Lập bản đồ vỏ não trong phẫu thuật thức tỉnh có mục đích gì?

Mục đích tối cao của lập bản đồ vỏ não trong phẫu thuật thức tỉnh là xác định chính xác các vùng vỏ não chức năng quan trọng về vận động, cảm giác và ngôn ngữ của từng bệnh nhân. Việc này cho phép bác sĩ phẫu thuật tối đa hóa diện tích cắt bỏ khối u mà không làm tổn thương các mạng noron then chốt, giảm thiểu nguy cơ tàn phế vĩnh viễn.

Sơ đồ người lùn vỏ não (homunculus) của Penfield là gì?

Sơ đồ homunculus do Wilder Penfield và Edwin Boldrey công bố năm 1937 mô tả sự đại diện cơ thể trên vỏ não vận động và cảm giác. Các bộ phận đòi hỏi sự tinh vi và linh hoạt cao như bàn tay, ngón tay, môi và lưỡi chiếm diện tích vỏ não lớn vượt trội so với kích thước vật lý thực tế của chúng trên cơ thể.

Bản đồ vỏ não đa phương thức của Human Connectome Project (HCP) có gì đột phá?

Bản đồ HCP-MMP do Glasser và cộng sự công bố năm 2016 trên tạp chí Nature tích hợp đồng thời cấu trúc vi thể myelin, độ dày vỏ não, chức năng hoạt hóa fMRI và tính kết nối. Bản đồ này phân định 180 phân vùng vỏ não trên mỗi bán cầu, trong đó có 97 phân vùng hoàn toàn mới chưa từng được ghi nhận trong các bản đồ cổ điển.

Sự khác biệt giữa fMRI và kích thích điện trực tiếp (DES) là gì?

fMRI là phương pháp lập bản đồ không xâm lấn dựa trên tín hiệu phụ thuộc mức oxy hóa máu (BOLD), có độ phân giải không gian milimét nhưng phản ánh gián tiếp hoạt tính mạch máu. Ngược lại, kích thích điện trực tiếp (DES) là thủ thuật can thiệp trong mổ, tạo ra sự ức chế chức năng tức thời và được xem là tiêu chuẩn vàng để xác định mối quan hệ nhân quả trực tiếp giữa vùng vỏ não và hành vi chức năng.

Lập bản đồ vỏ não (cortical mapping) là gì?

Lập bản đồ vỏ não là tập hợp các phương pháp khoa học thần kinh và y học lâm sàng nhằm xác định vị trí không gian cùng chức năng sinh lý chuyên biệt của các phân vùng trên bề mặt vỏ bán cầu đại não. Vỏ não người là cấu trúc thần kinh phức tạp nhất, điều khiển toàn bộ các hoạt động vận động, cảm giác, ngôn ngữ, thị giác và tư duy bậc cao. Việc xây dựng bản đồ chi tiết của vỏ não đóng vai trò quyết định trong việc giải mã tổ chức mạng noron thần kinh, phục vụ định vị vùng chức năng quan trọng để bảo tồn tối đa các chức năng thần kinh quan trọng (vận động, cảm giác, ngôn ngữ) của bệnh nhân trong phẫu thuật sọ não và thúc đẩy sự phát triển của các giao diện não - máy tính hiện đại.

Lịch sử phát triển và sơ đồ người lùn vỏ não

Lịch sử lập bản đồ chức năng vỏ não bắt đầu có bước đột phá mang tính thời đại từ nửa đầu thế kỷ hai mươi thông qua các công trình nghiên cứu phẫu thuật thần kinh của Wilder Penfield và Edwin Boldrey tại Viện Thần kinh học Montreal. Trong công trình kinh điển công bố năm 1937, Penfield và Boldrey đã thực hiện kích thích điện trực tiếp trong 163 ca phẫu thuật thần kinh có ý thức dưới hình thức gây tê tại chỗ để lập bản đồ định vị chức năng vận động và cảm giác thân thể của vỏ não người.

Bằng cách kích thích các vị trí vỏ não khác nhau và ghi nhận các cử động cơ hoặc cảm giác tê buồn được bệnh nhân mô tả, nghiên cứu của Penfield và Boldrey thiết lập sơ đồ người lùn vỏ não homunculus biểu thị sự phân bố không đều của các vùng cơ thể trên hồi trước trung tâm và hồi sau trung tâm. Diện tích vỏ não đại diện không tỷ lệ với kích thước vật lý của cơ thể mà tỷ lệ thuận với mức độ tinh vi của chức năng vận động và cảm giác; trong đó bàn tay, các ngón tay, môi, lưỡi và thanh quản chiếm tỷ trọng diện tích vỏ não lớn nhất, phản ánh vai trò sinh tồn tối cao của hoạt động thao tác khéo léo và giao tiếp ngôn ngữ ở người.

Các phương pháp lập bản đồ vỏ não xâm lấn và phẫu thuật thức tỉnh

Trong phẫu thuật thần kinh lâm sàng, đặc biệt là phẫu thuật cắt bỏ các khối u tế bào đệm hoặc ổ gây động kinh nằm sát các vùng vỏ não chức năng quan trọng (eloquent cortex), kích thích điện trực tiếp (Direct Electrical Stimulation, DES) trong phẫu thuật thức tỉnh sọ não được xem là tiêu chuẩn vàng lâm sàng để lập bản đồ vỏ não và đường dẫn truyền dưới vỏ.

Quy trình kỹ thuật và thông số chuẩn mực được giáo sư Hugues Duffau đúc kết và chuẩn hóa qua nhiều thập kỷ can thiệp lâm sàng. Theo Duffau (2005), kỹ thuật kích thích điện trực tiếp DES trong mổ thức tỉnh sử dụng đầu dò hai cực có khoảng cách giữa hai đầu điện cực là 5 mm để phát ra dòng điện cục bộ gây ức chế hoặc kích hoạt tạm thời các mạng noron tại vị trí tiếp xúc. Theo các quy chuẩn phẫu thuật thần kinh do Duffau (2005) đúc kết, thông số kích thích điện trực tiếp vỏ não kinh điển trong mổ thức tỉnh bao gồm xung vuông hai pha tần số 60 Hz với độ rộng xung 1 ms và cường độ dòng điện dao động từ 1,5 mA đến 6 mA.

Khi đầu dò kích thích tiếp xúc với vỏ não, bác sĩ phẫu thuật yêu cầu bệnh nhân đang thức tỉnh thực hiện liên tục các nhiệm vụ chức năng chuyên biệt:

Lập bản đồ vận động: Kích thích hồi trước trung tâm gây ra co giật cơ ngoài ý muốn hoặc làm ngưng trệ cử động tự chủ đang thực hiện của bàn tay, cánh tay hay nét mặt.
Lập bản đồ cảm giác: Kích thích hồi sau trung tâm làm bệnh nhân cảm nhận thấy cảm giác dị cảm, tê rần hoặc cảm giác cử động giả tại các phân vùng cơ thể tương ứng.
Lập bản đồ ngôn ngữ: Bệnh nhân được yêu cầu đếm số liên tục, gọi tên đồ vật trên màn hình hoặc đọc các câu văn mẫu. Khi kích thích trúng vùng Broca, diện vận động bổ sung hoặc bó cung kết nối dưới vỏ, bệnh nhân sẽ xuất hiện triệu chứng ngưng nói hoàn toàn (speech arrest), nói ngọng, gọi sai tên đồ vật (anomia) hoặc rối loạn cú pháp.

Hiệu quả bảo tồn chức năng vượt trội của kỹ thuật này đã được chứng minh qua nghiên cứu quy mô lớn của Sanai và cộng sự (2008) tại Đại học California San Francisco (UCSF). Nghiên cứu của Sanai và cộng sự trên 250 bệnh nhân u tế bào đệm cho thấy kỹ thuật lập bản đồ ngôn ngữ trong mổ giúp hạn chế di chứng ngôn ngữ vĩnh viễn ở mốc 6 tháng xuống mức 1,6 %, khẳng định vai trò sống còn của việc lập bản đồ chức năng cá thể hóa trong từng ca phẫu thuật.

Bên cạnh việc định vị tức thời, lập bản đồ não liên tiếp trong phẫu thuật u thần kinh đệm cho phép đánh giá mức độ mềm dẻo thần kinh và khả năng tái tổ chức vỏ não xung quanh tổn thương thương tổn (Duffau, 2005). Dưới áp lực phát triển chậm của khối u bậc thấp, các mạng noron chức năng có xu hướng tái phân bố sang các vùng vỏ não lân cận hoặc sang bán cầu đối bên, cho phép phẫu thuật viên cắt bỏ an toàn các vùng u mà trước đây từng bị coi là không thể chạm tới.

Các kỹ thuật lập bản đồ vỏ não không xâm lấn

Song song với các can thiệp phẫu thuật, các phương pháp lập bản đồ vỏ não không xâm lấn phát triển nhanh chóng nhờ sự tiến bộ của công nghệ chẩn đoán hình ảnh thần kinh và thăm dò điện sinh lý:

Phương pháp	Bản chất tín hiệu	Độ phân giải không gian	Độ phân giải thời gian	Ưu điểm lâm sàng chính
Cộng hưởng từ chức năng (fMRI)	Mức oxy hóa máu (tín hiệu BOLD)	Thang đo milimét	Thang đo giây	Lập bản đồ kích hoạt toàn bộ thể tích não
Kích thích từ xuyên sọ (TMS)	Xung từ trường khử cực màng tế bào	Thang đo milimét	Thang đo phần nghìn giây	Tạo tổn thương chức năng tạm thời có hồi phục
Từ não đồ (MEG)	Từ trường nội sinh của dòng điện synap	Thang đo milimét	Thang đo phần nghìn giây	Ghi nhận trực tiếp hoạt tính điện sinh lý không trễ mạch máu
Kích thích điện trực tiếp (DES)	Dòng điện hai pha xâm lấn trực tiếp	Thang đo vài milimét	Tức thời	Tiêu chuẩn vàng lâm sàng kiểm tra chức năng trong phẫu thuật

Trong số các kỹ thuật không xâm lấn, cộng hưởng từ chức năng (fMRI) là công cụ được ứng dụng rộng rãi nhất. Cơ sở sinh lý học thần kinh của fMRI được Nikos Logothetis (2008) phân tích sâu sắc trong công trình trên tạp chí Nature. Theo Logothetis (2008), tín hiệu fMRI phụ thuộc mức oxy hóa máu BOLD phản ánh điện thế trường cục bộ LFP phát sinh từ các dòng synap đầu vào và hoạt động xử lý nội tại của mạng noron vỏ não, thay vì chỉ phản ánh các xung điện thế hoạt động đầu ra. Lập bản đồ vỏ não không xâm lấn bằng fMRI cung cấp độ phân giải không gian ở thang đo milimét và độ phân giải thời gian ở thang đo giây.

Về mặt mô hình hóa toán học, quá trình xử lý tín hiệu BOLD fMRI tại mỗi đơn vị thể tích (voxel) được phân tích thông qua Mô hình Tuyến tính Tổng quát (General Linear Model, GLM):

$Y = X\beta + \epsilon$

Trong công thức trên, ký hiệu $Y$ đại diện cho chuỗi tín hiệu BOLD quan sát được theo thời gian tại voxel, $X$ là ma trận thiết kế thực nghiệm mô tả các điều kiện kích thích thần kinh được chập với hàm đáp ứng huyết động học chuẩn, $\beta$ là vector tham số cần ước lượng biểu thị biên độ hoạt hóa của vùng vỏ não đối với từng nhiệm vụ thực nghiệm, và $\epsilon$ là vector phần dư sai số ngẫu nhiên. Nhờ mô hình hóa toán học này, các nhà nghiên cứu có thể trích xuất chính xác các cụm vỏ não hoạt hóa có ý nghĩa thống kê vượt trội.

Bản đồ vỏ não đa phương thức Human Connectome Project (HCP)

Bước nhảy vọt hiện đại nhất trong giải phẫu chức năng vỏ não là sự ra đời của bản đồ vỏ não đa phương thức thuộc dự án Kết nối Não người (Human Connectome Project, HCP) do Matthew Glasser, David Van Essen và các cộng sự công bố trên tạp chí Nature năm 2016.

Khác với các bản đồ giải phẫu tế bào học cổ điển của Korbinian Brodmann vốn chỉ dựa trên một tiêu chí duy nhất từ tử thi, bản đồ đa phương thức HCP-MMP của Glasser và cộng sự (2016) phân chia mỗi bán cầu đại não thành 180 phân vùng vỏ não riêng biệt dựa trên cấu trúc sợi myelin, chức năng, tính kết nối và định vị không gian. Toàn bộ vỏ não của hai bán cầu được phân định thành 360 phân vùng có ranh giới chuyển tiếp sắc nét (Glasser và cộng sự, 2016).

Đặc biệt, bản đồ vỏ não đa phương thức của Glasser và cộng sự (2016) phân định 97 phân vùng vỏ não mới cùng với 83 phân vùng đã được ghi nhận trước đó trên nhóm dữ liệu khám phá từ 210 người trưởng thành khỏe mạnh. Việc tích hợp đồng thời độ dày vỏ não, hàm lượng myelin đo bằng tỷ số tín hiệu cộng hưởng từ T1w trên T2w, dữ liệu hoạt hóa fMRI theo nhiệm vụ và mô hình kết nối chức năng trạng thái nghỉ đã tạo nên bản đồ tham chiếu đa phương thức có độ chi tiết và tin cậy hàng đầu hiện nay.

Thách thức kỹ thuật và triển vọng tương lai

Dù đã đạt được nhiều tiến bộ vượt bậc, lĩnh vực lập bản đồ vỏ não vẫn đối mặt với một số rào cản và giới hạn phương pháp học:

Biến thiên giải phẫu cá thể: Cấu trúc các rãnh và hồi vỏ não giữa các cá thể người có sự dao động rất lớn. Việc phóng chiếu bản đồ chuẩn nhóm lên não bộ của từng cá nhân bệnh nhân luôn tồn tại sai số không gian nhất định, đòi hỏi phải kết hợp các thuật toán nắn chỉnh bề mặt vỏ não tiên tiến dựa trên đặc trưng hình học cục bộ.
Hiện tượng tách rời mạch máu - thần kinh: Trong các tổn thương não nặng nề như u não ác tính hoặc dị dạng động tĩnh mạch, mạch máu tân sinh có thể làm rối loạn đáp ứng huyết động học cục bộ, dẫn đến tín hiệu BOLD fMRI bị âm tính giả hoặc dương tính giả. Trong những tình huống này, kích thích điện trực tiếp trong mổ thức tỉnh vẫn là phương tiện đối chứng quyết định.
Xu hướng chuyển đổi từ định vị phân vùng sang mạng lưới kết nối: Khoa học thần kinh hiện đại đang dần dịch chuyển từ quan điểm cục bộ hóa cứng nhắc (coi mỗi vùng vỏ não đảm nhiệm một chức năng biệt lập) sang quan điểm mạng lưới tích hợp động (connectomics). Các chức năng nhận thức bậc cao đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng giữa nhiều phân vùng vỏ não kết nối qua các bó sợi chất trắng sâu.

Trong tương lai, sự kết hợp giữa lập bản đồ vỏ não đa phương thức, trí tuệ nhân tạo và các vi điện cực ghi điện vỏ não mật độ cao hứa hẹn sẽ mở ra những ứng dụng đột phá trong phục hồi chức năng sau đột quỵ não, điều trị các bệnh lý thoái hóa thần kinh và thiết lập các giao diện thần kinh hai chiều thế hệ mới.