Kunnen we fMRI in rusttoestand en CSD-vezeltractografie gebruiken bij prechirurgische mapping?

Het brein is het meest complexe orgaan in het menselijk lichaam. Het is een fascinerende biologische machine die in staat is om enorme hoeveelheden informatie te verwerken en een breed scala aan functies uit te voeren. Het is zelfs zo complex dat we schatten dat het aantal verbindingen tussen zenuwcellen (neuronen) in de menselijke hersenen ongeveer 100 keer zoveel is als het aantal sterren in onze naburige Andromeda-melkweg (1 biljoen). Echter, net als elk ander orgaan in ons lichaam, kan het brein ook aangedaan worden door verschillende ziekten, zoals een beroerte, goedaardige of kwaadaardige tumoren, vaatverwijdingen en structuurafwijkingen, om er maar een paar te noemen. Veel van deze aandoeningen vereisen chirurgie voor behandeling, dus het is niet verwonderlijk dat er wereldwijd jaarlijks ongeveer 13,4 miljoen hersenchirurgieën plaatsvinden. Chirurgie is een tweesnijdend zwaard, want hoewel het kan bijdragen aan de behandeling van ziekten, kan het ook tot diepe en mogelijk invalidiserende gevolgen leiden. Dit is vooral waar als het gaat om hersenchirurgie, omdat verschillende delen van de hersenen specifieke functies hebben en als ze beschadigd raken, kan dit leiden tot tijdelijke of zelfs permanente verlies van functie. Het was trouwens hersenbeschadiging in de oudheid die ons onze eerste inzichten gaf in de functionele organisatie van de hersenen.

Om met deze unieke uitdaging om te gaan, hebben de velden van hersenbeeldvorming en chirurgie zich enorm ontwikkeld door het benutten van moderne vooruitgang op het gebied van ruimtelijke lokalisatie, niet-invasieve beeldvorming, weefselfluorescentie en computervisie. MRI is waarschijnlijk de meest veelzijdige niet-invasieve beeldvormingsmodaliteit die vandaag de dag beschikbaar is, omdat het afbeeldingen van hersenstructuur in verschillende contrasten kan genereren, zoals T1-gewogen afbeeldingen (WIs), die uitstekend geschikt zijn voor het evalueren van de anatomie van de hersenen, en T2 WIs, die de detectie en differentiatie van pathologie verbeteren. MRI kan ook de hersenfunctie tonen met bloed-zuurstofgehalteafhankelijke (BOLD) functionele MRI (fMRI) en structuurverbindingen of zenuwbundels kunnen worden waargenomen met diffusion MRI (dMRI) vezel tractografie (FT), waardoor multimodale en multiskalige kaarten van de hersenen worden verkregen.

Vandaag is het gebruikelijk dat patiënten die hersenchirurgie nodig hebben, voorafgaand aan de chirurgie beeldvorming ondergaan met behulp van computed tomography (CT) en/of MRI. In noodgevallen, bijvoorbeeld bij acute traumatische contusies, bloedingen, beroerte en hernia van de hersenen waarbij dringende chirurgie nodig is, wordt meestal CT gebruikt. MRI wordt meestal gebruikt in electieve, niet-noodzakelijke gevallen, bijvoorbeeld bij epilepsie, vaatafwijkingen en neoplasma's. Wereldwijd zouden jaarlijks ongeveer 3,5 miljoen niet-noodzakelijke hersenchirurgieën mogelijk kunnen profiteren van voorafgaande hersenkaarten met behulp van fMRI en dMRI. Echter, hun gebruik is meestal gereserveerd voor een klein percentage van de chirurgieën. Dit komt omdat hun verkrijging en analyse relatief tijdrovend en technisch veeleisend zijn, wat goed opgeleid personeel, zeer goed uitgeruste beeldvormingcentra en operatiezalen vereist. Bovendien vereist fMRI meestal dat de patiënt tijdens de scan een taak uitvoert, wat bij zeer jonge, onwillige of cognitief beperkte patiënten een probleem kan zijn.

Het hoofddoel van deze doctoraalscriptie was om te onderzoeken hoe automatisering en aanname van recente vooruitgangen in het veld de voorafgaande hersenkaart minder afhankelijk van de operator kunnen maken en minder uitdagend voor patiënten, en daardoor potentieel meer toepasbaar zelfs in afwezigheid van zeer opgeleide data-analisten. We hebben ernaar gestreefd om de toepasbaarheid te vergroten door het gebruik van taakvrije of rustende-toestand fMRI (rs-fMRI) voor functionele kaartvorming in plaats van taakgebaseerde fMRI (tbfMRI), en we hebben ernaar gestreefd om de nauwkeurigheid van het witte stofkaarten te verbeteren met behulp van geavanceerdere dMRI-methoden.

Het eerste doel was om een accurate geautomatiseerde analyse te faciliteren voor structurele hersenafbeeldingen met pathologie zoals grote hersen tumoren. In hoofdstuk 4 geven we het gebruikte methoden om dit te bereiken en geven we een bewijs-van-concept-analyse weer met behulp van echte data van 10 patiënten en 10 gezonde personen, en 200 kunstmatige hersenafbeeldingen die afgeleid zijn van de echte steekproef.

Het tweede doel was om een virtueel dissectieprotocol en bijbehorend atlas van 68 witte stof tractogrammen te definiëren met behulp van dMRI FT met beperkte sferische deconvolutie (CSD), en om hun variabiliteit en reproduceerbaarheid te bestuderen in gezonde data. Deze resultaten worden gepresenteerd in hoofdstuk 5. We hebben dit aangevuld met een geautomatiseerde werkstroom voor specifieke FT die gebruikt kan worden voor structuraal normale patiënten en later voor klinische patiënten met focale pathologie.

Het derde doel was om de voordelen van het gebruik van CSD FT te onderzoeken in vergelijking met de wijdverbreide maar relatief onnauwkeurige diffusietensorbeeldvorming (DTI) FT. In hoofdstuk 6 werden de methoden die zijn omschreven in hoofdstukken 4 en 5 toegepast op data van 22 neurochirurgische patiënten. Invasieve hersenkaart met directe elektrische stimulatie (DES) werd gebruikt als de referentiewaarheid om de nauwkeurigheid van DTI en CSD FT te vergelijken. Deze studie toonde aan dat CSD leidde tot verbeterde gevoeligheid en nauwkeurigheid van tractografie voor de corticospinale baan (CST) en de arcuate fasciculus (AF) in vergelijking met DTI.

Het vierde doel was om te onderzoeken of BOLD rs-fMRI gebruikt kan worden in klinische functionele hersenkaart, wat de tolerantie van de patiënt kan verbeteren en voorafgaande functionele kaartvorming mogelijk kan maken zelfs als de patiënt geen taak kan uitvoeren. In hoofdstuk 7 vergelijkten we de nauwkeurigheid van taakgebaseerde fMRI (tbfMRI) en twee types rs-fMRI in een groep van 16 neurochirurgische patiënten met hun DES-resultaten als de referentiewaarheid. Deze studie toonde geen significante verschillen tussen de 3 fMRI-methoden, wat suggereert dat rs-fMRI nauwkeurige functionele kaartvorming kan bereiken bij voorafgaande patiënten.

Om tot slot te besluiten, liet dit werk zien dat het haalbaar is om rekening te houden met grote focale pathologie in geautomatiseerde structurele kaartwerkstromen. We presenteerden een nieuw op CSD gebaseerd atlas van witte stofbundels, die naar klinische patiënten is vertaald, en met behulp van deze twee aanpakken lieten we een duidelijke verbetering zien in witte stofkaarten met CSD ten opzichte van DTI. Ten slotte bleek rs-fMRI vergelijkbaar te zijn met tbfMRI wat betreft nauwkeurigheid wanneer dit werd vergeleken met DES. Echter, de steekproefgroottes in hoofdstuk 6 en 7 waren behoorlijk beperkt, en DES-data bleek behoorlijk spaarzaam te zijn. Daarom wordt in toekomstige studies aangeraden om grotere steekproefgroottes te gebruiken, mogelijk door data te combineren van verschillende bronnen, en om een dichter samenstel van referentiewaarheden te gebruiken, bijvoorbeeld met electrocorticografie (ECoG), of om te vertrouwen op niet-invasieve methoden, bijvoorbeeld transcraniale magnetische stimulatie (TMS).