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

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.

Key words

deep brain stimulation - DWI - internal capsule - magnetic resonance imaging - pyramidal tract - stereotactic neurosurgery

Schlüsselwörter

Capsula interna - DWI - Magnetresonanztomographie - Pyramidenbahn - Stereotaxie - tiefe Hirnstimulation

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