Un quadro per la mappatura focale e connettomica della funzione cerebrale transitoriamente interrotta

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 430 (2023) Citare questo articolo

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La natura distribuita del substrato neurale e la difficoltà di stabilire la necessità sulla base di dati correlati si combinano per rendere la mappatura delle funzioni cerebrali un compito molto più difficile di quanto sembri. Sono necessari metodi in grado di combinare le informazioni anatomiche connettive con l'interruzione focale della funzione per distinguere la dipendenza neurale locale da quella globale e l'attività critica da quella meramente casuale. Qui presentiamo un quadro completo per l'inferenza spaziale focale e connettiva basata su scarsi dati dirompenti e dimostriamo la sua applicazione nel contesto della stimolazione elettrica diretta transitoria della parete frontale mediale umana durante la valutazione pre-chirurgica di pazienti con epilessia focale. Il nostro framework formalizza l'inferenza univariata di massa voxel-wise su dati scarsamente campionati all'interno del framework di mappatura parametrica statistica, comprendendo l'analisi di mappe distribuite definite da qualsiasi criterio di connettività. Applicato alla parete frontale mediale, questo approccio transitorio del disconnettoma rivela marcate discrepanze tra associazioni locali e distribuite delle principali categorie di comportamento motorio e sensoriale, rivelando una differenziazione mediante connettività remota a cui l'analisi puramente locale è cieca. Il nostro quadro consente una mappatura dirompente del cervello umano basata su dati scarsamente campionati con presupposti spaziali minimi, buona efficienza statistica, formulazione di modelli flessibili e confronto esplicito di effetti locali e distribuiti.

Tre decenni dopo la rivoluzione della mappatura del cervello umano inaugurata dalla risonanza magnetica funzionale (MRI), ampie fasce del paesaggio neurale rimangono avvolte nell’oscurità. Si riconosce sempre più che due aspetti cardinali del compito inibiscono il progresso: la natura distribuita e connettiva del substrato neurale1,2 e la difficoltà di stabilire la necessità da dati prevalentemente correlativi3,4. Ciascun aspetto di per sé presenta difficoltà formidabili: la caratterizzazione di substrati distribuiti richiede una modellizzazione esplicita di interazioni remote intrattabili senza dati su larga scala e modelli matematici indeboliti dalla loro complessità; stabilire la necessità richiede prove dirompenti tipicamente ottenute naturalmente, attraverso le conseguenze comportamentali di lesioni patologiche focali incontrollate confuse dalle loro caratteristiche incidentali ed eterogeneamente distribuite5,6. Insieme, queste difficoltà si amplificano reciprocamente: dati di scala e qualità sufficienti a supportare modelli complessi sono particolarmente difficili da acquisire nel dominio clinico, e i modelli distribuiti di danno patologico si intrecciano con i modelli sottostanti di dipendenza neurale comparabilmente distribuiti (con rare eccezioni7). . Eppure sono proprio i substrati distribuiti ad avere più bisogno di prove dirompenti, poiché la pluralità del supporto neurale rende ancora più difficili le inferenze dai dati correlati.

È quindi urgentemente necessaria un’innovazione metodologica nel punto di intersezione tra mappatura connettiva e dirompente della funzione cerebrale, con particolare attenzione non solo agli aspetti pratici del ridimensionamento delle tecniche attuali, ma anche alla riduzione della necessità di volumi di dati che sarà sempre difficile da ottenere. Qui elaboriamo concettualmente, implementiamo tecnicamente e dimostriamo empiricamente, un approccio semplice e di principio alla mappatura connettiva dirompente della funzione del cervello umano nel contesto clinico della stimolazione elettrica corticale diretta (DCS).

Teoricamente, l’approccio ideale è registrare le conseguenze funzionali dell’interruzione transitoria applicata a singoli loci, individualmente e in combinazione, in tutto il cervello. La DCS, comunemente impiegata come strumento clinico di localizzazione nei pazienti sottoposti a valutazione per la chirurgia resettiva di lesioni (tipicamente epilettogene), si avvicina a questo ideale probabilmente più vicino di qualsiasi altro strumento disponibile. In tal modo è possibile ottenere un'interruzione focale e transitoria, consentendo un esame causalmente più approfondito della relazione tra un substrato neurale ben definito e un risultato comportamentale osservato o riportato8. Sebbene gli imperativi clinici limitino inevitabilmente la scelta delle posizioni e della densità di campionamento, la capacità di valutare più loci in ciascun paziente, in modo dinamico, produce volumi più elevati di dati informativi rispetto a quanto suggerisce il semplice numero di pazienti intervistati. L'approccio è già stato ampiamente utilizzato per ricavare mappe di dipendenza funzionale9 in contesti chirurgici10,11, inclusa la connettività12, ma al di fuori di un quadro formale che consente di quantificare in modo robusto sia gli effetti focali che quelli connettivi senza dipendenza da regioni di interesse predefinite.