Les crises d'épilepsie proviennent d'une synchronisation pathologique de réseaux neuronaux du cortex. Les crises motrices, générées à partir du cortex moteur primaire, sont souvent pharmaco-résistantes. La résection neurochirurgicale du foyer épileptique est rarement l'option thérapeutique de choix au regard des risques de deficits moteurs potentiellement induits par la résection. Les ganglions de la base ont un rôle important dans la propagation des crises. Des enregistrements par micro-électrode réalisés dans une précédente étude ont montré que les activités des structures d'entrée des ganglions de la base telles que le Putamen, le noyau caudé et le noyau sous-thalamique (NST) sont fortement modifiées pendant des crises motrices. Le taux de décharge moyen des neurones du NST et du Putamen augmente et le pourcentage de neurones oscillants synchronisés avec l'EEG durant la période ictale est plus élevé durant les crises que pendant la période inter-ictale. Des études pilotes chez l'humain ont montré un effet bénéfique potentiel de la stimulation cérébrale profonde (SCP) chronique du NST pour traiter les crises motrices pharmaco-résistantes. Le but de notre étude est d'évaluer les effets thérapeutiques de la SCP des structures d'entrée des ganglions de la base. Nous avons dans un premier temps développé un modèle primate de crise d'épilepsie motrice focale stable et reproductible par injection intra-corticale de pénicilline. Nous avons ensuite caractérisé la pharmaco-résistance du modèle. Nous avons implanté stéréotactiquement des électrodes de SCP dans le NST et le Putamen. Le stimulateur a été placé sous la peau dans le dos de l'animal. Un protocole de stimulation à 130 Hz à un voltage inférieur à l'apparition d'effets secondaires a été réalisé dans le NST. Le stimulateur était mis en marche au moment de l'injection de la pénicilline. Un protocole de stimulation à 0 volt a été réalisé comme condition contrôle. Chaque primate étant son propre contrôle. L'apparition des crises, leur nombre et leur durée ont été comparés par période de 1 heure entre la condition stimulée et non stimulée. Chaque session expérimentale a été menée sur une durée de plus de six heures. Nous avons évalué l'effet préventif de la SCP à haute fréquence (130 Hz) du NST sur les crises motrices. Nous avons également étudié l'effet préventif de la SCP à basse fréquence (5-20 Hz) du Putamen sur ce même modèle. Enfin, sur un autre primate, nous avons étudié l'effet combiné de la SCP du NST à haute fréquence et du Putamen à basse fréquence sur les crises motrices. Résultats : Les effets de la SCP chronique du NST à haute fréquence ont été analysés à partir de 1572 crises apparues au cours de 30 sessions expérimentales chez 3 primates. Les effets de la SCP préventive du NST ont été évalués sur 454 crises motrices durant 10 sessions expérimentales chez un primate. L'effet de la SCP du Putamen à basse fréquence a été analysé sur 289 crises durant 14 sessions chez 2 primates. Enfin l'effet combiné de la SCP du NST et du Putamen a été évalué sur 477 crises durant 10 sessions. Les meilleurs résultats ont été obtenus par SCP chronique du NST. L'apparition de la première crise était significativement retardée lorsque le primate était stimulé. Le temps total passé en situation de crise motrice était diminué en moyenne d'environ 69 % (p ≤0.05) par rapport à la condition non-stimulé au regard de la diminution significative du nombre de crises particulièrement durant les 3 heures après le début de la stimulation. La durée de chaque crise était modérément réduite. Les modes de stimulation mono-polaire ou bi-polaire avaient une efficacité similaire. La SCP préventive du NST n'a pas eu d'effet supérieur à la stimulation chronique du NST. La SCP chronique du Putamen à basse fréquence avait un effet positif mais principalement durant les deux premières heures de stimulation. L'effet combiné de la SCP du NST et du Putamen était inférieur à la SCP chronique du NST ou du Putamen. / Epileptic seizures arise from pathological synchronization of neuronal ensemble.Seizures originating from primary motor cortex are often pharmacoresistant, and many times unsuitable for respective surgery because of location of epileptic focus in eloquent area. Basal ganglia play important role in seizure propagation. Micro electrode recordings performed during previous studies indicated that input structures of basal ganglia such as GPe, Putamen and Subthalamic nucleus (STN) are strongly modified during seizures. For example the mean firing rate of neurons of the STN and Putamen increased and the percentage of oscillatory neurons synchronized with the ictal EEG was higher during seizures as compared to interictal periods. Pilot studies in humans have shown the possible beneficial effect of chronic DBS applied to STN in treatment of pharmacoresistant motor seizures. Our study was aimed at studying the therapeutic effect of electrical stimulation of input structures of basal ganglia . We first developed a stable, predictable primate model of focal motor epilepsy by intracortical injection of penicillin and we documented it's pharmacoresistence. We then stereotactically implanted DBS electrodes in the STN and Putamen. The stimulator was embedded at the back of the animals. Subthreshold electrical stimulations at 130 Hz were applied to STN. Stimulator was turned ON when penicillin was injected. Sham stimulation at 0 volt was used as a control situation, each monkey being its own control. The time course, number and duration of seizures occurring in each epochs of 1 h were compared during ON and sham stimulation periods. Each experimental session lasted uptoo 6 hours,We also studied preventive high frequency stimulation of STN and subthershold low frequency stimulation of Putamen with 5 Hz and 20 Hz in the same model .Finally we studied combined effects of high frequency STN and low frequency Putamen stimulation in one monkey Results: Data was analysed from 1572 seizures in 30 experiments in three monkeys for chronic STN stimulation , 454 seizures in 10 experiments in one moneky during preventive STN stimulation ,289 seizures from 14 experiments in two monkeys during LFS putamen stimulation and 477 seizures from 10 sessions during combined STN and Putamen stimulation in one monkey The best results were observed during chronic STN stimulation The occurrence of first seizure was significantly delayed as compared to sham situation. Total time spent in focal seizures was significantly reduced by ≥69% on an average (p ≤0.05) after STN stimulation, due to a significant decrease in the number of seizures especially so during the first 3 hours after stimulation. The duration of individual seizures reduced moderately. Bipolar and monopolar stimulation modes were equally effective Preventive HFS STN (in one specimen) was not found to be superior to acute stimulation. LFS Putamen alone was effective but mainly in first two hours of stimulation .In a combined HFS STN and LFS Putamen stimulation the effect of stimulation in terms of seizure control was modest and poor compared to HFS STN alone or LFS Putamen alone. This study provides original data in primates showing the potential therapeutic effect of chronic HFS-STN DBS to treat focal motor seizures . A discussion explaining these results and comparison with STN DBS in human motor seizures as well as future translational perspective in human therapeutics is provided.

Der endogene adaptive Mechanismus der Hypoxietoleranzentwicklung, als ischemic tolerance bezeichnet, wurde sowohl für Angina-pectoris-Anfälle vor einem folgenden Myokardinfarkt als auch für eine TIA vor einem ischämischen Hirninfarkt beschrieben. Da es Anhalte für eine Minderperfusion des Hirngewebes nach einem Schädelhirntrauma (SHT) gibt, wurde hier untersucht, welche Auswirkung eine cerebrale, ischämische Präkonditionierung (IPC) in Form einer TIA vor dem Trauma oder mikroangiopathische Veränderungen des Hirnparenchyms im CT oder die als neuroprotektiv beschriebene Acetylsalicylsäure auf die Nachblutungsrate bei SHT-Patienten haben. Die Nachblutungsrate in der Gruppe der ischämisch präkonditionierten war signifikant geringer als in der Kontrollgruppe (10,4 % vs. 48,9 %, p<0,001). Auf Grund einer Korrelation der ASS Einnahme mit dem vorliegen einer IPC konnte für diesen Faktor in der multivariaten Analyse kein signifikantes Ergebnis gezeigt werden. Der Glasgow Coma Scale als Maß für das neurologische Defizit bei Entlassung unterschied sich nicht signifikant (12,9 vs. 12,7). Insgesamt traten bei 35,7 % der Patienten Nachblutungen auf, bei initial unauffälligem CT sogar in 54 %. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass eine IPC vor einem SHT eine Rolle spielen könnte. Da jedoch die vorliegenden Daten zeigen, dass eine Nachblutung nicht zwingend mit einem schlechteren neurologischen Outcome einhergeht, müssen noch andere Faktoren existieren, die den klinischen Verlauf eines SHT-Patienten beeinflussen. Diese Studie belegt erneut die Notwendigkeit von Verlaufskontrollen - z.B. mittels CT - da auch bei initial unauffälligem CT-Befund intraparenchymale Blutungen auftreten.

The identification of eloquent areas is of utmost importance in the surgery of tumors located near speech-eloquent brain areas, since the classical concept of a constant localization was proven to be untrue and the spatial localization of these areas may show large interindividual differences. Some neurosurgical centers apply intraoperative electrophysiological methods that, however, necessitate the performance of surgery in the awake patient. This might be a severe burden both for the patient and the operating team in a procedure that lasts several hours; in addition, electrical stimulation may generate epileptic seizures. Alternatively, methods of functional brain imaging (e.g., PET, fMRI, MEG) may be applied, which allow individual localization of speech-eloquent areas. Matching of these image data with a conventional 3D-CT or MRI now allows the exact transfer of this information into the surgical field by neuronavigation. Whereas standards concerning electrophysiological stimulation techniques that could prevent a permanent postoperative worsening of language are available, until now it remains unclear whether the resection of regions shown to be active in functional brain imaging will cause a permanent postoperative deficit. / Die Identifikation sprachaktiver Areale ist von höchster Bedeutung bei der Operation von Tumoren in der Nähe des vermuteten Sprachzentrums, da das klassische Konzept einer konstanten Lokalisation des Sprachzentrums sich als unrichtig erwiesen hat und die räumliche Ausdehnung dieser Areale eine hohe interindividuelle Varianz aufweisen kann. Einige neurochirurgische Zentren benutzen deshalb intraoperativ elektrophysiologische Methoden, die jedoch eine Operation am wachen Patienten voraussetzen. Dies kann sowohl für den Patienten als auch das Operations-Team eine schwere Belastung bei diesem mehrstündigen Eingriff darstellen, zusätzlich können epileptische Anfälle durch die elektrische Stimulation generiert werden. Alternativ können Modalitäten des «functional brain imaging» (PET, fMRT, MEG usw.) eingesetzt werden, die die individuelle Lokalisation sprachaktiver Areale gestatten. Die Bildfusion dieser Daten mit einem konventionellen 3D-CT oder MRT erlaubt den exakten Transfer dieser Daten in den OP-Situs mittels Neuronavigation. Während Standards bei elektrophysiologischen Stimulationstechniken existieren, die eine permanente postoperative Verschlechterung der Sprachfunktion weitgehend verhindern, bleibt die Relevanz sprachaktiver Areale bei den neuesten bildgebenden Techniken bezüglich einer Operations-bedingten Verschlechterung der Sprachfunktion bisher noch unklar. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Frameless neuronavigational systems are a recent novelty for a precise approach to intracerebral tumours in open surgery. In this study 66 patients with a variety of intracranial tumours in various locations underwent surgical resection with neuronavigational guidance. Two different neuronavigational systems – the arm- and pointer-based ISG viewing wand and the miroscope-based MKM system – were compared for four different indications. Neuronavigation was used (a) in multiple tumours, e. g. brain metastases, (b) in solitary cortical or subcortical tumours located in eloquent brain areas, e. g. motor cortex or speech region, (c) in deep-situated brain tumours, including brain stem neoplasms, and (d) in infiltratively growing tumours to define the borders of the lesion. Using taped skin markers (MKM system) and a surface-fit algorithm (viewing wand) for registration, an accuracy of 1 to 2 mm deviation was achieved, which was sufficient for removal of all of the intracranial neoplasms investigated. Both systems proved to be safe and useful surgical tools regardless of the patient`s age, positioning of the patient during surgery or the location of the lesion. When these two systems were compared, the viewing wand was found to be preferable for resection of multiple brain tumours located in distant operative sides and solitary tumours in eloquent brain areas; this was because of the wide range of movement of the pointing device and the possibility of 3D reconstruction of the brain surface. As the MKM system provided the option of stereotactical guidance during the operative procedure, it was found to be superior in approaching small and deep-situated lesions. In certain cases brain shifting due to early drainage of the CSF led to minor underestimation of the real depth. For the precise definement of tumour borders of intraparenchymal neoplasms both system were equally suitable. However, intrusion of brain parenchyma into the resection cavity led to minor overestimation of the real tumour size in certain large intraparenchymal tumours. / Rahmenfreie Neuronavigationssysteme stellen eine Neuerung in der offenen operativen Behandlung intrazerebraler Tumoren dar. In dieser Studie wurden 66 Patienten mit verschiedenen intrakraniellen Tumoren in unterschiedlichen Lokalisationen mit Hilfe der Neuronavigation operiert. Hierbei wurden zwei verschiedene Navigationssysteme – ein Arm- und Pointer-basierendes System (ISG Viewing Wand) und ein Mikroskop-basierendes System (MKM) – für vier verschiedene Indikationen miteinander verglichen. Die Neuronavigation wurde verwendet (a) bei multiplen Tumoren, wie z.B. Hirnmetastasen, (b) bei solitären kortikalen oder subkortikalen Prozessen in eloquenten Hirnarealen, wie z.B. Motorkortex oder Sprachregion, (c) bei tiefgelegenen Hirntumoren einschließlich Hirnstammtumoren und (d) bei infiltrativ wachsenden Tumoren zur Bestimmung der Tumorgrenzen. Die Verwendung von Hautklebemarkern (MKM-System) und eines Oberflächen-Anpassungsalgorithmus (Viewing Wand) zur Registrierung war mit einer Genauigkeit von 1 bis 2 mm Abweichung für die operative Entfernung aller intrakraniellen Tumoren ausreichend. Beide Systeme bestätigten sich als sichere und geeignete chirurgische Hilfsmittel unabhängig vom Alter der Patienten, der Lagerung des Patienten unter dem chirurgischen Eingriff und der Lokalisation der Raumforderung. Im Systemvergleich zeigte die Viewing Wand durch einen weiten Bewegungsraum des Pointers und der Möglichkeit einer dreidimensionalen Rekonstruktion der Hirnoberfläche Vorteile in der Entfernung von multiplen, in entfernten Hirnregionen gelegenen Tumoren sowie von solitären Prozessen in eloquenter Lokalisation. Das MKM-System war durch die Bereitstellung einer stereotaktischen Führung während des operativen Eingriffes in der Ansteuerung kleiner tiefgelegener Prozesse zu bevorzugen. Eine frühzeitige Liquordrainage führte zu einem brain shifting mit einer diskreten Unterschätzung der wirklichen Tiefe. Für eine genaue Festlegung der Tumorgrenzen von intraparenchymalen Tumoren waren beide Systeme vergleichbar geeignet. Das Relabieren von Hirngewebe in die Resektionshöhle führte jedoch in einigen Fällen von großen intraparenchymalen Tumoren bei beiden Systemen zu einer geringen Überschätzung der wirklichen Tumorgrenzen. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

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Etwa 7000 Menschen erkranken in Deutschland pro Jahr an einem bösartigen Hirntumor. Bei vielen dieser Patienten ist die mikrochirurgische Resektion des pathologischen Gewebes ein wesentlicher Baustein der Therapie. Doch trotz vielfältiger technischer Unterstützungssysteme ist die Hirntumorchirurgie eine der anspruchsvollsten chirurgischen Disziplinen. Dieser Umstand ist u. a. der Tatsache geschuldet, dass entstandene Schäden am Hirngewebe meist irreversibel sind und somit postoperativ zu funktionellen Beeinträchtigungen bei den Patienten führen können. Erschwerend kommt weiterhin hinzu, dass pathologisch verändertes und funktionell intaktes Hirngewebe vor allem bei niedergradigen Gliomen visuell kaum voneinander unterscheidbar sind. Für das postoperative Outcome der Patienten ist sowohl das Ausmaß der Resektion, als auch die Vermeidung von funktionellen Defiziten von essenzieller Bedeutung. Zahlreiche Studien belegen eine deutlich verlängerte Überlebenszeit bei vollständiger Entfernung des Tumorvolumens und gleichzeitiger Vermeidung von durch den Eingriff verursachten neuen funktionellen Defiziten. Primäres Ziel ist daher die möglichst vollständige Entfernung des Tumors bei Erhalt der Hirnfunktion. Zur Unterstützung während dieses Entscheidungsprozesses besteht der Bedarf für vor allem intraoperativ anwendbare Verfahren und Methoden, die mit geringem Aufwand einsetzbar sind und Informationen über Morphologie und/oder Funktion bereitstellen können. Die optische Bildgebung (IOI / Intraoperative Optical Imaging) stellt eine Möglichkeit dar während der Intervention spezifische Hirnfunktionen zu visualisieren. Ursprünglich primär zu Forschungszwecken im Tiermodell eingesetzt, konnte in der Vergangenheit das Potenzial der Methode bei dem Einsatz im klinischen Umfeld gezeigt werden. Ausgehend von diesen Ergebnissen sollten in dieser Arbeit nun zum einen die Methode zur Darstellung der funktionellen Hirnareale weiter optimiert, die Integration in das klinische Umfeld vorangetrieben sowie das Potenzial der Bildgebung in weiteren Anwendungsfeldern evaluiert werden. Zentrale Fragestellungen die untersucht wurden, waren die Evaluation des Nutzens der IOI bei Wachkraniotomien zur Identifikation von Motor- und Spracharealen sowie zum anderen die Optimierung der bisherigen Auswerte- und Visualisierungsmethodik in Hinblick auf eine Maximierung des Informationsgewinns durch die genauere Charakterisierung der hämodynamischen Antwortfunktion. Weiterhin wurde untersucht inwieweit die in klinischer Routine vorhandene Mikroskopkameratechnik zur Anwendung der IOI geeignet ist. Neben diesen Fragestellungen ist auch die Abgrenzung von Tumorgewebe Gegenstand dieser Arbeit. Ausgehend von der Tatsache, dass sich pathologische Veränderungen u. a. auch in einer gestörten neurovaskulären Kopplung manifestieren, wurde untersucht, ob die direkte elektrische Stimulation (DCS) der Hirnoberfläche in Kombination mit der IOI geeignet ist, diese zu testen und somit funktionell intaktes und pathologisch verändertes Gewebe während der Operation zu differenzieren. Die Bewertung der IOI bei Wachoperationen erfolgte an einem Kollektiv aus insgesamt 10 Patienten. Hierbei wurden die mittels IOI aktivierten Areale qualitativ mit den präoperativ aufgezeichneten fMRT-Daten, sowie den intraoperativen Ergebnissen der Sprachtestung durch die direkte elektrische Stimulation verglichen. Zur funktionellen Aktivierung der Sprachareale wurden von den Patienten während der Aufnahmen Objektbenennungsaufgaben durchgeführt. Weiterhin fanden Untersuchungen zum Einsatz der IOI zur Generierung von visuellem Feedback während der Sprachkartierung statt. Zur Beantwortung der Eignung der RGB-Kamera für die IOI, wurden Messungen an insgesamt acht Patienten durchgeführt, bei denen der primär sensorische Kortex durch Stimulation des N. medianus aktiviert wurde. Die Aufnahmen der RGB-Kamera erfolgten hierbei parallel zu dem bisher genutzten Standardsystem, welches durch Lichtwellenlängenfilterung bei einem isosbestischen Punkt der Hämoglobinabsorption (568 nm) sensitiv für Änderungen des zerebralen Blutvolumens ist. Die aus den einzelnen Farbkanälen berechneten Aktivitätskarten der RGB-Kamera wurden mit der Aktivitätskarte des Standardsystems verglichen, um eine Aussage über die dominierende physiologische Signalkomponente in den einzelnen Farbkanälen zu treffen. Die bisherigen Auswertealgorithmen für die Darstellung funktioneller Areale basieren auf einem Ansatz, welcher die Fouriertransformation nutzt, um die Amplitude der Stimulationsfrequenz in den Bilddaten zu identifizieren. Dieser Ansatz wurde derart optimiert, dass zusätzlich zur Amplitudeninformation nun auch die Phaseninformation des Signals berücksichtigt wird. Somit können die hämodynamischen Vorgänge bei Aktivierung der entsprechenden Hirnareale genauer charakterisiert werden. Diese neue Auswertung und Visualisierung wurde zur Untersuchung der Aufnahmen von insgesamt 22 Patienten genutzt. Hierbei wurden die Aktivierungen nach elektrischer, taktiler und visueller Stimulation sowie die Aktivierung nach Durchführung von Sprachaufgaben bei Wachkraniotomien untersucht. Die Ergebnisse wurden u. a. mittels Phasenwinkelverteilungen in Form von Polarhistogrammen quantifiziert. In Hinblick auf die Differenzierung zwischen Tumor- und Normalgewebe wurden die Änderungen des zerebralen Blutvolumens, nachfolgend auf insgesamt 19 elektrische Stimulationen der Hirnoberfläche bei drei Patienten, mittels IOI beobachtet und die in den aktivierten Arealen gemessenen Reflektanzänderungen anschließend hinsichtlich Amplitude und Dauer quantifiziert. Das Ausmaß der aktivierten Areale wurde dazu mittels Differenzbildberechnung aus der gemittelten Reflektanz der Hirnoberfläche vor Stimulationsbeginn und der Reflektanz direkt nach Stimulationsende bestimmt. Bei dem Einsatz der IOI während Wachoperationen war die Identifizierung von primär motorischen Arealen in guter Übereinstimmung zu den präoperativen fMRT-Daten möglich. Die Auswertung der Daten zur Lokalisierung der Sprachareale ergab, dass bei 5 von 8 Patienten grundsätzlich zwar eine Übereinstimmung zum fMRT sichtbar war, gerade aber in Bezug zu den Ergebnissen der intraoperativen Sprachkartierung mit DCS die Ergebnisse beider Modalitäten (fMRT und IOI) nicht spezifisch genug für eine intraoperative Entscheidungsfindung sind. Die Verwendung einer RGB-Kamera für die Bildgebung ist prinzipiell möglich und kann die Integration der Methode in die operativen Abläufe vereinfachen. Bei allen 8 Patienten ließen sich aus den Daten der Farbkamera Aktivitätskarten berechnen, die eine Abgrenzung des Handareals auf dem primär sensorischen Kortex erlaubten. Bezüglich der Lokalisation der Aktivierung zeigten Blau- als auch Grünkanal die höchste Übereinstimmung mit den Daten des Standardsystems bei 568 nm. Eindeutige Unterschiede in den durch verschiedene Stimulationen ausgelösten hämodynamischen Reaktionen konnten mittels der in dieser Arbeit eingesetzten Phasenauswertung beobachtet werden. Speziell die auf die elektrische Stimulation am N. medianus folgende hämodynamische Antwort grenzt sich bezüglich ihrer temporalen Charakteristik gegenüber den Antworten nach taktiler und visueller Stimulation ab. Während der Stimulationsphasen kam es hierbei zu einer Reduktion des zerebralen Blutvolumens. Sowohl bei der taktilen, als auch bei der visuellen Stimulation zeigte sich eine Zunahme des Blutvolumens während der Stimulation. Die Auswertung der aktiven Sprachproduktion ergab sowohl Areale mit zunehmendem, als auch Areale mit abnehmendem Blutvolumen. Im Rahmen der Untersuchungen zur Gewebeabgrenzung mittels IOI und DCS konnten signifikante Unterschiede zwischen Tumor und morphologisch unverändertem, also mutmaßlich funktionell intaktem Hirngewebe beobachtet werden. Nach der elektrischen Stimulation zeigten sich auf Tumorgewebe in ihrer Amplitude deutlich geminderte optische Änderungen wohingegen auf mutmaßlich funktionell intaktem Hirngewebe eine deutliche hämodynamische Reaktion auf den Stimulus zu beobachten war. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die IOI als universelles Werkzeug bei einer Vielzahl von Anwendungsgebieten in der Neurochirurgie eingesetzt werden kann. Der methodeninhärente Vorteil liegt in der einfachen Anwendbarkeit und unkomplizierten Integration in die operativen Abläufe. Basierend auf den Ergebnissen der Arbeit scheint neben der Identifikation funktioneller Areale vor allem die Kombination von IOI und DCS vielversprechend. Hier kann die IOI zum einen zur Generierung von visuellem Feedback im Rahmen der intraoperativen Sprachkartierung genutzt werden und zum anderen bei Eingriffen unter Vollnarkose zur Gewebedifferenzierung. Die in der Arbeit weiterentwickelte funktionelle Auswertung erlaubt die genauere Charakterisierung der hämodynamischen Antwortfunktion auf verschiedene Stimuli und somit die Nutzung der Methode zum Erlangen vom grundlegendem Wissen über die Funktionsweise von kortikalen Prozessen. / Approximately 7000 people in Germany are diagnosed with a malignant brain tumor each year. For many of these patients, microsurgical resection of the pathological tissue is an essential component of the therapy. However, despite a variety of technical support systems, brain tumor surgery is one of the most challenging surgical disciplines. This is primary due to the fact, that damage to the brain tissue is usually irreversible, and can therefore lead to postoperative functional impairment. Another complicating factor is that pathologically altered and functionally intact brain tissue are visually almost indistinguishable from each other, especially in low-grade gliomas. For the postoperative outcome of patients, both, the extent of resection, and the avoidance of functional deficits, are of essential importance. Several studies demonstrate a significantly prolonged survival time with complete removal of the tumor volume while simultaneously avoiding new functional deficits caused by the surgery. Therefore, the primary goal is to remove the tumor as completely as possible while preserving brain function. To assist during this decision-making process, there is a need for intraoperative procedures and methods that can be used with minimal effort to provide information about morphology and function of cortical structures. Intraoperative Optical Imaging (IOI) is a technique that allows the visualization of specific brain function during the surgical intervention. Initially used mainly in animal models, developments in the past revealed the potential of IOI in a clinical setting. Based on those results, the scopes of this work are the further development of the method for visualization of functional brain areas, advancements in integration of IOI into surgical environment, and the development of new fields of application in neurosurgical interventions. In detail, this work investigates the use of IOI in awake surgery for identification of motor and speech areas. Another question addressed is the in depth characterization of the hemodynamic response, following functional stimulation. Therefore, new methods for data evaluation and visualization are developed. The integration of IOI into the clinical workflow and routine is essential for a successful application. Here, the potential use of the microscope integrated camera hardware is investigated to answer the question, whether it can be used for imaging. Besides the identification of functional areas, tissue differentiation is of major importance during tumor resection. Therefore, this work evaluates whether direct electrical stimulation (DCS) is suited, to delineate different tissue types (functional intact and tumor tissue), by evaluating the hemodynamic response following to the stimulation, using the IOI technique. This follows the hypothesis, that tumor tissue is in most cases characterized by an impaired neurovascular coupling and therefore by a limited response to electrical stimulation. IOI during awake surgery was evaluated by performing measurements on a total of 10 patients. Localization of IOI activation was compared towards preoperative acquired fMRI data, as well as towards intraoperative DCS language mapping. Object naming tasks were performed by the patients, to activate the corresponding language areas. Additionally, the use of IOI as a feedback tool during DCS mapping was investigated. Here, IOI was used to visualize the spatial extent of each single stimulation. The suitability of microscope integrated RGB camera for IOI was investigated by performing measurements on 8 patients, that underwent surgery near the central region. Activation of hand area on primary sensory cortex was triggered by electrical stimulation of the median nerve while patients were under general anesthesia. Measurements with an RGB camera were performed parallel to the standard research hardware setup, which uses a light wavelength filter (568 nm) that makes the system sensitive to changes in cerebral blood volume. Activity maps, calculated from the data of each RGB camera color channel, were compared, to the activity maps calculated from light wavelength filtered image data. The current algorithms for IOI data evaluation use a Fourier-based approach to localize the activated brain region based on the amplitude of the stimulation frequency component. This approach was refined in this work to incorporate besides the amplitude also the phase of the stimulation frequency component. This allows a more precise characterization of the hemodynamic processes during activation. The refined approach was used to evaluate 22 patient measurements. Datasets from electrical, tactile, visual, and speech activation were investigated. Results were quantitatively assessed using, among other things, the phase angle distribution visualized as polarhistograms. Regarding the differentiation between functional impaired tumor and functional intact non-tumor brain tissue, changes in cerebral blood volume from 19 direct electrical stimulations of three different patients were recorded and evaluated with IOI. The extent of the activated regions as well as the amplitude and duration of reflectance / hemodynamic changes were quantized. Therefore, a difference imaging technique was implemented. During awake surgery, the identification of primary motor areas with IOI was possible in good agreement with preoperatively acquired fMRI data. The evaluation of speech activation revealed that, although in 5 out of 8 cases a partial agreement between IOI and fMRI was visible, the results of both modalities (IOI as well as fMRI) are too unspecific to be useful for surgical decision-making. Here, DCS will remain the method of choice. The use of an RGB camera for IOI is generally possible and allows an easy integration of the method into the surgical workflow. Evaluation of data from all 8 patients, showed that color camera data is suitable to calculate activity maps that allow the identification of the median nerve area on primary sensory cortex. Regarding the localization of activation, activity maps calculated from green and blue channel data showed the highest agreements towards the CBV maps acquired at 568 nm. Using the refined evaluation protocol that considers the phase information of the optical signal, significant differences were found in the hemodynamic responses following the different stimulation types. Especially the evaluation of the hemodynamic response after electrical median nerve stimulation revealed distinct characteristics. Here, a decrease in CBV during stimulation trials was visible, whereas the hemodynamic responses after tactile as well as visual stimulation were characterized by an increase of CBV during stimulation trials. The evaluation of speech activations, revealed locally adjacent areas with CBV increase as well as with CBV decrease. Evaluation of optical changes of the brain surface after DCS revealed significant differences, dependent of the underlying type of tissue. The stimulation of functional impaired tumor tissue triggered a hemodynamic response that was, compared towards the stimulation of presumably functional intact cortical tissue, reduced in amplitude as well as in its spatial extent. The results of this work illustrate the potential of IOI in a wide variety of applications during neurosurgical intervention. The inherent advantage of the method is its ease in use and the easy integration into clinical workflow and environment. Based on the results of this work, the combination of IOI and DCS seems, besides the identification of functional areas, especially promising. IOI can be used here to either generate visual feedback for DCS during speech mapping in awake surgery, or it can be used to differentiate between tissue types by assessment of neurovascular coupling, even under general anesthesia of the patients. The algorithms for functional data evaluation developed in this work, allow a more precise characterization of the hemodynamic response. Therefore, IOI enables the user to gain fundamental knowledge about cortical hemodynamics and processes. Future work should address each of these presented use cases to address the open questions arising from this initial work on the extended fields of application for IOI.

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Die Arbeit behandelt die Ergebnisse von Experimenten über die Wirkung des Dipeptides Carnosin (β Alanyl L Histidin) und der Aminosäuren L Histidin und β-Alanin auf Kulturen der humanen Zellreihen U87, T98G und LN405, welche von Zellen des malignen Hirntumors Glioblastoma multiforme abgeleitet sind. Die Vitalität der Zellen nach Inkubation mit Carnosin oder L Histidin wurde anhand der Adenosintriphosphatproduktion und der Dehydrohenaseaktivität für Inkubationszeiträume von 24, 48 und 72 Stunden bestimmt. Dabei zeigte sich eine signifikant niedrigere Vitalität der mit Carnosin oder L Histidin inkubierten Zellen gegenüber der unbehandelten Kontrolle. Dieser Effekt war bei L Histidin stärker ausgeprägt. Bei Messungen der Lakatdehydrogenaseaktivität im Medium der Zellen, welche als Indikator für Zellnekrosen diente, zeigten nur die mit L Histidin inkubierte Zellen Zeichen von Nekrose. Die gleichen Messungen wurden auch an humanen embryonalen Nierenzellen durchgeführt (HEK 293), wobei sich ein ähnliches Ergebnis feststellen ließ. In den drei Zellreihen wurde zudem mittels qRT-PCR die mRNA-Expression für die beiden Enzyme Carnosinase 1 und Carnosinase 2 bestimmt, welche L Histidin von Carnosin abspalten. Im Vergleich mit Proben aus normalem Hirngewebe war die Expression beider Enzyme in den Glioblastomzellen deutlich geringer, wenngleich nachweisbar. Nachdem vorhergehende Studien [8] einen Anstieg der Expression von mRNA der Pyruvatdehydrogenasekinase 4 (PDK4) in mit Carnosin inkubierten Glioblastomzellen gezeigt hatten, wurde dieser Effekt hier auch mittels qRT-PCR in mit L Histidin inkubierten Zellen nachgewiesen. Eine Wirkung von Carnosin oder L Histidin auf ein Reportergen des PDK4-Promoters wurde ebenfalls untersucht, wobei sich kein signifikanter Effekt nachweisen ließ.

Les gliomes sont des tumeurs cérébrales infiltrantes difficilement curables, notamment à cause de la difficulté à visualiser toutes les infiltrations au bloc opératoire. Dans cette thèse, nous réalisons une étude clinique de spectroscopie de fluorescence de la protoporphyrine IX (PpIX) dans les gliomes de 10 patients selon l’hypothèse que les spectres collectés proviennent de la contribution de 2 états de la PpIX dont les proportions varient suivant la densité en cellules tumorales. Après avoir présenté le développement du système interventionnel proposant une excitation multi-longueurs d’onde, nous présentons son utilisation sur fantômes de PpIX mimant les propriétés des gliomes. Ceci permet tout d’abord d’obtenir les spectres émis par les 2 états séparément puis de proposer un modèle d’ajustement des spectres comme une combinaison linéaire des 2 spectres de référence sur la bande spectrale 608-637 nm. Ensuite, nous présentons la mise en place de l’étude clinique, notamment l’analyse de risques, avant d’appliquer ce système in vivo. Les mesures in vivo détectent de la fluorescence dans des tissus où le microscope chirurgical n’en détecte pas, ce qui pourrait s’expliquer par un changement d’état de la PpIX entre le cœur des gliomes et leurs infiltrations. L’intérêt de l’excitation multi-longueurs d’onde est démontré par la décroissance de la corrélation des spectres acquis aux trois excitations suivant la densité en cellules tumorale. Enfin, nous soulevons des pistes d’étude de l’identification peropératoire des zones de fonctionnalité cérébrale à l’aide d’une caméra optique ainsi que l’étude du temps de vie de fluorescence et de la fluorescence deux photons de la PpIX sur fantômes / Gliomas are infiltrative tumors of the brain which are yet hardly curable, notably because of the difficulty to precisely delimitate their margins during surgery. Intraoperative 5-ALA induced protoporphyrin IX (PpIX) fluorescence microscopy has shown its relevance to assist neurosurgeons but lacks sensitivity. In this thesis, we perform a spectroscopic clinical trial on 10 patients with the assumption that collected fluorescence is a linear combination of the contribution of two states of PpIX which proportions vary with the density of tumor cells. This work starts with the development of the intraoperative, portable and real time fluorescence spectroscopic device that provides multi-wavelength excitation. Then, we show its use on PpIX phantoms with tissues mimicking properties. This first enables to obtain a reference emitted spectrum for each state apart and then permits the development of a fitting model to adjust any emitted spectrum as a linear combination of the references in the spectral band 608-637 nm. Next, we present the steps led to get approvals for the clinical trial, especially the risk analysis. In vivo data analysis is then presented, showing that we detect fluorescence where current microscopes cannot, which could exhibit a change in PpIX state from glioma center to its margins. Besides, the relevance of multi-wavelength excitation is highlighted as the correlation between the three measured spectra of a same sample decreases with the density of tumor cells. Finally, the complementary need to intraoperatively identify cerebral functional areas is tackled with optical measurements as a perspective and other properties of PpIX on phantoms are also raised

Cette thèse aborde le problème de la compensation des déformations cérébrales survenant au cours des opérations neurochirurgicales. Ces déformations des structures cérébrales dégradent la précision des systèmes de neuronavigation, ce qui limite leur utilisation tout au long de la procédure neurochirurgicale. La compensation de ces déformations est aujourd'hui l'un des enjeux majeurs de la neurochirurgie guidée par l'image. La méthode proposée repose sur le recalage non rigide d'images échographiques intraopératoires de type main libre et d'images préopératoires obtenues par résonance magnétique nucléaire (RMN). Afin de réaliser ce recalage non rigide multimodal, un processus incluant différents traitements est détaillé dans ce manuscrit. Tout d'abord, une nouvelle méthode de reconstruction tridimensionnelle des images échographiques de type main libre est présentée. Puis, un travail portant sur le filtre de débruitage des moyennes non locales est proposé. Ce travail aborde deux aspects: l'amélioration de la qualité du débruitage avec une réduction du temps de calcul d'une part, et l'adaptation de ce filtre aux caractéristiques du chatoiement présent dans les images ultrasonores d'autre part. Finalement, une nouvelle approche du problème de recalage des images ultrasonores et des images obtenues par RMN est décrite. Ces différents traitements sont integrés au sein d'une chaîne entièrement automatique de compensation des déformations cérébrales. Les premiers résultats obtenus sur les images de quatre patients sont présentés à la fin de ce document.