本实验的总体目标是获取轻度创伤性脑损伤大鼠海马体的定量微结构信息。该目标通过采用先进的扩散加权磁共振成像方案,并对参数化扩散图进行基于感兴趣区域的分析来实现。
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本实验的总体目标是获取轻度创伤性脑损伤大鼠海马体的定量微结构信息。该目标通过采用先进的扩散加权磁共振成像方案,并对参数化扩散图进行基于感兴趣区域的分析来实现。
轻度创伤性脑损伤(mTBI)是最常见的获得性脑损伤类型。由于创伤性脑损伤患者的临床表现具有极大的变异性与异质性(如年龄、性别、创伤类型及其他可能的病理状况等),动物模型在揭示临床研究中难以克服的限制性因素方面发挥着关键作用。动物模型可提供标准化且可控的环境,用于研究创伤性脑损伤(TBI)后损伤与修复的生物学机制。然而,并非所有动物模型均能有效模拟mTBI的弥散性和细微性特点。例如,常用的控制性皮层冲击(CCI)和侧向液体冲击损伤(LFPI)模型需通过开颅手术暴露脑组织,从而诱发广泛的局灶性损伤,而这类损伤在mTBI中并不常见。因此,这些实验模型不适合用于模拟mTBI。为此,应采用更合适的模型来研究mTBI。Marmarou大鼠落锤模型可诱导出与经历轻度创伤的患者相似的微结构改变和认知功能障碍,因此本实验方案选择该模型。常规的计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)在轻度损伤后通常无法显示明显损伤,因为mTBI常仅引起细微且弥散性的损伤。而通过弥散加权MRI,可以研究脑组织的微结构特性,从而更深入地了解轻度创伤后的微观变化。因此,本研究的目标是在造成轻度且弥散性脑损伤后,获取特定感兴趣区域(即海马)的定量信息,以追踪疾病进展。
近年来,创伤性脑损伤(TBI)受到越来越多的关注,因为人们逐渐认识到这类脑损伤可能导致终身的认知、身体、情绪和社会功能后果1。尽管公众意识不断提高,轻度创伤性脑损伤(mTBI,即脑震荡)仍经常被漏报和未确诊。mTBI 被称为“隐性流行病”,有 mTBI 病史的个体出现物质滥用或精神健康问题的比例更高2。由于此类损伤具有弥散性和隐匿性的特点,常常在常规的计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)中不可见,导致每年有大量 mTBI 患者未能得到诊断。由于缺乏脑损伤的影像学证据,研究人员已开发出更先进的成像技术,例如弥散 MRI,其对微观结构变化具有更高的敏感性3。
弥散磁共振成像(diffusion MRI)能够实现对组织微结构的活体映射,该磁共振技术已在创伤性脑损伤(TBI)研究中得到广泛应用4,5,6。通过弥散张量可计算出分数各向异性(fractional anisotropy, FA)和平均弥散率(mean diffusivity, MD),用于量化损伤后微结构组织的改变。近期针对轻度创伤性脑损伤(mTBI)患者的综述报道,损伤后FA升高、MD降低,这可能提示轴突肿胀7。相反,也有研究发现MD升高、FA降低,这可能反映了由水肿形成、轴突变性或纤维错位/断裂所导致的实质结构破坏8。这些不一致的研究结果部分可归因于不同类型的冲击方式和损伤严重程度(如旋转加速度、钝性外力创伤、爆炸伤或其组合)所导致的mTBI临床异质性显著。然而,目前对于微结构组织改变背后的病理机制及其生物学/细胞学基础仍缺乏明确共识。
动物模型为研究创伤性脑损伤(TBI)后的生物学损伤与修复机制提供了标准化且可控的环境。目前已开发出多种TBI实验模型,可分别模拟人类TBI的不同方面(例如,局灶性与弥漫性损伤,或由旋转力引起的损伤)9,10。常用的动物模型包括控制性皮层冲击(CCI)模型和侧向液体冲击损伤(LFPI)模型11,12。尽管这些模型的实验参数可以得到良好控制,但其均需通过开颅手术暴露脑组织。然而,轻度TBI(mTBI)患者中通常不出现开颅术或颅骨骨折;因此,这些实验模型不适合用于模拟mTBI。Marmarou等人建立的撞击加速度模型13通过将重物从特定高度下落至大鼠头部(头部佩戴保护头盔)来诱导损伤。该动物模型可引起与轻度创伤患者相似的微结构改变和认知功能障碍。因此,Marmarou下落重物模型适用于研究弥漫性轻度TBI的影像学生物标志物14,15。
本报告展示了在采用Marmarou落锤模型构建的轻度创伤性脑损伤(mTBI)大鼠模型中,应用先进的扩散磁共振成像技术的方法。首先介绍如何诱导轻度且弥漫性的脑损伤,随后提供基于扩散张量成像(DTI)模型的分析方法。通过使用更先进的扩散模型(即扩散峰度成像(DKI)和白质纤维束完整性(WMTI)模型),可以获得更为具体的生物学信息。具体而言,实施轻度创伤后,利用常规T2加权磁共振成像及先进的扩散成像方案,对海马区的微观结构变化进行评估。
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本方案已获得根特大学动物伦理委员会批准(ECD 15/44Aanv),所有实验均按照欧洲委员会指南(Directive 2010/63/EU)进行。
1. 动物准备与头盔固定
2. 创伤性脑损伤(TBI)的诱导
3. 扩散加权磁共振成像(MRI)
注意:在诱导创伤前及创伤后1天进行扩散加权成像。
4. 图像处理
注意:以下部分中,扩散图像的处理是在开源工具箱 MRtrix3、ExploreDTI19 和 Amide20 中进行的。然而,预处理步骤也可在其他工具箱(例如 FSL、MedInria、DTIStudio)中完成。
5. 统计分析
注意:在以下章节中,我们描述了使用 SPSS Statistics 24 对扩散图像进行处理的方法;然而,统计分析也可在其他统计工具箱中进行。
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在本研究中,所有TBI大鼠(n = 10)均在撞击后存活,并在脱离麻醉后15分钟内恢复意识23。CT影像显示无颅骨骨折证据,T2加权图像在创伤后1天未显示挫伤部位有出血、脑室扩大或水肿形成等异常表现(图5)。因此,基于对解剖图像的肉眼观察,未发现明显的局灶性病灶,证实了该损伤具有弥散性和轻度的特征。
通过将T2图像叠加到彩色编码的FA图上,检查T2图像与扩散数据集之间配准(非刚性)步骤(步骤4.4)的质量图6)。随后,计算FA、MD、AD和RD参数图(图1) 并导入 Amide 软件。根据 FA 图,在包含海马结构的区域绘制了感兴趣区(ROI)图4)。扩散指标的统计值通过计算感兴趣区域内所有体素的平均值获得,并将各DTI指标的平均值导出用于进一步分析。另一种对扩散数据的质量控制方法是检查DTI指标中...
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由于轻度创伤性脑损伤(mTBI)通常是由弥散性且细微的损伤所致,其在CT和常规MRI扫描中往往不显示异常,因此对轻度创伤后微结构损伤的评估仍是一项挑战。因此,需要更先进的成像技术来可视化创伤的全部范围。在过去的十年中,扩散磁共振成像在TBI研究中的应用受到越来越多的关注,其中最常用的是扩散张量成像5。DTI模型的一个局限性在于其假设了高斯扩散过程,而这一假设对于脑微结构(由轴突和细胞构成的复杂网络,其膜结构作为扩散屏障)而言并不精确,导致DTI指标对潜在生物学微结构缺乏特异性24。扩散峰度成像(DKI)是DTI模型的扩展,旨在表征非高斯扩散的程度17,这可能提供有关组织异质性或复杂性的额外信息。
然而,DTI和DKI模型的一个缺点是,它们仅是对扩散信号的表征,用于描述水分子概率性位移的分布特征,但并不特异于微观结构。6另一方面,基于峰度张量的白质纤维束完整性模型是一种结合了微观结构成像技术的方...
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作者声明无利益冲突。
作者感谢佛兰德研究基金会(FWO)对本工作的支持(资助编号:G027815N)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>创伤诱导 | |||
| 0.9% NaCl 生理溶液 | B Braun | 394496 | |
| 黄铜砝码 450g | 定制 | 定制 | 直径18 mm,高度210 mm |
| 导管 | Terumo | Versatus-W | 26G |
| ethilon II | Ethicon | EH7824 | FS-3,4-0,3/8,16 mm |
| Matrass | 泡沫定型 | E型 | |
| 有机玻璃管 | ISPA 塑料 | 416564 | M1 PMMA XT GOO 管 25×19 mm(内径 19 mm,最小长度 1.50 m) |
| 临床前CT扫描仪 | Molecubes | X-cube | |
| 钢盔 | 定制 | 定制 | 直径10 mm,厚度3 mm |
| Vetbond 组织粘合剂 | 3M | 1469SB | |
| Vetergesic(布托啡诺) | EcuPhar | VETERG20 | 0.05 mk/kg |
| 2% 利多卡因凝胶 | 阿斯利康 | 2% 利多卡因 | 凝胶 |
| 利多卡因(Xylocaine,2%) | Aspen/AstraZeneca | 2% 利多卡因凝胶 | 100 μ注射 |
| <强>扩散 MRI | |||
| 临床前 MRI 采集软件 | Bruker Biospin MRI GmbH | Z400_PV51_CENTOS55 | ParaVision 5.1 MRI 软件 |
| 临床前 MRI 扫描仪 | Bruker Biospin MRI GmbH | PharmaScan 70/16 | 7T MRI 扫描仪 |
| 四极体积线圈 | Bruker Biospin MRI GmbH | RF RES 300 1H 075/040 QSN TR | 型号:1P T13161C3 |
| 小型动物生理监测仪 | 快速生物医学 | EKGHR02-0571-043C01 | 呼吸监测单元 |
| 水浴加热装置 | 赛默飞世尔科技 | Haake S 5P | 型号:1523051 |
| <强>麻醉 | |||
| 麻醉移动装置 | 兽医技术 | BDO - Medipass,伊江登 | |
| 异氟烷:Isoflo | 硕腾 | B506 | |
| 氧气发生器 | 兽医技术 | 7F-3 | BDO - Medipass,伊江登 |
| <强>扩散成像处理 | |||
| 酰胺 | http://amide.sourceforge.net | 版本 1.0.5 | 医学影像数据检查员工具箱(Loening AM,Gambhir SS, " AMIDE:一种用于多模态医学图像分析的免费软件工具",分子影像学,2(3):131-137,2003) |
| ExploreDTI | http://www.exploredti.com | 版本 4.8.6 | 用于扩散加权磁共振图像(预)处理与分析的工具箱(Leemans A, Jeurissen B, Sijbers J, Jones DK. ExploreDTI:一种用于处理、分析和可视化扩散磁共振数据的图形化工具箱。载于:国际磁共振医学学会第17届年会,摘要号3537,美国夏威夷,2009年) |
| MRtrix3 | http://www.mrtrix.org | 版本 3.0_RC3-86-g4b523b41 | 弥散加权磁共振图像预处理与分析工具箱 |
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