Интраоперационное картирование речи во время операций с пробуждением

Удаление опухолей головного мозга и очагов фармакорезистентной эпилепсии сопряжено с риском повреждения корковых и подкорковых структур доминантного для речи полушария, вовлеченных в обеспечение речевой (как конкретной реализации языка) и языковой (как системы, обеспечивающей речь) деятельности. В данной статье мы не будем концентрироваться на различии языка и речи и станем называть описываемые процессы речевыми, так как при интраоперационном картировании контролируются в первую очередь речевые функции.

Индивидуальная анатомия головного мозга [1—3] и реорганизация речевых регионов при патологии [4, 5] затрудняют использование неинвазивных методов картирования для точного дооперационного определения границ между речевыми регионами и безопасной для когнитивных функций планируемой областью резекции [6, 7].

Интраоперационное картирование с использованием прямой электрической стимуляции и речевых заданий во время нейрохирургических операций — это процедура, позволяющая выделить зоны головного мозга, ответственные за различные когнитивные функции, в частности речевые, и достичь максимального объема резекции с минимальным послеоперационным когнитивным дефицитом [8, 9]. Электростимуляция нарушает нормальное функционирование стимулируемой области на несколько секунд, что обеспечивает моментальную реакцию пациента, например остановку речи или ее искажение. Таким образом, хирург получает индивидуальную анатомическую карту распределения речевых центров для каждого пациента, принимает решение о функциональной значимости конкретных регионов мозга, находящихся в его операционном поле, и по возможности избегает их удаления. Операции с пробуждением и интраоперационным картированием речи обычно проводятся для пациентов с очагами поражения в лобной, височной и теменной долях доминантного, чаще всего левого, полушария головного мозга, так как эти доли вовлечены в речевую деятельность [10]. На рис. 1 (здесь и далее на цв. вклейке) авторами представлен результат картирования речи с применением прямой электрической стимуляции пациента N., у которого опухоль располагалась в левых лобной и височной доле, картирование проводилось с помощью заданий на называние объектов, повторение псевдослов и соотнесение слова с рисунком.

Рис. 1. Результаты интраоперационного картирования пациента N.: ярлыками 3 (зеленый) и 2 (красный) обозначены области, электрическая стимуляция которых приводила к ошибкам при назывании объектов.

Повреждения в определенной зоне головного мозга вызывают нарушения разного характера, и для разработки верной стратегии проведения интраоперационного картирования необходимо опираться на доступные данные о физиологических процессах, ответственных за речевую деятельность. С целью описания таких процессов создаются и совершенствуются модели восприятия и продукции речи, которые выделяют и описывают мозговые структуры, критически важные для речевых процессов, и механизмы их взаимодействия с другими структурами и отделами мозга.

Так, существует классическая модель восприятия и продукции речи, также известная как модель Вернике—Гешвинда [11]. Согласно этой модели, основными центрами, вовлеченными в речевые процессы, считаются зона Брока (область нижней лобной извилины), зона Вернике (область верхней височной извилины) и территория Гешвинда (нижняя теменная долька), соединенные дугообразным пучком [12]. С развитием методов нейровизуализации модель Вернике—Гешвинда пересматривалась и дополнялась. На данный момент наиболее полной и достоверной принято считать модель двойного маршрута [10]. Согласно этой модели, речевые процессы обеспечиваются двумя путями: вентральным и дорсальным. Вентральный путь, проходящий в верхних и средних отделах височной доли, вовлечен в восприятие речи. Дорсальный путь, проходящий в задних отделах лобной доли, задних отделах височной доли и теменной покрышке, отвечает за процессы, необходимые как для восприятия, так и для продукции речи. Отмечается, что вентральный путь имеет билатеральную организацию, т.е. расположен в двух полушариях, а дорсальный — расположен исключительно в доминантном полушарии [10]. Несмотря на то что модель двойного пути наиболее полно описывает речевые представительства мозга, индивидуальная организация речевых зон, нейропластичность и реорганизация при патологии ограничивают зону ее применения. Также модель не учитывает структурные связи между речевыми регионами, представленные ассоциативными пучками белого вещества.

Лобная доля является центром моторных функций, включающим в себя первичную, премоторную и дополнительную моторную кору, вовлеченную в том числе в обеспечение речевой деятельности. В связи с этим поражения участков лобной доли могут привести к дизартрическим нарушениям при продукции речи, возникающим в результате ослабления мышечного контроля над речевым аппаратом [13]. Также в лобной доле находятся оперкулярная (покрышечная) (pars opercularis) и треугольная (pars triangularis) части нижней лобной извилины, поражения которых связывают с нарушениями синтаксической обработки [14, 15], в бóльшей степени проявляющимися при назывании действий, а не объектов [16]. Также была показана вовлеченность этих регионов в процессы лексического доступа [17] и вербальной рабочей памяти [18]. Более того, в лобной доле проходит лобный косой пучок и находятся терминали дугообразного пучка [19]. Повреждение волокон лобного косого пучка ведет к нарушениям спонтанной речи [4, 20], а повреждения дугообразного пучка — к дефициту сенсомоторной интеграции при назывании и повторении [21, 22].

Височная доля практически полностью состоит из областей, критически вовлеченных в речевые процессы. Верхняя височная извилина играет ключевую роль в фонологической обработке [23]. Средняя височная извилина является центром интеграции семантической и фонологической информации, участвующем, например, в понимании предложений [23]. Нижняя височная извилина и полюс височной доли вовлечены в хранение семантической информации и распознавание грамматической правильности синтаксических конструкций [23]. Веретенообразная извилина выполняет функции, связанные с дискриминацией фонем [23] и зрительным распознаванием информации, важной для речевых процессов [24]. Было показано, что поражения латеральной части височной доли ведут к фонологическим дефицитам [25] и лексико-семантическим нарушениям [2, 26, 27], которые в большей степени проявляются при назывании объектов, чем действий [16]. Дисфункция же системы вентральных височных представительств речи влечет за собой нарушения зрительного распознавания слов и, как следствие, чтения [27—29]. Также при поражении дугообразного пучка в глубине белого вещества височной доли наблюдаются нарушения сенсомоторной интеграции [22].

Теменная доля в аспекте речевых функций, возможно, является одним из вариантов локализации височных представительств, так как ее поражения также ведут к лексико-семантическим [2, 26] и фонологическим [30] нарушениям. Из специфических нарушений, следующих за патологиями угловой извилины теменной доли, можно назвать нарушения чтения, являющиеся вторичными по отношению к нарушениям зрительно-пространственной обработки [31]. Также могут возникнуть проблемы при восприятии логико-грамматических конструкций [32]. Сенсомоторная интеграция также может быть нарушена при повреждениях теменной доли из-за прохождения в ней дугообразного пучка в территории Гешвинда [22].

В связи с обширным и разнородным представительством речевых процессов в головном мозге появляется необходимость проведения эмпирических исследований с применением методов нейровизуализации и стандартизированных речевых заданий, направленных на оценку восприятия, продукции и повторения речи на фонетико-фонологическом, лексико-семантическом и морфосинтаксическом уровнях языка.

Наиболее распространенными заданиями при проведении процедуры интраоперационного картирования речи долгое время считались тесты на называние объектов и счет [26, 33—36].

Однако с точки зрения контроля речевых функций счет в таком случае будет являться примером автоматизированной речи, отличающейся психическими и нейрональными механизмами от обычной развернутой речи [37], и не репрезентирующим достаточный спектр речевых процессов, нуждающихся в контроле во время картирования речи. Таким образом, полностью полагаться на только этот тест во время интраоперационного картирования речи невозможно. В отличие от заданий на счет, называние объектов и действий по рисунку — более сложный и динамичный речевой процесс [36].

Общепринятая модель лексического доступа [38, 39] предполагает, что процесс извлечения слова состоит из концептуализации (активации концепта называемого слова), лексического выбора и морфологической кодировки слова [36]. Результатом же является активация леммы (репрезентации семантических и грамматических характеристик слова в ментальном лексиконе) и фонетическая кодировка слова, строится его моторный план [36].

Несмотря на то что были разработаны другие батареи интраоперационных тестов для выявления речевых зон, учитывающие более специфичные аспекты продукции и восприятия речи [40—42], тест на называние объектов продолжает оставаться «золотым стандартом» в картировании речи во время нейрохирургических операций с пробуждением. Это объясняется тем, что, будучи простым в плане своей процедуры, тест позволяет активировать и контролировать процессы, важные для продукции речи [36, 43]. По этим причинам тест на называние при интраоперационном картировании речи используется наиболее часто; более того, если до операции пациент с ним не справляется, сама возможность проведения интраоперационного картирования оказывается под вопросом.

В ряде исследований продемонстрировано, что лобная доля задействована в назывании глаголов в большей степени, нежели височная [44, 45]. Согласно одной из гипотез, глаголы могут обрабатываться отличным от существительных путем, что связано с их различиями по ряду характеристик [36, 46]. Так, предполагается, что называние действий активирует не только сам глагол, но и существительные, которые могут с ним сочетаться, что подразумевает бóльшую степень грамматической кодировки по сравнению с называнием объектов [36, 47]. По данным исследований, височная доля левого полушария задействована в большей степени в назывании объектов [36,48—50]; поражения в лобной доле приводят к трудностям с называнием действий, а поражения в височной доле — к трудностям с называнием объектов [36, 44, 49, 51]. Таким образом, тест на называние действий проводится пациентам с очагом поражения в лобных долях, в то время как тест на называние объектов — пациентам с очагом поражения, расположенным в височных и теменных долях [36]. Из-за пограничности расположения постцентральной извилины между долями мозга, вовлеченными в называние и действий, и объектов, рекомендуется проводить оба этих теста, если очаг поражения находится в данной области. На рис. 2 представлена составленная авторами схема применения тестов на лексико-семантическую обработку для корковых представительств речи.

Рис. 2. Схема зон применения тестов, направленных на лексико-семантическую обработку.

Восприятие звучащей речи невозможно без предварительной обработки звуковых сигналов и выделения из них речевых и неречевых элементов. Первичная фонологическая обработка включает выделение фонемы из потока речи и определение ее морфологических признаков для успешного прохождения дальнейшей семантической обработки — интеграции со смысловой стороной речевого стимула [23].

Обработка звуковых стимулов происходит в слуховой коре и ее основных элементах — в верхней височной извилине, поперечной височной извилине, височной площадке (planum temporale) и площадке полюса (planum polare) [23], однако критически значимой для процессов речевой обработки является верхняя височная извилина [23, 25]. Для картирования зон, ассоциированных с фонологическими навыками, используется ряд тестов, различающихся по проверяемым фонологическим процессам.

Тест на повторение псевдослов направлен на проверку сенсомоторной интеграции (способности к обработке стимулов разных модальностей и дальнейшего их преобразования в моторные действия [52]), артикуляции, а также способностей к фонологическому и акустическому анализу. Тест заключается в том, что пациенту предъявляется аудиозапись псевдослова, которую он должен прослушать, а затем повторить услышанное псевдослово. Псевдослово — это несуществующее слово, образованное от существующего путем замены одного звука или более.

Нарушение сенсомоторной интеграции, будучи одним из проявлений нарушений фонологической обработки, влечет за собой появление фонологических парафазий, ухудшение способностей к повторению и может возникать вследствие поражений дугообразного пучка в зонах лобной, височной и теменной долей [21, 22]. Поэтому для контроля способности к сенсомоторной интеграции рекомендуется использовать тесты на повторение псевдослов [21].

Кроме того, некоторые исследования показывают, что повреждение дугообразного пучка приводит к нарушению фонологических функций [53]. Следовательно, для картирования терминалей дугообразного пучка также необходимо применять тест на повторение псевдослов. На рис. 3 представлена составленная авторами схема применения данного теста.

Для контроля первичных процессов фонологической обработки могут использоваться тесты, включающие в себя задания на дискриминацию: «чтение с поиском фонологического лишнего» (reading with phonological odd word out) [54, 55], в котором участникам необходимо выбрать слово со звучанием, отличным от остальных предъявленных стимулов, и задания на фонологическую дискриминацию, где пациенту необходимо решить, одинаковые слоги были ему предъявлены или нет. Целесообразно использовать такие тесты в задней и среднезадней части верхней височной извилины.

Тест на соотнесение слова с рисунком, наряду с оценкой первичных акустических и фонологических функций, позволяет контролировать интеграцию также фонологических и лексико-семантических функций. Для верного выполнения задания должно быть задействовано несколько процессов: сначала звуковой стимул должен быть вычленен из потока речи, осознаны его фонологическая форма и морфологические признаки; далее активируются процессы лексической обработки — фонема(ы) соотносится с леммой, лемма же встраивается и активируется в системе семантической памяти [56—59]. Тест на соотнесение слова с рисунком также задействует ряд важных когнитивных процессов, связанных с визуальной обработкой информации.

Задание выглядит следующим образом: предъявляется рисунок, одновременно с его появлением произносится слово, либо соответствующее предмету, изображенному на рисунке, либо незначительно отличающееся от него одним звуком или более. Задача пациента состоит в том, чтобы определить, соответствует ли названный диктором предмет изображенному на рисунке.

Тест целесообразно использовать при картировании средней части нижней височной извилины и задней и среднезадней частей верхней височной извилины. Данные фМРТ картирования также указывают на активацию таких регионов, как средняя и нижняя лобные извилины, медиальная затылочно-височная извилина (lingual gyrus), веретенообразная извилина (fusiform gyrus) и предклинье [60].

В таблице сформулированы функции, проверяемые тем или иным фонологическим тестом.

Применение тестов на фонологическую обработку для корковых представительств

Заканчивание предложений — интраоперационный тест, в котором пациенту предъявляется начало предложения, его необходимо прочитать и дополнить одним словом, грамматически правильным и семантически подходящим. Тест проверяет спонтанную беглость речи, т.е. способность инициировать и осуществлять лексически, грамматически и прагматически соответствующее речевое выражение идеи в рамках ограничивающего контекста [4, 61, 62]. Такая беглость возникает при взаимодействии речевых (т.е. лексико-семантических, морфосинтаксических) и исполнительных функций (т.е. планирования, выбора времени и координации речи) [63]. Согласно модели K. Bock и W. Levelt [64], построение предложений развивается на основе идеи, которую необходимо передать (уровень сообщения) посредством выбора слов и их синтаксической роли для выражения идеи (функциональный уровень) и сборки слов и морфем в фрейм предложения (позиционный уровень) для последующего программирования артикуляции (фонологическое кодирование). Таким образом, задача заканчивания предложения релевантна для проверки беглости речи.

Этот тест используется для картирования лобного косого пучка, а также дополнительной моторной коры (ДМК) и пре-ДМК, куда терминирует этот тракт, так как, согласно исследованиям, именно эти зоны ответственны за инициацию и беглость речи [4, 63, 65, 66]. Схема применения тестов на морфосинтаксическую обработку представлена авторами на рис. 3.

Рис. 3. Схема зон применения тестов на повторение псевдослов и заканчивание предложений.

Волокна дугообразного пучка (красные), волокна лобного косого пучка (фиолетовые). Взяты из The Quantitative Imaging Toolkit https://github.com/cabeen/qit.

Чтение является одним из сложнейших процессов, компетенции которого зависят от этапа формирования этого навыка. При обучении чтению процесс максимально развернут: начинаясь со зрительного восприятия и анализа графемы, переходит к перешифровке комплекса графем в соответствующие звуковые структуры и заканчивается усвоением значения написанного. В дальнейшем чтение превращается в свернутый, высокоавтоматизированный процесс, почти не включающий в свой состав звуковой анализ и синтез слов и представляющий собой непосредственное узнавание значения написанных слов, а иногда и целых фраз [32].

Самые распространенные нарушения чтения возникают при поражении теменных областей, являясь вторичными по отношению к нарушениям зрительно-пространственной обработки [31]. В результате применения фМРТ было доказано, что чтение ассоциируется с активацией точного и воспроизводимого участка в левой латеральной затылочно-височной борозде [28]. На практике E. De Witte и соавт. [54] применяют «чтение с выделением семантически лишнего слова», в котором оцениваются вербальные семантические знания, смысловая обработка и чтение. Пациентам предлагается прочитать вслух слово, которое семантически не вписывается в список, состоящий из четырех односложных или четырех двусложных слов. Таким образом, задания, связанные с оценкой чтения, применяются при картировании височно-затылочных отделов, в частности супрамаргинальной и угловой извилин, и прилегающих трактов белого вещества (нижний продольный пучок) [29, 54].

Речевые процессы имеют сложную нейроанатомическую репрезентацию, чем обусловливается сложность определения функциональной значимости конкретного региона для конкретного процесса. Так, при проведении процедуры интраоперационного картирования и при выборе интраоперационных тестов необходимо учитывать как расположение области резекции, так и подкорковые структуры, потенциально проходящие в ней.

На данный момент существуют интраоперационные тесты для разных критически значимых уровней языка: фонетико-фонологического, лексико-семантического и морфосинтаксического. Широкий набор тестов в совокупности с их релевантным использованием (и комбинированием при необходимости) позволяет комплексно подойти к вопросу тестирования и сохранения речевых функций у пациентов с опухолями и фармакорезистентной эпилепсией посредством проведения интраоперационного картирования и мониторинга речи в условиях проведения операции с пробуждением.

Исследование осуществлено в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

The study was conducted as a part of the HSE National Research University Fundamental Research Program.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.