Mapování kortikální stimulace (často zkracováno na CSM) je typ elektrokortikografie, který zahrnuje fyzicky invazivní zákrok a jeho cílem je lokalizovat funkci specifických mozkových oblastí prostřednictvím přímé elektrické stimulace mozkové kůry. Zůstává jednou z prvních metod analýzy mozku a umožňuje výzkumníkům studovat vztah mezi kortikální strukturou a systémovou funkcí. Mapování kortikální stimulace se používá pro řadu klinických a terapeutických aplikací a zůstává preferovanou metodou pro předoperační mapování motorické kůry a jazykové oblasti, aby se zabránilo zbytečnému poškození funkce. Existují také některé klinické aplikace pro mapování kortikální stimulace, jako je léčba epilepsie.
Historie mapování kortikální stimulace sahá až do konce 19. století. Neurologové David Ferrier a Victor Horsley byli jedni z prvních, kteří tuto techniku využili. Ferrier a Horsley využili CSM k dalšímu pochopení struktury a funkce předrolandických a postrolandických oblastí, známých také jako pre-centrální gyrus a post centrální gyrus. Před rozvojem pokročilejších metod, v roce 1888 C.B. Nancrede využil baterií ovládanou bipolární sondu k mapování motorické kůry. V roce 1937, Wilder Penfield a Boldrey byli schopni prokázat, že stimulace precentálního gyru vyvolala reakci kontralaterálně; významný nález vzhledem k tomu, že korelovala s anatomií založenou na tom, která část mozku byla stimulována. Na začátku 20. let 20. století Charles Sherrington začal používat monopolární stimulaci k vyvolání motorické reakce. Tato technika umožnila Sherringtonovi určit, že prekurentální gyrus (pre-rolandická oblast) je motorická kůra a postcentrální gyrus (post-rolandická oblast) je senzorická kůra. Tyto nálezy, které byly zopakovány Harvey Cushingem během počátku 20. století, ukazují, že rolandická trhlina je místem oddělení mezi motorickou a senzorickou kůrou. Cushingova práce s CSM ji přesunula z experimentální techniky na techniku, která se stala základní neurochirurgickou technikou používanou k mapování mozku a léčbě epilepsie. Cushing vzal práci, která byla dříve prováděna na zvířatech, konkrétně šimpanzích, gorilách a orangutanech, a byl schopen využít mapování kortikální stimulace k zohlednění rozdílů mezi těmito druhy a lidmi. Cushingova práce dramaticky zvýšila účinnost léčby využívající mapování kortikální stimulace, protože neurochirurgové nyní využívali aktualizovanější obraz mozku.
Mapování kortikální stimulace je invazivní procedura, která musí být dokončena během kraniotomie. Po odloupnutí tvrdé pleny mozkové se na mozek umístí elektroda, aby se vyzkoušely motorické, smyslové, jazykové nebo vizuální funkce v určitém místě mozku. Elektroda dodává elektrický proud trvající 2 až 10 sekund na povrchu mozku, což způsobuje reverzibilní lézi v určitém místě mozku. Tato léze může zabránit nebo vyvolat testovatelnou odezvu, jako je pohyb končetiny nebo schopnost identifikovat předmět. Elektrický proud z elektrody stimuluje jakoukoli funkci, za kterou je toto místo v mozku zodpovědné, v podstatě říká chirurgovi nebo zkoušejícímu, co určité místo v mozku dělá.
Elektrody jsou obvykle vyrobeny z nerezové oceli nebo platinovo-iridiového materiálu zalitého v silastickém materiálu a jsou obvykle kruhové s průměry 2 až 3 mm. Umístění elektrod se liší pacient od pacienta a elektrody mohou přijít v řadách, v mřížkovém poli nebo mohou být individuálně uspořádány. Počet potřebných elektrod a jejich přesné prostorové uspořádání je často určováno na operačním sále. Mapování kortikální stimulace umožňuje umístit elektrody na přesná místa pro testování mozkových funkcí a zjištění, zda stimulace místa mozku způsobuje u pacienta funkční poruchu. CSM může být doplněno pomocí pacientů v anestezii nebo probuzených pacientů.
Elektrody mohou být buď umístěny přímo na zájmových oblastech mozku, nebo mohou být umístěny v subdurálním prostoru mozku. Subdurální elektrody se mohou mírně posunout a mohou být ovlivněny mozkomíšním mokem v subdurálním prostoru, což by mohlo rušit proud používaný ke stimulaci mozku z elektrod a případně způsobit posunování a rozptýlení proudu, čímž by účinek stimulace byl méně přesný. Výhodou subdurálních elektrodových mřížek je však to, že mohou být ponechány v mozku po dobu několika dnů a umožňují funkční testování během stimulace mimo operační sál.
Důležitým hlediskem při všech mapovacích postupech kortikální stimulace jsou proudové hladiny a hustota. Proudová hustota, tj. množství proudu aplikovaného na definovanou oblast mozku, musí být dostatečná k účinné stimulaci neuronů a nesmí odumírat příliš rychle, přitom však dostatečně nízká k ochraně mozkové tkáně před škodlivými proudy. Proudy jsou udržovány na úrovních, které byly stanoveny jako bezpečné a jsou podávány pouze jako krátké výboje, typicky výboje, které pomalu zvyšují intenzitu a délku trvání, dokud není možné otestovat odezvu (např. pohyb svalu). Intenzita proudu je obvykle nastavena kolem výbojů o velikosti 1 mA na začátku a postupně se zvyšuje o přírůstky 0,5 až 1 mA a proud se aplikuje po dobu několika sekund. Pokud aplikovaný proud způsobuje následné výboje, nervové implusy, ke kterým dochází po stimulaci, pak se hladiny sníží. Studie na pacientech, kteří podstoupili mapování kortikální stimulace, nezjistily žádné poškození kortikální tkáně v testovaných oblastech.
Bylo prokázáno, že různé typy a techniky podávání anestezie ovlivňují mapování kortikální stimulace. CSM lze provádět u pacientů v bdělém stavu, tzv. kraniotomii v bdělém stavu nebo u pacientů, kterým byla podána celková anestezie. Pokud je pacient v celkové anestezii, může hloubka anestezie ovlivnit výsledek, protože pokud je úroveň svalové relaxace příliš vysoká v důsledku neuromuskulárních blokátorů, pak mohou být výsledky mapování nesprávné. Pro postup v bdělém stavu existují různé ohledy na péči o pacienta, které musí anesteziolog vzít v úvahu. Spíše než jen zajistit, že pacient spí, může lékař postupovat podle tzv. techniky spánek-bdělý-spánek. Při této technice je pacient anestetizován pomocí celkové anestezie během úvodní a závěrečné části zákroku, ale během mezidobí je pacient udržován s využitím lokální anestezie. Místní anesteziologické techniky mohou být buď lokální polní blok nebo regionální nervový blok na hlavě. Častější technikou pro kraniotomii při bdění je vědomá sedace. Při vědomé sedaci je pacient pouze sedativum během úvodní a závěrečné části procesu, ale nikdy ne zcela anestezii, eliminuje potřebu dýchacích trubic, snižuje pravděpodobnost komplikací a snižuje pravděpodobnost problémů s motorickou reakcí. Pacienti, kteří podstoupí zákrok s kraniotomií při bdění místo celkové anestezie, mají lepší zachování funkce jazyka, predikci svého výsledku bez záchvatů na základě kortikografie, kratší hospitilizaci (která odpovídá sníženým nákladům na péči), snížené používání invazivních monitorů a snížený počet pooperačních komplikací v důsledku anestezie, jako je nevolnost a zvracení.
Myšlenku kortikálního homunkula vytvořil Wilder Penfield.
Mapování kortikální stimulace se používá u somatotopie k určení oblastí mozkové kůry, které se spojují nervovými vlákny s různými částmi těla. Kortikální stimulace určuje, které oblasti mozku jsou životně důležité pro určité funkce, a tím umožňuje vytvoření „mapy“, která může být použita k rozhodnutí, zda oblasti mozku je bezpečné odstranit. Mapování kortikální stimulace vedlo k vytvoření homunkulu pro motorickou a smyslovou kůru, což je diagram znázorňující spojení mozku s různými oblastmi těla. Příkladem je kortikální homunkulus primární motorické kůry a somatosmyslové kůry, které jsou odděleny centrálním sulcusem. Diagram začíná v podélné štěrbině a pokračuje příčně od středu mozku, představující obecný vzor od dolních končetin a genitálií v štěrbině až po ruce a obličej na vnějších okrajích mozku.
Funkční testování pohybu během kortikální stimulace zahrnuje hledání aktivního pohybu a inhibici pohybu. Když je stimulován prekurentální gyrus čelního laloku, specifické svaly v těle se smrští na základě umístění mozku, který přijímá elektrický signál. Stimulace na jedné straně mozku způsobí kontrakci na kontralaterální, nebo opačné straně těla.
Novější studie s využitím CSM ukázaly, že motorická kůra je složitější než uspořádání znázorněné tradičním homunkulem a že motorické odezvy se objevují ve frontálním laloku dále od úzkého pruhu vedle centrálního sulcusu.
V některých případech bylo zjištěno, že oblasti mozkové kůry, které po stimulaci brání pohybu, jsou doplňkové a nejsou životně důležité pro motorické funkce. Tyto oblasti byly odstraněny, aniž by byla ohrožena schopnost pacienta po operaci se pohybovat.
Během stimulace se používají různé jazykové úlohy ke kontrole mozkových funkcí, jako je čtení vět, sluchové porozumění a spontánní řeč, jako je pojmenování objektů. Kortikální stimulace v jazykových oblastech mozku obvykle testuje na inhibici některých jazykových schopností, spíše než na definovanou motorickou nebo smyslovou odezvu. To může způsobit, že jazykové mapování vyžaduje složitější jazykové úlohy, které mají být posouzeny během testování, aby se zjistilo, zda místo, které je stimulováno, je nezbytné pro určitou jazykovou schopnost.
Jazykové mapování se běžně provádí v levé hemisféře mozku, kde se nachází většina jazykových oblastí, jako jsou Brocovy a Wernickeho oblasti. Kortikální stimulační mapování také identifikovalo jazykovou oblast v bazální temporální kůře, která byla dříve neznámá.
Mapování kortikální stimulace u pacientů s epilepsií ukázalo, že kritické jazykové oblasti mozku se u pacientů značně liší, což zdůrazňuje potřebu provádět přesné mapování před chirurgickými zákroky v jazykových oblastech. Na tradiční orientační body, jako je Brocova a Wernickeho oblast, se nelze spoléhat při rozlišování základní jazykové kůry. Experimenty, které byly testovány na životně důležitá jazyková místa, jsou spíše variabilní a přesnou roli specifické oblasti kůry mozkové v jazykové úloze je obtížné posoudit. Další komplikací je, že mnoho pacientů, kteří podstoupili mapování jazyka, trpí epilepsií a je možné, že to způsobuje změny jazykových míst. Vzhledem k tomu, že je zákrok tak invazivní, mapování kortikální stimulace pro jazykovou organizaci se neprovádí na zdravých jedincích. Navíc rozložení a množství specifických jazykových míst souvisejících s úkoly ukázalo odchylky na základě IQ a pohlaví.
Somatosenorózní mapování zahrnuje měření elektrických reakcí na povrchu mozku v důsledku stimulace periferních nervů, jako jsou mechanoreceptory, které reagují na tlak na kůži, a stimulace mozku přímo k mapování smyslových oblastí. Senzace byla testována u pacientů prostřednictvím stimulace postcentrálního gyru, s poklesem amplitudy smyslových reakcí, které se vyskytují směrem k centrálnímu sulcu.
CSM je účinná léčba fokální epilepsie a fokálních záchvatů oboustranných nebo vícečetných. Je účinnou léčebnou možností v případě, kdy resekční chirurgický zákrok k odstranění postiženého místa není možností, obecně viděno u fokálních záchvatů oboustranných nebo vícečetných. CSM se běžně využívá u pacientů s epilepsií s cílem určit ohnisko záchvatů. Používá se, jakmile existuje ověřitelná hypotéza týkající se umístění mozku pro epileptogenní zónu, určená pomocí méně invazivního postupu, elektroencefalografie. Jakmile je ohnisko záchvatů určeno, tato informace umožňuje neurochirurgům pomoci s vědomím, které části mozku by mohly být potenciálně resekovány bez jakýchkoli negativních pooperačních neurologických deficitů.
O CSM se u pacienta s epilepsií uvažuje při splnění dvou podmínek: léčba antiepileptiky nekontroluje záchvaty a je pravděpodobné, že operace bude pro pacienta přínosná. Vzhledem k povaze zákroku se CSM využívá až poté, co neinvazivní zákroky nebyly schopny pacienta plně lokalizovat a léčit.
Invazivní elektrody jsou steriotaxikálně umístěné elektrody nebo subdurální proužek nebo mřížková elektroda. S využitím informací získaných prostřednictvím CSM lze provést omezenou resekci epileptogenního mozku. U fokální epilepsie je resekční chirurgie jednou z hlavních léčebných možností epilepsie rezistentní na léky. Prostřednictvím techniky CSM, obecně s využitím kraniotomie v bdělém stavu, má neurochirurg schopnost sledovat fungování pacienta během resekce a stimulace mozku.
Kortikální stimulační mapování může být použito v neuroonkologii jako nástroj k identifikaci oblastí mozku pacienta, které jsou kritické pro funkce, jako je jazyk a motorické dráhy. Tento postup je považován za standardní pro operace zahrnující gliomy, aby se snížila ztráta motorických funkcí a celková nemocnost. Předoperační plánování umožňuje lékaři vyhnout se těmto vysoce rizikovým oblastem co nejvíce během resekce nádoru, minimalizuje potenciální ztrátu funkce a rozvoj následků.
Pacienti, jejichž chirurg využívá mapování kortikální stimulace k posouzení anatomie a funkce rolandických oblastí, mají větší šanci a rychlejší rychlost znovuzískání výchozích funkcí po operaci než ti, kteří podstupují operace, které se této technice vyhýbají. Totéž lze říci o výhodách mapování jazykových oblastí technikou kortikální stimulace před resekcí gliomu. Posouzení a minimalizace poškození operací na oblastech zapojených do jazyka vede k většímu a rychlejšímu návratu celkové jazykové funkce.
Navzdory funkčnímu zisku ze zachování těchto výmluvných kortikálních oblastí se stále uvažuje o poměru přínosu a rizika. Ukázalo se, že kompletnější resekce nádoru možná prodlouží délku života pacientů s gliomem, nicméně zvýšení množství odstraněné mozkové tkáně může také způsobit oslabující pokles funkce. Mapování kortikální stimulace jako takové napomáhá při určování maximálního množství tkáně, která může být odstraněna při zachování kvality života pacienta.
Mapování okcipitální kůry může být použito při vývoji protézy pro nevidomé. Bylo zjištěno, že elektrická stimulace v okcipitálním laloku způsobuje zrakové iluze zvané fosfény, jako je světlo, barvy nebo stíny, které byly pozorovány v raných experimentech Penfielda a Jaspera . První zaznamenaná produkce umělého zraku byla v experimentech provedených Brindleym a Dobellem, kde byli schopni umožnit nevidomým pacientům „vidět“ malé postavy prostřednictvím kortikální stimulace. Je také známo, že elektrická stimulace v okcipitálním laloku vytváří malé barevné kruhy obvykle ve středu zorného pole pacienta. Při kortikální stimulaci byly pozorovány také zrakové halucinace, jako jsou pohybující se geometrické obrazce a pohybující se barevné fosfény. Elektrody na povrchu okcipitální kůry mají tendenci vytvářet mihotavé fosfény, zatímco elektrody vložené hlouběji do kůry vytvářejí rovnoměrné barvy. Primární zraková kůra, která je zodpovědná za generování složitějších obrazů, se nachází hlouběji v kalcininové štěrbině týlního laloku, takže pro účinnou stimulaci těchto oblastí je nutná intrakortikální stimulace. Intrakortikální stimulace využívá elektrodu, která zasahuje hlouběji do mozku, aby účinněji stimulovala primární zrakovou kůru, na rozdíl od snahy pracovat pouze z povrchu mozku, což může způsobit nechtěné vizuální signály, bolest a poškození nervové tkáně.
U pacientů s glaukomem a atrofií optického nervu nejsou existující retinální protézy v nabídce, protože optický nerv je poškozený, a proto je protéza využívající kortikální stimulaci zbývající nadějí, jak nabídnout nějakou zrakovou funkci. Kortikální zraková protéza je slibným předmětem výzkumu, protože se zaměřuje na neurony za místem onemocnění u většiny slepých pacientů. Jakkoli významné výzvy zůstávají, jako je reprodukovatelnost u různých pacientů, dlouhodobé účinky elektrické stimulace a vyšší komplexnost zrakové organizace v primární zrakové kůře oproti sítnici.
Dalším místem výzkumu zrakové protézy využívající kortikální stimulaci je samotný optický nerv, který obsahuje nervová vlákna zodpovědná za kompletní vizuální pole. Výzkum v této oblasti stále probíhá a malé rozměry optického nervu a vysoká hustota nervových vláken jsou pro tento přístup nadále výzvou.
Mapování kortikální stimulace vs. transkraniální magnetická stimulace
Mapování kortikální stimulace je považováno za zlatý standard, stanovený zlatým standardem (testem), pro mapování funkčních oblastí mozku za účelem vytvoření presurgického plánu, který maximalizuje funkční výsledek pacienta. Historie prospěšných výsledků a množství informací, které již byly o technice CSM zjištěny, ji činí výhodnou v klinických a výzkumných aplikacích. Protože však má nevýhodu v tom, že jde o intraoperační techniku, stále více se diskutuje o jejím statusu jako preferované metody. Místo toho se uvažuje o transkraniální magnetické stimulaci, novém postupu, který nenese stejnou míru chirurgického rizika.
Transkraniální magnetická stimulace získává stále větší zájem jako alternativní nástroj pro studium vztahů mezi specifickými kortikálními oblastmi a mozkovými funkcemi, zejména proto, že její neinvazivní povaha je výhodná oproti CSM. Navíc vzhledem k narůstajícímu objemu výzkumu zaměřeného na zkoumání mnoha lékařských využití TMS by nakonec mohla mít více využití než CSM. Tento postup byl například úspěšně použit pro měření rychlosti vedení v centrálních motorických drahách, což z ní činí užitečný nástroj pro ty, kteří studují roztroušenou sklerózu. Podobně se TMS zkoumá také pro své možnosti jako dlouhodobé a možná i nákladově efektivnější terapeutické alternativy pro léčbu chronických psychiatrických poruch, jako je deprese, a také pro své využití jako prostředku pro pomoc při uzdravení po mozkové mrtvici. Ačkoli je léčebný TMS celkově slibný, jeho úspěch je stále nejasný a v řadě studií nebyl potvrzen. To platí pro studie pacientů s Parkinsonovou nemocí, kteří byli dlouhodobě léčeni TMS. Ačkoli se zpočátku zdálo, že tito pacienti získali zlepšenou výkonnost v motorických koordinačních testech, tyto výsledky jsou nedůsledně reprodukovatelné. Stejný typ výsledků je pozorován ve studiích u schizofrenie, kde bylo prokázáno, že kognitivní výkonnost u schizofrenních pacientů léčených TMS je velmi variabilní. Tyto výsledky naznačují, že důkazy o účincích TMS chybí a neurobiologické mechanismy této techniky stále nejsou dobře pochopeny. Kvůli těmto nejistotám probíhá výzkum této metody a je třeba ještě zjistit mnohé o jejím přesném účinku na aktivační stav mozku. Ve srovnání s tím je CSM, který má výhody více zkoumané techniky, často stále preferován.
S ohledem na obě metody je také třeba brát v úvahu bezpečnost. Doposud směrnice FDA schválily pouze použití TMS pro léčbu deprese. Ačkoli tato technika nemá žádné známé trvalé vedlejší účinky s výjimkou několika hlášených případů vyvolaných záchvatů, je stále léčena s opatrností vzhledem ke své relativní novince v klinickém použití. CSM získala schválení amerického Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) pro její použití ohledně mapování kortikální stimulace, zejména v případech záchvatů a léčby gliomů, a pro pomoc při umisťování elektrod v mozku.