Combined brain language connectivity and intraoperative neurophysiologic techniques in awake craniotomy for eloquent-area brain tumor resection

Abstract

Speech processing can be disturbed by primary brain tumors (PBT). Improvement of presurgical planning techniques decrease neurological morbidity associated to tumor resection during awake craniotomy. The aims of this work were: 1. To perform Diffusion Kurtosis Imaging based tractography (DKI-tract) in the detection of brain tracts involved in language; 2. To investigate which factors contribute to functional magnetic resonance imaging (fMRI) maps in predicting eloquent language regional reorganization; 3. To determine the technical aspects of accelerometric (ACC) recording of speech during surgery. DKI-tracts were streamlined using a 1.5T magnetic resonance scanner. Number of tracts and fiber pathways were compared between DKI and standard Diffusion Tensor Imaging (DTI) in healthy subjects (HS) and PBT patients. fMRI data were acquired using task-specific and resting-state paradigms during language and motor tasks. After testing intraoperative fMRI’s influence on direct cortical stimulation (DCS) number of stimuli, graph-theory measures were extracted and analyzed. Regarding speech recording, ACC signals were recorded after evaluating neck positions and filter bandwidths. To test this method, language disturbances were recorded in patients with dysphonia and after applying DCS in the inferior frontal gyrus. In contrast, HS reaction time was recorded during speech execution. DKI-tract showed increased number of arcuate fascicle tracts in PBT patients. Lower spurious tracts were identified with DKI-tract. Intraoperative fMRI and DCS showed similar stimuli in comparison with DCS alone. Increased local centrality accompanied language ipsilateral and contralateral reorganization. ACC recordings showed minor artifact contamination when placed at the suprasternal notch using a 20-200 Hz filter bandwidth. Patients with dysphonia showed decreased amplitude and frequency in comparison with HS. ACC detected an additional 11% disturbances after DCS, and a shortening of latency within the presence of a loud stimuli during speech execution. This work improved current knowledge on presurgical planning techniques based on brain structural and functional neuroimaging connectivity, and speech recording

A função linguística do ser humano pode ser afetada pela presença de tumores cerebrais (TC) A melhoria de técnicas de planeamento pré-cirurgico diminui a morbilidade neurológica iatrogénica associada ao seu tratamento cirúrgico. O objetivo deste trabalho é: 1. Testar a fiabilidade da tractografia estimada por difusor de kurtose (tract-DKI), dos feixes cerebrais envolvidos na linguagem 2. Identificar os fatores que contribuem para o mapeamento linguagem por ressonância magnética funcional (RMf) na predição da neuroplasticidade. 3. Identificar aspetos técnicos do registo da linguagem por accelerometria (ACC). A DKI-tract foi estimada após realização de RM cerebral com 1.5T. O número e percurso das fibras foi avaliado. A RMf foi adquirida durante realização de tarefas linguísticas, motoras, e em repouso. Foi testada influência dos mapas de ativação calculados por RMf, no número de estímulos realizados durante a estimulação direta cortical (EDC) intraoperatória. Medidas de conectividade foram extraídas de regiões cerebrais. A posição e filtragem de sinal ACC foram estudadas após vocalização de palavras. O sinal ACC obtido em voluntários foi comparado com doentes disfónicos, após estimulação do giro inferior frontal, e após a adição de um estímulo sonoro perturbador durante vocalização. A tract-DKI estimou um elevado número de fascículos do feixe arcuato com menos falsos negativos. Os mapas linguísticos de RMf intraoperatória, não influenciou a EDC. Medidas de centralidade aumentaram após neuroplasticidade ipsilateral e contralateral. A posição supraesternal e a filtragem de sinal ACC entre 20-200Hz demonstrou menor ruido de contaminação. Este método identificou diminuição de frequência e amplitude em doentes com disfonia, 11% de erros linguísticos adicionais após estimulação e diminuição do tempo de latência quando presente o sinal sonoro perturbador. Este trabalho promoveu a utilização de novas técnicas no planeamento pré-cirúrgico do doente com tumor cerebral e alterações da linguagem através do estudo de conectividade estrutural, funcional e registo da linguagem.