Electrophysiological Proof of Diffusion-Weighted Imaging-Derived Depiction of the Deep-Seated Pyramidal Tract in Human

 

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Abstract

In the living human brain the pyramidal tract (PT) can be displayed with magnetic resonance diffusion-weighted imaging (DWI). Although this imaging technique is already being used for planning and performing neurosurgical procedures in the PT vicinity, there is a lack of verification of DWI accuracy in other areas outside the directly subcortical PT parts. Before definitive electrode placement into the subthalamic nucleus (STN) in patients with Parkinson disease (PD) for chronic stimulation, the stimulation effect on PD symptoms and the side-effects, namely PT activation at the level of the internal capsule (IC), are electrophysiologically tested. To analyze DWI accuracy by matching the stereotactic coordinates of the electrophysiologically proven IC position with these of the DWI-derived IC display, DWI was added to the routine MRI work-up in the stereotactic frame prior to functional surgery in 6 patients. In all of the 10 displayed fiber tracts, concordant findings for imaging and macrostimulation were made. The authors proved for the first time that DWI correctly depicts the deep seated, principle motor pathways in the living human brain. Due to methodical limitations of this study the accuracy of the proven IC display is limited to 3 mm which has proven to be sufficient for the planning and performance of neurosurgical procedures in the vicinity of large fiber tracts.

Zusammenfassung

Mit Hilfe der diffusionsgewichteten Kernspintomographie (DWI) besteht die Möglichkeit, die Pyramidenbahn im lebenden menschlichen Gehirn darzustellen. Obschon diese Technik zu Planungszwecken und zur Durchführung von neurochirurgischen Eingriffen in der Nähe großer Faserbahnen bereits eingesetzt wird, so mangelt es doch an der Validierung dieser Darstellungsform, wenn es um den tiefen Verlauf der Faserbahn geht. Vor der definitiven Implantation einer Tiefenhirnstimulationselektrode in den Nucleus subthalamicus (STN) bei Patienten mit therapierefraktärem Morbus Parkinson wird der Effekt der Stimulation auf eine Miterregung der Pyramidenbahn im Bereich der Capsula interna elektrophysiologisch ausgetestet. Um die Genauigkeit der Faserbahndarstellung mittels DWI anhand der stereotaktischen Koordinaten des elektrophysiologisch erbrachten Capsula-interna-Nachweises zu prüfen, wurde die DWI bei 6 Patienten vor einer Elektrodenimplantation im stereotaktischen Rahmen durchgeführt. Durch den Vergleich der DWI-Untersuchung mit den elektrophysiologischen Tests konnten in allen 10 der mit beiden Modalitäten untersuchten Pyramidenbahnen konkordante Resultate erbracht werden. Die Autoren erbrachten damit im Bereich der Capsula interna erstmalig den elektrophysiologischen Nachweis für die Richtigkeit der Darstellung der Faserbahn mittels DWI. Mit einer hier erzielten Genauigkeit von 3 mm, welche durch die Anwendung anisotroper niedrig aufgelöster Bilddaten zur Faserbahndarstellung erklärt ist, darf die Genauigkeit trotzdem als ausreichend zur Anwendung der DWI-Technik in Neuronavigationsgeräten und zur Operationsplanung für Eingriffe in der Nähe der Faserbahnen angesehen werden.

References

• 1 Benabid A L, Pollak P, Koudsie A, Benezzouz A, Lebas J F. Electrical inhibition of the subthalamic nucleus for treatment of Parkinson's disease. In: Krauss JK, Jankovic J, Grossman RG (eds). Surgery for Parkinson's Disease and Movement Disorders. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia 2001; 176-187
  Google Scholar
• 2 Berman J I, Berger M S, Mukherjee P, Henry R G. Diffusion-tensor imaging-guided tracking of fibers of the pyramidal tract combined with intraoperative cortical stimulation mapping in patients with gliomas.  J Neurosurg. 2004;  101 66-72
  PubMedGoogle Scholar
• 3 Bisdas S, Donnerstag F, Ahl B, Bohrer I, Weissenborn K, Becker H. Comparison of perfusion computed tomography with diffusion-weighted magnetic resonance imaging in hyperacute ischemic stroke.  J Comput Assist Tomogr. 2004;  28 747-755
  PubMedGoogle Scholar
• 4 Coenen V A, Krings T, Mayfrank L, Polin R S, Reinges M HT, Thron A, Gilsbach J M. Three-dimensional visualization of the pyramidal tract in a neuronavigation system during brain tumor surgery: first experiences and technical note.  Neurosurgery. 2001;  49 86-93
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 5 Coenen V A, Krings T, Axer H, Weidemann J, Kränzlein H, Hans F J, Thron A, Gilsbach J M, Rohde V. Intraoperative three-dimensional visualization of the pyramidal tract in a neuronavigation system (PTV) reliably predicts true position of principle motor pathways.  Surg Neurol. 2003;  60 381-390
  PubMedGoogle Scholar
• 6 Coenen V A, Gielen F, Rohde I, Fromm C, Kronenbürger M, Dammert S, Rohde V. Subthalamic nucleus stimulation for advanced Parkinson's disease: How to find a far medial STN.  Minim Invas Neurosurg. 2004;  47 373-377
  Article in Thieme ConnectPubMedGoogle Scholar
• 7 Geschwind N. Disconnexion syndromes in animal and man.  Brain. 1965;  88 237-294 , , 585-644
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 8 Guiot G, Derome P, Arfel G. et al . Electrophysiological recordings in stereotaxic thalamotomy for Parkinsonism.  Prog Neurol Surg. 1973;  5 189-221
  PubMedGoogle Scholar
• 9 Krauss J K, Grossman R G. Principles and techniques of movement disorders surgery. In: Krauss JK, Jankovic J, Grossman RG (eds). Surgery for Parkinson's Disease and Movement Disorders. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia 2001; 74-109
  Google Scholar
• 10 Krings T, Coenen V A, Axer H, Reinges M H, Holler M, Graf von Keyserlingk D, Gilsbach J M, Thron A. In vivo 3D visualization of normal pyramidal tracts in human subjects using diffusion weighted magnetic resonance imaging and a neuronavigation system.  Neurosci Lett. 2001;  307 192-196
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 11 Lazar M, Alexander A L. An error analysis of white matter tractography methods: synthethic diffusion tensor field simulations.  Neuroimage. 2004;  20 1140-1153
  PubMedGoogle Scholar
• 12 Makris N, Worth A J, Sorensen A G, Papadimitriou G M, Wu O, Rees T G, Wedeen V J, Davis T L, Stakes J W, Caviness V S, Kaplan E, Rose B R, Pandya D N, Kennedy D N. Morphometry of in vivo human white matter association pathways with diffusion-weighted magnetic resonance imaging.  Ann Neurol. 1997;  42 951-962
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 13 McIntyre C C, Mori S, Sherman D L, Thakor N V, Vitek J L. Electric field and stimulating influence generated by deep brain stimulation of the subthalamic nucleus.  Clin Neurophysiol. 2004;  115 589-595
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 14 Moller A R. Intraoperative Neurophysiologic Monitoring. Harwood Academic Publishers, Luxembourg 1995
  Google Scholar
• 15 Nimsky C, Grummich P, Sorensen A G, Fahlbusch R, Ganslandt O. Visualization of the pyramidal tract in glioma surgery by integrating diffusion tensor imaging in functional neuronavigation.  Zentralbl Neurochir. 2005;  66 133-141
  Article in Thieme ConnectPubMedGoogle Scholar
• 16 Ranck J B. Which elements are excited in electrical stimulation of mammalian central nervous system: A review.  Brain Research. 1975;  98 417-440
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 17 Schaltenbrand G, Wahren W. Atlas for Stereotaxy of the Human Brain. Thieme, Stuttgart 1977
  Google Scholar

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