Προ-εγχειρητική απεικόνιση του ανθρώπινου εγκεφάλου με την τεχνική της απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού

Abstract

The critical requirement to preserve basic human functions after brain surgery has given rise to the need for functional imaging of these processes pre-operatively to map them in the brain and avoid their extraction. Motor, speech, memory and vision are just some of the functions that can be mapped preoperatively. In the early stages of functional imaging, electroencephalography flourished. However, it quickly became inadequate methodology for imaging more complex functions such as speech. The invasive intracarotid amygdala technique was extensively used and evaluated to find the hemisphere of speech lateralization and is now considered the gold standard for evaluating other techniques. Its invasive nature, however, has made neurophysiologists look for alternative techniques. In the modern era, functional magnetic resonance imaging has gained ground in preoperative evaluation, with most centers worldwide (96%) having the ability to perform the technique, while in contrast, the intracarotid amygdala technique has declined with only 76% of centers having the ability to perform it. In Greece, the centers that have functional magnetic resonance imaging are few in number. In addition to this, there are no language mapping protocols for functional magnetic resonance imaging that have been validated for their validity and their ability to successfully map the language network reliably in all the subjects. In this PhD thesis, we seek to confirm the reliability and validity even in the subject-level analysis of a protocol for language mapping in Greek. For this objective, a protocol that has already been confirmed in the literature in English was translated and transferred into Greek language and culture. Twenty healthy Greek native speakers were volunteered to perform these tasks to identify the regions expected to be activated in the healthy population. Data acquisition was performed at " St. Luke" hospital, Thessaloniki, Greece. All six critical language areas were found activated, Broca's area, Wernicke's area, Exner's area, angular gyrus, supplementary motor area and basal temporal language area. Additional activations were found in the hemisphere of the cerebellum opposite to the hemisphere of language lateralization, as well as some clusters in the thalamus, the caudate nucleus and the hippocampus. Following that, in this PhD thesis, we seek an alternative technique to the statistical analysis technique of the general linear model. The trigger in this direction is the inability of the general linear model to satisfactorily map the activated areas in subjects who are either unable to cooperate during the tasks or unable to remain still, causing noise to interfere with brain activations making the results unreliable. The alternative technique studied in this thesis is the independent component analysis which can extract the sources that compose the original signal of functional magnetic resonance imaging. We show that the independent component analysis is able to produce reliable results in 89.59% of the scans while the general linear model was able to produce reliable results in only 88.03% of the scans. More importantly, however, is that the combination of both techniques is able to produce reliable results in 92.66% of scans improving the sensitivity of functional magnetic resonance imaging for language mapping.

Η απαίτηση για τη διατήρηση των βασικών λειτουργιών του ανθρώπου μετά από χειρουργεία στον εγκέφαλο γέννησε την ανάγκη για την λειτουργική απεικόνιση των λειτουργιών αυτών προ-εγχειρητικά με στόχο την χαρτογράφηση τους στον εγκέφαλο και την αποφυγή εξαίρεσης τους. Οι λειτουργίες της κίνησης, του λόγου, της μνήμης και της όρασης είναι μόνο κάποιες από τις λειτουργίες που μπορούν να χαρτογραφηθούν προεγχειρητικά. Στα πρώιμα στάδια της λειτουργικής απεικόνισης, το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα γνώρισε άνθιση. Γρήγορα όμως φάνηκε ανεπαρκής μεθοδολογία για την απεικόνιση πιο σύνθετων λειτουργιών όπως είναι ο λόγος. Η επεμβατική τεχνική της ενδοκαρωτιδικής αμυτάλης χρησιμοποιήθηκε και αξιολογήθηκε εκτενώς για την εύρεση του ημισφαιρίου πλαγίωσης του λόγου και πλέον θεωρείται η χρυσή σταθερά για την αξιολόγηση των υπόλοιπων τεχνικών. Η επεμβατική της φύση όμως έκανε τους νευροφυσιολόγους να ψάχνουν εναλλακτικές τεχνικές. Στην σύγχρονη εποχή, η λειτουργική απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού έχει κερδίσει έδαφος στην προ-εγχειρητική εκτίμηση, με τα περισσότερα κέντρα παγκοσμίως (96%) να διαθέτουν την δυνατότητα διενέργειας της τεχνικής, ενώ αντίθετα η τεχνική της ενδοκαρωτιδικής αμυτάλης να έχει υποχωρήσει με μόλις το 76% των κέντρων να διαθέτουν την δυνατότητα διενέργειας της. Στην Ελλάδα, τα κέντρα που διαθέτουν λειτουργική απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού είναι ελάχιστα. Επιπλέον αυτού, δεν υπάρχουν διαδικασίες για την απεικόνιση του λόγου με την τεχνική της λειτουργικής απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού που να έχουν επιβεβαιωθεί για την εγκυρότητα τους και για την ικανότητα τους να χαρτογραφούν με επιτυχία το δίκτυο του λόγου αξιόπιστα σε όλα τα υποκείμενα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αναζητούμε να επιβεβαιώσουμε την αξιοπιστία και την εγκυρότητα ακόμα και στην ανάλυση σε επίπεδο υποκειμένου ενός πρωτοκόλλου διαδικασιών λόγου στην ελληνική γλώσσα. Για το σκοπό αυτό, μεταφράστηκε και μεταφέρθηκε στην ελληνική γλώσσα και πολιτισμό ένα πρωτόκολλο που έχει ήδη επιβεβαιωθεί στην βιβλιογραφία στην αγγλική γλώσσα. Είκοσι υγιείς εθελοντές με μητρική γλώσσα την ελληνική επιστρατεύτηκαν για να εκτελέσουν τις διαδικασίες αυτές και να ευρεθούν οι περιοχές που αναμένονται ενεργοποιημένες στον υγιή πληθυσμό. Οι λήψεις των δεδομένων πραγματοποιήθηκε στην κλινική «Άγιος Λουκάς», Θεσσαλονίκη, Ελλάδα. Βρέθηκαν ενεργοποιημένες και οι έξι κρίσιμες για το λόγο περιοχές, η περιοχή του Broca, η περιοχή του Wernicke, η περιοχή του Exner, η γωνιώδης έλικα, η συμπληρωματική κινητική περιοχή και η βασική μοίρα του κροταφικού λοβού. Βρέθηκαν επιπλέον ενεργοποιήσεις στο αντίθετο από την πλαγίωση του λόγου ημισφαίριο της παρεγκεφαλίδα καθώς και κάποιες συστάδες στον θάλαμο, τον φακοειδή πυρήνα και τον ιππόκαμπο. Στην συνέχεια της διδακτορικής διατριβής αναζητάμε μία εναλλακτική τεχνική στην τεχνική της στατιστικής ανάλυσης του γενικού γραμμικού μοντέλου. Έναυσμα προς αυτή την κατεύθυνση είναι η αδυναμία του γενικού γραμμικού μοντέλου να χαρτογραφήσει ικανοποιητικά τις ενεργοποιημένες περιοχές σε υποκείμενα που είτε αδυνατούν να συνεργαστούν κατά τις διαδικασίες είτε αδυνατούν να παραμείνουν ακίνητα με αποτέλεσμα ο θόρυβος να εμπλέκεται με τις ενεργοποιήσεις του εγκεφάλου καθιστώντας τα αποτελέσματα αναξιόπιστα. Η εναλλακτική τεχνική που μελετήθηκε στην παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η ανάλυση ανεξάρτητων μεταβλητών που είναι ικανή να εξάγει τις πηγές που συνθέτουν το αρχικό σήμα της λειτουργικής απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού. Δείχνουμε ότι η ανάλυση ανεξάρτητων μεταβλητών είναι ικανή να παράξει αξιόπιστα αποτελέσματα στο 89.59% των σαρώσεων ενώ το γενικό γραμμικό μοντέλο κατάφερε να παράγει αξιόπιστα αποτελέσματα μόνο στο 88.03% των σαρώσεων. Το πιο σημαντικό, όμως, είναι ότι ο συνδυασμός και των δύο τεχνικών έχουν την ικανότητα να παράγουν αξιόπιστα αποτελέσματα στο 92.66% των σαρώσεων βελτιώνοντας την ευαισθησία της λειτουργικής απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού διαδικασιών λόγου.