Картирование кортикальной стимуляции ( CSM ) — это тип электрокортикографии , который включает в себя физически инвазивную процедуру и направлен на локализацию функции определенных областей мозга посредством прямой электрической стимуляции коры головного мозга . [1] Он остается одним из самых ранних методов анализа мозга и позволил исследователям изучить связь между корковой структурой и системной функцией. [2] Картирование кортикальной стимуляции используется для ряда клинических и терапевтических целей и остается предпочтительным методом для предоперационного картирования двигательной коры и языковых областей для предотвращения ненужного функционального повреждения. [3] Существуют также некоторые клинические применения картирования кортикальной стимуляции, такие как лечение эпилепсии . [4]
История картирования кортикальной стимуляции восходит к концу 19 века. Невролог Дэвид Ферье и нейрохирург Виктор Хорсли были одними из первых, кто использовал эту технику. [2] Ферье и Хорсли использовали CSM для дальнейшего понимания структуры и функции прероландических и построландических областей, также известных как прецентральная извилина и постцентральная извилина . До разработки более продвинутых методов, в 1888 году CB Nancrede использовал работающий от батареи биполярный зонд для картирования моторной коры . [2] В 1937 году Уайлдер Пенфилд и Болдри смогли показать, что стимуляция прецентральной извилины вызывала ответ контралатерально ; важное открытие, учитывая, что оно коррелировало с анатомией, основанной на том, какая часть мозга стимулировалась. [2] В начале 1900-х годов Чарльз Шеррингтон начал использовать монополярную стимуляцию для того, чтобы вызвать двигательный ответ. [2] Эта техника позволила Шеррингтону определить, что прецентральная извилина (прероландическая область) является моторной корой, а постцентральная извилина (построландическая область) является сенсорной корой . Эти открытия, которые были повторены Харви Кашингом в начале 1900-х годов, показывают, что роландическая борозда является точкой разделения между моторной и сенсорной корой. Работа Кушинга с CSM перевела ее из экспериментальной техники в ту, которая стала основной нейрохирургической техникой, используемой для картирования мозга и лечения эпилепсии. [5] Кушинг взял работу, которая ранее была проделана на животных, в частности, шимпанзе и орангутанах, и смог использовать картирование кортикальной стимуляции для учета различий между этими видами и людьми. [5] Работа Кушинга значительно повысила эффективность лечения с использованием картирования кортикальной стимуляции, поскольку нейрохирурги теперь использовали более обновленную картину мозга. [ необходима цитата ]
Картирование кортикальной стимуляции — это инвазивная процедура, которая должна быть выполнена во время краниотомии . После того, как твердая мозговая оболочка отслаивается, на мозг помещается электрод для проверки двигательной, сенсорной, языковой или зрительной функции в определенном участке мозга. Электрод подает электрический ток длительностью от 2 до 10 секунд на поверхность мозга, вызывая обратимое поражение в определенном участке мозга. Это поражение может предотвратить или вызвать проверяемую реакцию, такую как движение конечности или способность идентифицировать объект. Электрический ток от электрода стимулирует любую функцию, за которую отвечает этот участок мозга, по сути сообщая хирургу или исследователю, что делает определенный участок мозга. [6]
Электроды обычно изготавливаются из нержавеющей стали или платино-иридиевого сплава, встроенного в силастик , и обычно имеют круглую форму с диаметром от 2 до 3 мм. Расположение электродов варьируется от пациента к пациенту, и электроды могут располагаться рядами, в виде сетки или могут быть расположены индивидуально. Необходимое количество электродов и их точное пространственное расположение часто определяются в операционной. [1] Картирование кортикальной стимуляции позволяет размещать электроды в точных местах для проверки функции мозга и определения того, вызывает ли стимуляция участка мозга функциональное нарушение у пациента. [7] CSM можно выполнять с использованием анестезированных пациентов или бодрствующих пациентов. [1]
Электроды можно либо размещать непосредственно на интересующих участках мозга, либо размещать в субдуральном пространстве мозга. Субдуральные электроды могут слегка смещаться и могут быть подвержены влиянию спинномозговой жидкости в субдуральном пространстве, что может помешать току, используемому для стимуляции мозга от электродов, и, возможно, вызвать шунтирование и рассеивание тока, делая эффект стимуляции менее точным. Однако преимуществом сеток субдуральных электродов является то, что их можно оставлять в мозге на несколько дней, и они позволяют проводить функциональное тестирование во время стимуляции вне операционной. [1]
Уровни и плотность тока являются важными факторами во всех процедурах картирования кортикальной стимуляции. Плотность тока , то есть количество тока, подаваемого на определенную область мозга, должна быть достаточной для эффективной стимуляции нейронов и не отмирания слишком быстро, но при этом достаточно низкой, чтобы защитить мозговую ткань от повреждающих токов. Токи поддерживаются на уровнях, которые были определены как безопасные, и подаются только в виде коротких всплесков, обычно всплесков, которые медленно увеличиваются по интенсивности и продолжительности до тех пор, пока не будет проверен ответ (например, движение мышцы). Интенсивность тока обычно устанавливается около всплесков в 1 мА для начала и постепенно увеличивается с шагом от 0,5 до 1 мА, и ток подается в течение нескольких секунд. Если подаваемый ток вызывает послеразряды, нервные импульсы , которые возникают после стимуляции, то уровни понижаются. Исследования пациентов, прошедших картирование кортикальной стимуляции, не обнаружили никаких повреждений коры в тестируемых областях. [1]
Было показано, что различные типы и методы введения анестезии влияют на картирование кортикальной стимуляции. CSM может быть выполнена на бодрствующих пациентах, что называется бодрствующей краниотомией или у пациентов, находящихся под общим наркозом. Если пациент находится под общим наркозом , глубина анестезии может повлиять на результат, поскольку если уровни мышечной релаксации слишком высоки из-за нейромышечных блокирующих препаратов, то результаты картирования могут быть неверными. [8] Для процедуры бодрствования существуют различные соображения по уходу за пациентом, которые анестезиолог должен учитывать. Вместо того, чтобы просто убедиться, что пациент спит, врач может следовать так называемой технике «сон-бодрствование-сон». При этой технике пациент анестезируется с помощью общей анестезии во время начальной и конечной частей процедуры, но в промежутке пациент поддерживается с помощью местной анестезии. [4] Методы местной анестезии могут быть либо локальной полевой блокадой, либо региональной нервной блокадой кожи головы. [4] Более распространенной техникой краниотомии в сознании является сознательная седация. При сознательной седации пациент находится в состоянии седации только во время процесса открытия и закрытия, но никогда не находится в состоянии полной анестезии, что устраняет необходимость в дыхательных трубках, снижает вероятность осложнений и снижает вероятность проблем с двигательной реакцией. [4] Пациенты, прошедшие процедуру с краниотомией в сознании вместо общей анестезии, имеют лучшую сохранность речевой функции, прогнозируемую их исход без приступов на основе кортикографии, более короткую госпитализацию (что соответствует уменьшению стоимости лечения), меньшее использование инвазивных мониторов и меньшее количество послеоперационных осложнений из-за анестезии, таких как тошнота и рвота. [4]
Картирование кортикальной стимуляции используется для соматотопии для определения областей коры головного мозга, которые соединяются через нервные волокна с различными частями тела. Кортикальная стимуляция определяет, какие области мозга жизненно важны для определенных функций, тем самым позволяя создать «карту», которую можно использовать для принятия решения о том, безопасно ли удалять области мозга. Картирование кортикальной стимуляции привело к разработке гомункула для моторной и сенсорной коры, которая представляет собой схему, показывающую связи мозга с различными областями тела. Примером является кортикальный гомункулус первичной моторной коры и соматосенсорной коры , которые разделены центральной бороздой . Схема начинается в продольной борозде и продолжается латерально от центра мозга, представляя общую картину от нижних конечностей и гениталий в борозде до рук и лица на внешних краях мозга. [2]
Функциональное тестирование движения во время кортикальной стимуляции включает в себя поиск активного движения и торможения движения. Когда стимулируется прецентральная извилина лобной доли , определенные мышцы тела будут сокращаться в зависимости от расположения мозга, который получает электрический сигнал. Стимуляция одной стороны мозга вызовет сокращение на контралатеральной , или противоположной, стороне тела. [2]
Более поздние исследования с использованием CSM показали, что двигательная кора более сложна, чем та, которую изображает традиционный гомункулус, и что двигательные реакции происходят в лобной доле, которая находится дальше от узкой полоски рядом с центральной бороздой. [1]
Области коры, которые подавляют движение при стимуляции, в некоторых случаях оказываются дополнительными и не жизненно важными для двигательной функции. Эти области были удалены без ущерба для способности пациента двигаться после операции. [1]
Во время стимуляции используются различные языковые задания для проверки функций мозга, такие как чтение предложений, слуховое понимание и спонтанная речь, например, называние объектов. [1] Кортикальная стимуляция в языковых областях мозга обычно проверяет подавление некоторых языковых возможностей, а не определенную двигательную или сенсорную реакцию. Это может привести к тому, что языковое картирование потребует более сложных языковых задач, которые будут оцениваться во время тестирования, чтобы определить, является ли стимулируемый участок необходимым для определенной языковой способности. [6]
Языковое картирование обычно выполняется в левом полушарии мозга, где расположено большинство языковых областей, таких как области Брока и Вернике . Картирование кортикальной стимуляции также выявило языковую область в базальной височной коре, которая ранее была неизвестна. [6]
Картирование стимуляции коры головного мозга у пациентов с эпилепсией показало, что критические языковые области мозга сильно различаются у пациентов, что подчеркивает необходимость проведения точного картирования перед операциями в языковых областях. [9] Традиционные ориентиры, такие как области Брока и Вернике, не могут быть использованы для различения основных языковых участков коры головного мозга. Напротив, эксперименты, которые проверяли жизненно важные языковые участки, являются изменчивыми, и точную роль конкретной области коры в языковой задаче трудно оценить. Еще одним осложнением является то, что многие пациенты, прошедшие языковое картирование, страдают эпилепсией, которая часто изменяет локализацию корковых областей из-за нейропластической реакции на кортикальное повреждение, вызванное припадками пациента. [10] Поскольку процедура является настолько инвазивной, картирование стимуляции коры головного мозга для организации языка не проводится у здоровых людей. Кроме того, распределение и обилие конкретных языковых участков, связанных с задачей, показали различия в зависимости от IQ и пола. [6]
Соматосенсорное картирование включает измерение электрических реакций на поверхности мозга в результате стимуляции периферических нервов , таких как механорецепторы , которые реагируют на давление на кожу, и стимуляцию мозга напрямую для картирования сенсорных областей. Чувствительность была проверена у пациентов посредством стимуляции постцентральной извилины, с падением амплитуды сенсорных ответов, происходящим по направлению к центральной борозде. [2]
CSM является эффективным методом лечения фокальной эпилепсии и двусторонних или множественных очагов припадков. [11] Это эффективный вариант лечения, когда резекционная операция по удалению пораженной области невозможна, что обычно наблюдается при двусторонних или множественных очагах припадков. [11] CSM обычно используется для пациентов с эпилепсией , чтобы точно определить очаг припадков . Он используется, когда есть проверяемая гипотеза относительно расположения мозга для эпилептогенной зоны, определяемая с помощью менее инвазивной процедуры, электроэнцефалографии . После определения очага припадков эта информация позволяет нейрохирургам узнать, какие части мозга потенциально могут быть резецированы без каких-либо отрицательных послеоперационных неврологических дефицитов. [ необходима цитата ]
CSM будет рассматриваться для пациента с эпилепсией при соблюдении двух условий: испытание противоэпилептических препаратов не контролировало приступы и есть вероятность, что операция принесет пользу пациенту. [4] В связи с характером процедуры CSM используется только после того, как неинвазивные процедуры не смогли полностью локализовать и вылечить пациента. [12]
Инвазивные электроды представляют собой стереотаксически размещенные электроды или субдуральную полоску или решетчатый электрод. [12] Используя информацию, полученную с помощью CSM, можно выполнить ограниченную резекцию эпилептогенного мозга. [4] При фокальной эпилепсии резекционная хирургия является одним из основных вариантов лечения медикаментозно-резистентной эпилепсии. [11] Благодаря технике CSM, обычно использующей краниотомию в сознании, нейрохирург имеет возможность контролировать функционирование пациента во время резекции и стимуляции мозга.
Картирование кортикальной стимуляции может использоваться в нейроонкологии в качестве инструмента для определения областей мозга пациента, которые имеют решающее значение для таких функций, как язык и двигательные пути. [13] Эта процедура считается стандартной для операций, связанных с глиомами , чтобы уменьшить потерю двигательной функции и общую заболеваемость. Предоперационное планирование позволяет врачу избегать этих областей высокого риска, насколько это возможно, во время резекции опухоли, сводя к минимуму потенциальную потерю функции и развитие последствий . [14]
Пациенты, у которых хирург использует картирование кортикальной стимуляции для оценки анатомии и функции роландических областей, имеют больше шансов и более быструю скорость восстановления базовой функции после операции, чем те, кто перенес операции, избегающие этой техники. [15] То же самое можно сказать и о преимуществах картирования языковых областей с помощью техники кортикальной стимуляции перед резекцией глиомы. Оценка и минимизация ущерба от операции на областях, связанных с языком, приводит к большему и более быстрому возвращению общей языковой функции. [16]
Несмотря на функциональный выигрыш от сохранения этих красноречивых корковых областей, факторы соотношения пользы и риска все еще учитываются. Было показано, что более полная резекция опухоли, возможно, увеличивает продолжительность жизни пациентов с глиомой; однако увеличение количества удаленной мозговой ткани может также вызвать изнурительное снижение функции. Таким образом, картирование кортикальной стимуляции помогает определить максимальное количество ткани, которое может быть удалено, при этом сохраняя качество жизни пациента. [17]
Картирование затылочной коры может быть использовано при разработке протеза для слепых. Было обнаружено, что электрическая стимуляция затылочной доли вызывает зрительные иллюзии, называемые фосфенами, такие как свет, цвета или тени, которые наблюдались в ранних экспериментах Пенфилда и Джаспера . [1] Первое зарегистрированное создание искусственного зрения было в экспериментах, проведенных Бриндли и Добеллем, где они смогли позволить слепым пациентам «видеть» мелкие символы посредством корковой стимуляции. [18] Также известно, что электрическая стимуляция затылочной доли вызывает небольшие цветные круги, обычно в центре поля зрения пациента. [1] Зрительные галлюцинации, такие как движущиеся геометрические узоры и движущиеся цветные фосфены, также наблюдались при корковой стимуляции. Электроды на поверхности затылочной коры, как правило, производят мерцающие фосфены, в то время как электроды, вставленные глубже в кору, производят устойчивые цвета. [19] Первичная зрительная кора , которая отвечает за создание более сложных изображений, расположена глубже в шпорной борозде затылочной доли, поэтому для эффективной стимуляции этих областей необходима внутрикортикальная стимуляция. Внутрикортикальная стимуляция использует электрод, который проникает глубже в мозг, чтобы более эффективно стимулировать первичную зрительную кору, в отличие от попыток работать только с поверхности мозга, что может вызвать непреднамеренные визуальные сигналы, боль и повреждение нервной ткани. [18]
Для пациентов с глаукомой и атрофией зрительного нерва существующие ретинальные протезы не являются вариантом, поскольку зрительный нерв поврежден, поэтому протез с использованием кортикальной стимуляции является оставшейся надеждой на обеспечение некоторой зрительной функции. Кортикальный зрительный протез является многообещающим предметом исследования, поскольку он нацелен на нейроны за пределами места заболевания у большинства слепых пациентов. Однако остаются значительные проблемы, такие как воспроизводимость у разных пациентов, долгосрочные эффекты электрической стимуляции и более высокая сложность зрительной организации в первичной зрительной коре по сравнению с сетчаткой . [ 18]
Другим местом исследования зрительного протеза с использованием кортикальной стимуляции является сам зрительный нерв, который содержит нервные волокна, отвечающие за полное поле зрения. Исследования в этой области все еще продолжаются, и небольшой размер зрительного нерва и высокая плотность нервных волокон продолжают создавать проблемы для этого подхода [18]
Картирование кортикальной стимуляции (CSM) считается золотым стандартом для картирования функциональных областей мозга для создания предоперационного плана, который максимизирует функциональный результат пациента. [3] История благоприятных результатов и объем уже имеющейся информации о методе CSM делают его выгодным в клинических и исследовательских приложениях. Однако, поскольку у него есть недостаток, заключающийся в том, что он является интраоперационным методом, растут споры о его статусе как предпочтительного метода. Вместо этого рассматривается транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), новая [ когда? ] процедура, которая не несет такого же хирургического риска. [ кем? ]
Транскраниальная магнитная стимуляция приобретает все больший интерес как альтернативный инструмент для изучения взаимосвязей между определенными областями коры и функциями мозга, особенно потому, что ее неинвазивная природа имеет преимущества перед CSM. [20] Кроме того, из-за растущего объема исследований, сосредоточенных на изучении многих медицинских применений TMS, она может в конечном итоге иметь больше применений, чем CSM. Например, эта процедура успешно использовалась для измерения скорости проводимости в центральных двигательных путях, что делает ее полезным инструментом для тех, кто изучает рассеянный склероз . [21] Аналогичным образом, TMS также исследуется на предмет ее возможностей в качестве долгосрочной и, возможно, более экономически эффективной терапевтической альтернативы для лечения хронических психиатрических расстройств, таких как большая депрессия [22] , а также ее использования в качестве средства для помощи в восстановлении после инсульта . [23] Однако, хотя терапевтическая TMS в целом многообещающа, ее успех все еще неясен и не был подтвержден в ряде исследований. Это справедливо в отношении исследований пациентов с болезнью Паркинсона, которым проводилась длительная терапия TMS. Хотя изначально казалось, что эти субъекты улучшили результаты в тестах на координацию движений, эти результаты непоследовательно воспроизводимы. [24] Тот же тип результатов наблюдается в исследованиях шизофрении , где было показано, что когнитивные способности у пациентов с шизофренией, лечившихся с помощью ТМС, сильно различаются. Такие результаты предполагают, что доказательства эффектов ТМС отсутствуют, а нейробиологические механизмы этой техники все еще недостаточно изучены. [25] Из-за этих неопределенностей исследования этого метода продолжаются, и многое еще предстоит выяснить о его точном влиянии на состояние активации мозга. Для сравнения, CSM, имея преимущества более изученной техники, часто по-прежнему предпочитают. [ кем? ]
Безопасность также должна быть рассмотрена в отношении обоих методов. До сих пор [ когда? ] Руководящие принципы Управления по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) одобрили использование ТМС только для лечения депрессии. [26] Хотя эта техника не имеет известных длительных побочных эффектов, за исключением нескольких зарегистрированных случаев индуцированных припадков, к ней по-прежнему относятся с осторожностью из-за ее относительной новизны в клиническом использовании. [27] CSM получила одобрение FDA США на ее использование в отношении картирования кортикальной стимуляции, особенно в случаях лечения припадков и глиомы, а также для содействия размещению электродов в мозге. [28]
