenregion von 36 Patienten mit intrakraniellen Tumoren verwendet. Die Tumore wurden präoperativ mittels nTMS und fMRI und intraoperativ mittels DCS kartiert. Die Karten wurden hinsichtlich der euklidischen Abstände (ED) zwischen Hotspots/Schwerpunkten und (relativen) Überlappungen verglichen.

Die Ergebnisse zeigten signifikant kleinere EDs (11,4 ± 8,3 vs. 16,8 ± 7,0 mm) und bessere räumliche Überlappungen (64 ± 38% vs. 37 ± 37%) zwischen DCS und nTMS im Vergleich zu DCS und fMRI. Im Gegensatz zur DCS waren fMRI- und nTMS-Kartierungen für alle Regionen und Patienten ohne Komplikationen durchführbar.

Die Abbildung unten zeigt die euklidischen Abstände (ED) zwischen den funktionellen Arealen. Die jeweiligen Paare von 3D-Koordinaten repräsentieren (a) gepoolte Daten, (b) Hotspots/lokale Aktivierungsmaxima und (c) CoG. Die gepaarten Werte der verschiedenen Modalitäten sind farbcodiert: ED zwischen fMRI und nTMS (hellblau), zwischen fMRI und DCS (blau) sowie zwischen nTMS und DCS (dunkelblau). In A sind statistisch signifikante Unterschiede zwischen den ED nach Post-Hoc-Tests durch Sternchen (*p < .05; ***p < .001) gekennzeichnet. Die Fehlerbalken stellen den Standardfehler des Mittelwertes dar.

Obwohl die Anzahl der Untersuchungen in dieser Studie nicht ausreichend ist, um Unterschiede bei der Verursachung seltener Ereignissen wie bleibender neurologischer Schäden analysieren, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die nTMS die vielversprechendere nicht-invasive Technik zur Kartierung des motorischen Kortex ist und nahe den Goldstandard-DCS herankommt. Somit hat sie das Potenzial, die präoperative Planung von Hirntumoren zu verbessern.

Application of Evolution Strategies to the Design of SAR Efficient Parallel Transmit Multi Spoke Pulses for Ultra-High Field MRI

Originalpublikation:

Invasive versus non-invasive mapping of the motor cortex


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