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Brain Map
Anatomie der Zielpunktgebiete
Die von Frau Dr. A. Morel entwickelten Hirnkarten (sogennanter multiarchitektonischer stereotaktischer und dreidimensionaler Atlas des menschlichen Thalamus und der Basalkerne) ermöglicht die höchstpräzise Lokalisierung von ausgewählten millimetergrossen Zielbereichen im Gehirn.
Brain Rhythm
Physiologie der Hirnhemisphären
Es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass die Hirnhemisphären als oszillierende koherente Generatoren funktionieren. Die wichtigsten Partner sind die Rindengebiete und der Thalamus, ein Kern oder Zellgruppe in der Mitte der Hirnhemisphäre. Es bestehen zahlreiche (im Milliarden-Bereich) schleifenartige Verbindungen vom Thalamus zur Rinde und zurück und zwischen den Rindengebieten. Diese Organisation kann verglichen werden mit derjenigen eines Orchesters: mit dem Thalamus in der Mitte als Dirigent und den Rindengebieten rundum als Spieler. Die verschiedenen (sensorischen, motorischen und mentalen oder kognitiv/emotionellen) Sektoren dieses Orchesters besitzen eine doppelte Organisation, mit eng organisierten ausführenden und diffus organisierten modulierenden Komponenten. Dieses System, oder Netzwerk, besitzt somit die neuronalen anatomo-physiologischen Elemente, um als koherenter Oszillator zu funktionieren. Es könnte dazu aber auch komplex non-lineare, chaotische oder sogar quantum-physische Eigenschaften besitzen.
Die neurophysiologische Forschung der letzten 20 Jahren, sehr bedeutsam durch die Arbeiten von Prof. Llinas geprägt und inspiriert, brachte signifikante Hinweise, dass jede Hirnfunktion dank der Einstellung einer adäquaten Hirnrhythmizität zustande kommt. Dieser Rhythmus hat als anatomische Basis die neuronale Schleife, die entsprechende Bereiche des Thalamus und der Rinde gegenseitig verbindet, die sogenannte thalamo-kortikale Schleife. Zwischen Thalamus und Rinde besteht die Möglichkeit, verschiedene Rhythmusfrequenzen einzusetzen: 1) hohe Frequenzen zwischen 13 und 100 Hz, und 2) niedrige Frequenzen zwischen 1 und 13 Hz, die während dem Schlaf dominieren. Sensomotorische und mentale (kognitive und emotionelle) Funktionen im Wachsein benützen beide – niedrige und hohe – Frequenzen.
Brain Storm
Die thalamokortikale Dysrhythmie als Krankheitsmechanismus
Die thalamokortikale Dysrhythmie (TCD) ist der physiopathologische Mechanismus der Hirnfunktionsstörungen. Sie wurde in enger Zusammenarbeit zwischen unserem Team und demjenigen von Prof. Llinas erarbeitet. Es handelt sich um einen überschuss der rhythmischen, langsamen (1-13 Hz) und schnelleren (13-100 Hz) Aktivitäten im Gehirn zwischen Thalamus und Rinde, der in den letzten Jahren dank Einzelzellableitungen im Thalamus während Interventionen untersucht werden konnte, und heutzutage dank der non-invasiven quantitativen Elektroenzephalographie (EEG) und Magnetoenzephalographie (MEG) abgeleitet werden kann. Wir verwenden ein 64-Kanäle EEG-Aufnahmesystem mit Algorithmen für spektrale Frequenzanalyse und Quellenlokalisation.
Die TCD ist der gemeinsame Grundmechanismus für die unterschiedlichsten klinischen Manifestationen wie neurogene Schmerzen und Tinnitus, abnormale Bewegungen, neuropsychiatrische Störungen und Epilepsie. Wie im Bild des Orchesters, der Dirigent (Thalamus) ist der Ursprung einer Grunddistortion, die das Orchester in einem gegebenen Sektor zum überspielen führt. Dieser Mechanismus ist der gleiche für alle Krankheiten. Die unterschiedlichen klinischen Manifestationen korrelieren mit der Einschaltung des pathologischen Prozesses in entsprechenden thalamokortikalen Schleifen, die entweder Motorik, Sensorik oder kognitive Funktionen unterhalten. Zum Beispiel werden neurogene Schmerzen durch eine überaktivität im Schmerzsektor verursacht, Tremor durch die gleiche überaktivität, aber im motorischen Sektor.
Erhaltene Daten erlauben uns, diesen gemeinsamen pathologischen Prozess als Kettenreaktion wie folgt zu schildern:
1) Eine kausale Anomalie (z.B. Amputation) verursacht eine Desaktivierung von schmerzintegrierenden thalamischen Zellen mit resultierender Vermehrung der Produktion von niedrigen Frequenzen. Bei Parkinson-Patienten werden thalamische Zellen überhemmt, was für sie genau gleich ist, wie wenn sie desaktiviert werden (Zellmembranüberpolarisierung).
2) Die enge gegenseitige Kupplung zwischen Thalamus und Rinde bringt entsprechende Rindengebiete vermehrt zu verlangsamten Rhythmen.
3) Eine Ausdehnung dieser Tendenz in der Hirnhemisphäre wird durch den Mechanismus der Koherenz begünstigt. Dies korreliert mit dem Auftreten von negativen Symptomen wie Akinese (Bewegungsmangel), kognitiven Defiziten, reduzierter Körperwahrnehmung oder reduziertem Hören.
4) Die Vermehrung von langsamen Rhythmen verursacht eine Vermehrung von hohen Frequenzen, die Grund für das Auftreten von positiven Symptomen wie Tremor, Schmerzen, Ohrgeräusch, epileptischer Anfall oder Halluzinationen sind.
Brain Tune
Regulierende sparende interventionelle Strategie
Wenn die TCD chronisch und therapieresistent geworden und die klinische Diagnose klar ist, darf eine chirurgische Indikation in Betracht gezogen werden. Wir haben über die letzten 20 Jahre eine regulierende und schonende, minim bis non-invasive interventionelle Strategie entwickelt. Diese chirurgische Strategie basiert vollumfänglich auf dem hier beschriebenen Mechanismus (s. Brain Storm) und betont die Notwendigkeit, die überaktivitäten des Gehirns zu reduzieren, ohne die noch bestehenden thalamokortikalen Funktionen reduzieren zu müssen. Im Einklang mit diesen Kriterien konnten wir Reaktualisierungen und Verfeinerungen von bereits vorgeschlagenen Zielpunkten realisieren sowie auch neue Zielpunkte entwickeln und anwenden. Diese können unter dem Titel selektive regulierende Mini-Ablationen (SRMA) zusammengefasst werden. Sie zielen auf dysregulierte, aber auch auf für ihre normalen Funktionen ausgeschaltete, millimetergrosse Regulationsgebiete in und um den Thalamus hin. Solch eine Ablation, die alle erhaltenen thalamokortikalen ausführenden Gebiete sowie alle funktionellen modulierenden Komponenten schont, bringt eine Symptomentlastung ohne Ausfälle damit produzieren zu müssen: es reduziert die thalamokortikale Dysrhythmie aber nicht die Funktionen des thalamokortikalen Systems. Diese therapeutische Wirkung findet dank zwei Mechanismen statt: 1) durch eine Reduktion des überschusses von langsamen Frequenzen, oder 2) durch eine Reduktion der übermässigen Hemmung des Thalamus.
Bis heute konnten schon zahlreiche Erfahrungen bei der Intervention in mehr als 1’000 Zielpunkten gesammelt werden, die bestätigen, dass in der Tat diese interventionelle Strategie wirksam aber auch schonend für alle sensorischen, motorischen und mentalen Hirnfunktionen ist.
Brain Peace
Die psychoemotionale Dimension
Das Konzept der „thalamokortikalen Dysrhythmie“ erlaubt, eine unmittelbare und hoch relevante Integration der ideoaffektiven (oder psychoemotionalen) Dimension im Patienten-Betreuungsprozess einzuführen. Die Förderung der Besserungs- und Selbstheilungsmechanismen hängt direkt von dieser Möglichkeit ab.
Es gibt klare Hinweise darauf, dass im Gehirn zwei Quellen für eine thalamokortikale Dysrhythmie bestehen: erstens der pathologische Prozess und zweitens intensive uns andauernde mentale Aktivitäten (Ideen und damit verbundene Gefühle). Diese werden durch die Präsenz der chronischen Krankheit und des damit verbundenen Leidens, aber auch durch persönliche, biographische Faktoren und Charakterzüge verursacht. Unsere Erfahrung zeigt eindeutig, dass die chirurgische Behandlung eine Kontrolle der krankheitsbedingten und der emotionsbedingten abnormalen Rhythmen erlaubt, und dadurch zusätzlich eine dank erhaltener Symptombefreiung mentale Besserung mitbringen kann. Diese kann sich aber nicht verwirklichen, wenn eine mentale Dynamik kontraproduktiv wirkt, zum Leidensbild beiträgt, und (noch) nicht psychotherapeutisch gelöst worden ist. Höchstwahrscheinliche Erklärungen dafür sind 1) die sehr breite und beidseitige Verteilung des thalamokortikalen paralimbisch/assoziativen Netzwerkes, das für mentale Funktionen verantwortlich ist und das hier als „emotionelles Gehirn“ genannt wird, und 2) seine ausgedehnten Verbindungen mit den anderen, sensorischen und motorischen, Sektoren. Diese Eigenschaft bietet dem emotionellen Gehirn eine grosse, potenziell dominante Kraft. Mit anderen Worten: der Geist des Patienten ist stärker als die Intervention und die Fähigkeiten des Arztes, was absolut wesentlich ist und die Notwendigkeit eines integrierten therapeutischen Einsatzes mit Kopplung der somatischen, oder körperlichen (Chirurgie) und psychologischen (Psychotherapie) Komponenten betont. Hier wird dazu die oft in unserem materialistischen und linearen medizinischen kulturellen Kontext unterschätzte Beobachtung, dass ein Mensch unter starken neurologischen Symptomen leiden kann, die von somatischer aber auch mentaler Quelle verursacht werden. Dies betont zweifellos die Notwendigkeit einer Integration der beiden therapeutischen Dimensionen.
Zu erwähnen ist noch, dass erhöhte mentale (kognitive/emotionelle) Aktivitäten in unserem Gehirn nicht nur zur thalamokortikalen Dysrhythmie sondern auch zu Zellverlusten im emotionellen Gehirn durch verschiedene Mechanismen führen kann, was neulich bei Tieren gezeigt worden ist. Diese Kraft der Emotionen wurde seit Jahren in verschiedenen ethnologischen Studien eindrücklicherweise bewiesen, wobei ein Glaube zu körperlichen Schäden und sogar zum Tod führen kann. So müssen wir annehmen, dass wir eine grosse Verantwortung gegenüber unserem Gehirn haben. Durch unsere Ideen, Vorstellungen und Glauben und die damit verbundenen Gefühle können wir einerseits Schäden, andererseits aber auch das Wohlsein dieses Organes selber verursachen, d.h. auch steuern. Diese Verantwortung geht somit Hand in Hand mit der grossartigen Chance, unsere oft unbenützten Selbstheilungsmechanismen zu aktivieren.
Psychoemotionale Betrachtungen und Ratschläge
Nach der Intervention sind die krankhaften Mechanismen verbessert oder beseitigt. Eine Zunahme emotioneller Phänomene wie z.B. Angst, Trauer, Verzweiflung oder Frustration, im Sinne einer emotionellen Destabilisierung, ist aber möglich. Diese können Einschränkungen der Besserungen und verschiedene Symptome (sogenannte „psychogene“ Symptome) verursachen, die durch eine detaillierte klinische und psychologische Analyse sowie eine EEG Untersuchung erkannt werden können. Dass diese negativen Gefühle postoperativ zunehmen können scheint widersprüchlich zu sein, kann aber sehr gut durch die Anerkennung der folgenden Dynamiken nachvollzogen werden:
- Die Erwartung auf eine Besserung steigert die innere Spannung, besonders wenn man sich die Symptomerleichterung lang und stark gewünscht hat und wenn man sich die Rückkehr von neuer Leistungsfähigkeit stark wünscht,
- die Angst eines Rückfalls stellt sich ein und nimmt während den ersten postoperativen Tagen, nach der Freude über die erhaltene Besserung, stark zu,
- die Befreiung von den Symptomen befreit den Geist, der sich nun vermehrt über ungelöste biographische Themen beschäftigen und erregen kann,
- die neue Situation überflutet den Patienten mit Angst wegen Referenzverlust, d.h. sie wird als mangelhaft und bedrohlich erlebt,
- die Unzufriedenheit über die wegen der Krankheit verlorene Zeit oder über die noch heute wegen der Krankheit bestehenden Einschränkungen.
Nach Jahren einer chronischen Krankheit braucht es oft längere Zeit (Monate bis manchmal Jahre), bis wieder eine emotionelle Stabilität erreicht wird.
Eine Intervention entspricht einer äusseren Hilfeleistung, wobei die Patientin/der Patient nichts selber leisten muss (ausser dass sie/er ihr/sein Vertrauen dem Arzt und dem Team entgegenbringt). Sobald die interventionelle Arbeit fertig ist sollte optimalerweise rasch eine Umstellung geschehen, bei der die Förderung und Mobilisierung der Selbstheilungskräfte eine zentrale Rolle spielt, einer selbstgegebenen, d.h. inneren Hilfe entsprechend. Ein chronisches Leiden bringt regelmässig Selbstentwertung und Mangel an Selbstvertrauen mit sich, welche die Wurzeln der Depression sind und als wichtige Themen für eine selbstgegebene oder professionelle psychotherapeutische Unterstützung zu betrachten sind. Reduktion von Angst und Wut, Verarbeitung von alten Lebenstrauma, Integrierung der neuen Situation und Modulierung der Zukunftswünsche sind ebenfalls oft relevante Themen. Das Ziel der unterstützenden Psychotherapie ist, verschiedene mentale Eigenschaften zu fördern, die dazu beitragen, eine emotionelle Restabilisierung raschmöglichst zu erreichen. Unserer Erfahrung nach, sind folgende Punkte von besonderer Relevanz:
- die Beobachtungskapazität, insbesondere von eigenen Vorstellungen und Emotionen,
- die Akzeptanz der Vergangenheit, der persönlichen Situation und der Vergänglichkeit des Lebens (Loslassen),
- die Übernahme von Eigenverantwortung für die zukünftige Entwicklung, ohne Schuld- oder Insuffizienzgefühle
- Zuversicht, Geduld, Vertrauen in sich selber, sowie auch Ur- und Grundvertrauen,
- mentale Beweglichkeit, Anpassungsfähigkeit, Loslassen der starren Vorstellungen,
- Konzentration des Geistes auf das Hier und Jetzt, weg von Vergangenheitsdramen und Zukunftsperspektiven,
- Betrachtung des Selbst als Vielfaches mit Stärken und Schwächen, positiven und negativen Emotionen (Angst und Frustration, aber auch Zuversicht und Mut),
- und die Förderung des „goldenen Mittelweges“, d.h. weg von Schwarz/Weiss- oder Katastrophe/Paradies-Verzerrungen.
Hochtechnologische Leistungen sind bestens vereinbar mit psychologischen und ganzheitlichen Elementen. Wichtige Voraussetzungen für eine wirksame therapeutische Behandlung von Seiten des Teams sind eine einigermassen vorhandene Integrierung unserer eigenen Emotionen zusammen mit Einfühlungsvermögen gegenüber den PatientInnen und Vertrauen in ihre/seine eigenen Selbstheilungsmöglichkeiten. Im Laufe der letzten Jahre haben wir mit einem solchen ganzheitlichen Programm sehr positive Erfahrungen gemacht. Es wurden eindrückliche Beispiele mit relativ rascher Symptomkontrolle nach einigen Monaten postoperativer Psychotherapie beobachtet, was den Patienten (und dem Team!) ein grosses Erfolgsgefühl dank wiedergewonnener oder sogar verbesserter Lebensqualität, Lebensfreude und Lebenssinn bringt. Diese Erfahrungen sowie auch die Entdeckung eines gemeinsamen Faktors für Krankheitsprozess und mentale Phänomene, nämlich die Hirnrhythmizität, haben uns zur natürlichen Schlussfolgerung geführt, dass unsere ganzheitliche Betreuung nicht einem Vorurteil oder einer Modeströmung entspricht.
Brain Sound
Operieren mit Ultraschall ohne Inzision
Die Firma InSightec Ltd (Haifa, Israel) hat über die letzten 10 Jahre wesentlich zur therapeutischen Anwendung von Ultraschall beigetragen, und diesbezüglich einen grossen Vorsprung geleistet.
Das Weltpremiere-Projekt „hochenergetische transkranielle MR-gesteuerte fokussierte Ultraschalltherapie in der Funktionellen Neurochirurgie“, in enger Zusammenarbeit mit InSightec Ltd, wurde durch den Schweizerischen Nationalfonds (NCCR CO-ME), die Universität Zürich, die ETH und das Kinderspital Zürich vollumfänglich unterstützt. Es wurde durch Prof. Jeanmonod in Zusammenarbeit mit dem MR-Zentrum des Kinderspitals Zürich (Prof. E. Martin) geleitet, begann im September 2008 und endete im Juni 2009. Es bewies die Machbarkeit, Reproduzierbarkeit, Sicherheit, Genauigkeit und Wirksamkeit der Ultraschall-Technik. Die zweite, bis anhin umfangreichste Studie (Januar 2013) wurde im Zentrum für Funktionnelle Ultraschall Neurochirurgie in Solothurn zwischen April 2011 und Dezember 2012 durchgeführt. Sie bewies die 0.5 mm Zielpunktgenauigkeit des ExAblate Neuro Ultraschallsystems. Patienten mit neurogenen Schmerzen, Parkinson’scher Krankheit und essentiellem Tremor wurden ohne Komplikationen behandelt.
Die fokussierte Ultraschalltherapie (FUS) erlaubt, die gewünschten Zielpunktgebiete in und um den Thalamus auszuschalten, ohne Haut und Schädel öffnen zu müssen. Somit fallen alle mit der Hirnpenetration verbundenen Risiken weg. Fokussiert bedeutet, dass sich 1024 Ultraschallwellen, jede alleine unschädlich für das Hirngewebe, im Zielpunkt treffen. Dort und nur dort wird die sonische Energie in thermische Energie in einem millimetergrossen Bereich mit scharfen Grenzen umgewandelt. Die gewünschten Temperaturen betragen zwischen 53 und 60 Grad Celsius und die erzielte Temperatur im Zielpunkt wird alle 3-4 Sekunden dank MR-Thermometrie gemessen, was eine sehr wichtige, kontinuierliche Kontrolle der durchgeführten Arbeit im Zielpunkt erlaubt. Somit kann keine ungewünschte thermische Erhöhung unbeachtet auftreten. Diese Eigenschaften stellen für die Patienten einen rasanten Fortschritt im Sinne von Genauigkeit und Sicherheit dar. Daten haben gezeigt, dass bei Temperaturen unterhalb 60 Grad Celsius wenig Effekte auf kleine Gefässe zu erwarten sind, mit daraus resultierender optimisierter Reduktion des Blutungsrisikos im Zielpunkt.
Die Intervention wird ohne Narkose durchgeführt und beinhaltet 1) die Fixierung eines Ringes um den Kopf des Patienten unter lokaler Anästhesie und die Installation in der MR-Maschine, 2) die Durchführung von MR-Sequenzen zwecks Kalibrierung und Zielpunktbestimmung und 3) die therapeutische Applikation der Ultraschall-Energie in engem Kontakt mit, und unter ständiger Kontrolle durch den Neurochirurgen.
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Glossary
Central Lateral Nucleus (CL)
Medial thalamic nucleus, part of the intralaminar nuclei. It is composed of an elongated, relatively thin portion separating the mediodorsal nucleus (MD) from the ventral tier nuclei, and of an enlarged, mediolaterally oriented posterior portion separating MD from the medial pulvinar. It has diffuse projections to large areas of the neo- and mesocortex and to the striatum.
Electro- Encephalogram (EEG)
Synchronized extracellular currents in a few square cm of cortex generate electrical potentials measurable with electrodes on the scalp. The signal is low-pass filtered to 50 Hz.
Local Field Potential (LFP)
Synchronized extracellular currents of a few hundred cells generate a LFP which reflects the average input to individual neurons. The LFP can be recorded with a microelectrode with impedance up to 0.5 MOhm. The signal is analysed for frequencies up to 100 Hz.
Low-Threshold Calcium Spike (LTS) Bursts
Bursting discharges produced by thalamic and reticular cells, when their membranes are hyperpolarized by either disfacilitation or overinhibition. They are due to the deinactivation of calcium T-channels causing the appearance of a large calcium spike, itself inducing a burst of sodium action potentials.
Magneto- Encephalogram (MEG)
Synchronized extracellular currents in a few square cm of cortex generate magnetic fields measurable with sensors on the surface of the scalp. MEG offers the advantage over EEG that large numbers of sensors are swiftly mounted around the head.
Medial Thalamotomies
Stereotactic operations performed since the beginning of the fifties against chronic pain. They have been used against both chronic nociceptive and neurogenic pain syndromes, and several different targets within the medial tier of the thalamus have been explored, for example the centre médian-parafascicular complex, central lateral nucleus, posterior complex and medial pulvinar. The results of these operations have been characterized by pain relief without production of somatosensory deficits and without risk for postoperative pain increase. The medial thalamotomy presented in this essay is a central lateral thalamotomy, targeting the posterior part of the central lateral nucleus, where units discharging low-threshold calcium spike bursts were concentrated.
Neurogenic pain
A pain syndrome arising after damage to the somatosensory pathways, from peripheral nerves and dorsal roots (peripheral neurogenic pain) to the spinal cord, brainstem, thalamus and cortex as well as the fibers inbetween (central neurogenic pain). The denominations deafferentation pain, dysesthetic pain, neuropathic pain (for peripheral type) and central pain are also used. Neurogenic pain is characterized by the following clinical descriptors: 1) pain localization in and around the deafferented body part, 2) pain qualities (pins and needles, electrical discharges, burning, tearing and compressive), and 3) timing of the pain: continuous, intermittent in attacks (lasting a fraction to a few seconds) or in episodes lasting more than a minute. The history and the neurological examination often reveal the evidence and signs of somatosensory damage (hypoesthesia and hypoalgesia). The examination may however be normal in some patients if the deficits have been compensated along time. Neurogenic pain responds specifically to antiepileptics and antidepressants, and represents the most frequent indication for pain surgery in case of chronicity and resistance to non-invasive therapies.
Single Unit Activity (SUA)
A microelectrode in the extracellular space records action potentials which constitute the output signal of neurons. The active zone of a tungsten microelectrode has a length of a few microns tapered to a tip of < 1 micron, giving an impedance around 0.5 MOhm. The signal is filtered from 300 Hz to 3000 Hz. On the basis of their size and shape, the action potentials are assigned to individual putative neurons.
Thalamocortical Dysrhythmia (TCD)
Pathophysiological chain reaction at the origin of neurogenic pain. It consists of 1) a reduction of excitatory inputs onto thalamic cells, which results in cell membrane hyperpolarization, 2) the production of low-threshold calcium spike bursts by deinactivation of calcium T-channels, discharging at low (theta) frequency, 3) a progressive increase of the number of thalamocortical modules discharging at theta frequency, and 4) a cortical high frequency activation through asymmetric corticocortical inhibition. These events have been documented by thalamic and cortical recordings in patients suffering from peripheral and central neurogenic pain.
Thalamocortical Module
Anatomofunctional entity comprising thalamic cells and their cortical partners, interconnected by thalamocortical and corticothalamic projections and sustaining perceptual, motor and cognitive hemispheric functions. The thalamocortical loop is accompanied by a shorter thalamoreticulothalamic loop. Every module may be subdivided in a specific, or content subpart, providing the substrate for the integration of a given function, and a non-specific, or context subpart, dealing with the interactions between functional domains.
Theta Rhythm
Frequency domain of oscillatory hemispheric activity between 4 and 8 Hz. It has been associated with different functional brain states, e.g. somnolence, cognitive activations, altered states of consciousness like meditation, and, relevant here, dysfunctional brain states like neurogenic pain and tinnitus, abnormal movements, epilepsy and neuropsychiatric disorders (see thalamocortical dysrhythmia).
Ventral Posterior (VP) Complex
Group of nuclei in the ventral tier of the thalamus, receiving the different somatosensory afferents from the whole body. The complex is organized in a topological way, the head being placed medially (ventral posterior medial nucleus) and the foot laterally close to the internal capsule (ventral posterior lateral nucleus). Nociceptive cells have been found in the different parts of the complex, but more specifically in the ventral posterior inferior nucleus, where a pain homunculus was described. The complex projects mainly to cortical areas SI, SII and the insula.