Diffusions-Tensor-Bildgebung bei traumatischen Hirnverletzungen

Diffusions-Tensor-Bildgebung? DTI ist eine Technik innerhalb der Magnetresonanz, die auf der Diffusion von Wassermolekülen beruht, um die Integrität der Netzwerke der weißen Substanz - der Axonbündel, die die kortikale und subkortikale graue Substanz verbinden - im Gehirn zu untersuchen.

Diese miteinander verbundenen Strukturen können beschädigt werden, wenn eine äußere Kraft, wie z. B. ein Fußball, während eines Spiels mit dem Kopf in Berührung kommt. Solche sich wiederholenden Wechselwirkungen können zu schwereren Verletzungen führen, die als Schädel-Hirn-Trauma, kurz TBI, bezeichnet werden.

Im Laufe der Zeit ist die Schädigung der weißen Substanz des Gehirns oft mit Defiziten in der Kognition verbunden, insbesondere im Aufmerksamkeitsbereich. Zum Beispiel kann ein Spieler mit SHT durch einen Fan auf der Tribüne stärker abgelenkt werden und langsamer auf die gegnerische Mannschaft reagieren.

Basierend auf früheren Arbeiten von Kraus und Kollegen zeigt dieses Video, wie die Integrität der weißen Substanz anhand von DTI bei Patienten mit SHT im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen gemessen werden kann.

Wir werden auch die kognitive Funktion anhand einer selektiven Aufmerksamkeitsaufgabe untersuchen, erklären, wie die Bildgebungsdaten analysiert werden und den Zusammenhang zwischen Diffusionswerten in definierten Interessenbereichen und Aufmerksamkeitskontrolle interpretieren.

In diesem Experiment wurden zwei Gruppen von Teilnehmern – Patienten, bei denen ein mittelschweres bis schweres SHT diagnostiziert wurde, und gesunde Kontrollpersonen – mit einem DTI-Protokoll gescannt und dann auf eine Aufmerksamkeitsaufgabe getestet.

Lassen Sie uns zunächst einige Prinzipien hinter DTI diskutieren: Die Technik reagiert empfindlich auf die Diffusion von Wassermolekülen, die sich immer bewegen, meist parallel zu der großen Menge an axonalen Bündeln. Diese Art der Bewegung wird als anisotrope Diffusion bezeichnet.

Zusammen mit dem Weg der Wasserströmung kann die Menge der Diffusion gemessen werden, um den Tensor zu berechnen, der im Wesentlichen als Ellipsoid mit einer Richtung dargestellt ist. Dieser Wert wird auf der Grundlage der relativen Länge zu seiner Breite mit einer Methode namens fraktionale Anisotropie, abgekürzt FA, quantifiziert.

Genauer gesagt können FA-Werte von 0 bis 1 reichen, was die größte Anisotropie widerspiegelt.

Die Präzision wird über alle Voxel hinweg maximiert, indem während eines MRT-Scans Diffusionsbilder in viele verschiedene Richtungen aufgenommen werden, die Verschiebungen im angelegten Magnetfeld entsprechen. Diese erhöhte Auflösung geht auf Kosten der Zeit.

Vor diesem Hintergrund besteht eine kritische abhängige Variable aus den FA-Werten für drei interessierende Regionen oder ROIs: die vordere Korona radiata, das Splenium des Corpus callosum und den Fasciculus longitudinalis superior.

Im Vergleich zu normalen Kontrollen wird erwartet, dass die FA-Werte bei Personen mit SHT reduziert sind, da erwartet wird, dass ihre weiße Substanz auf nicht lokalisierte Weise beeinträchtigt wird, was zu einer geringeren Anisotropie über alle ROIs hinweg führt.

Eine Region, die anteriore Corona radiata, ist jedoch mit Verbindungen zum anterioren cingulären Kortex verbunden, der eine wichtige Rolle bei der Aufmerksamkeitskontrolle spielt.

Um diese funktionale Beziehung zwischen Integrität und Verhalten der weißen Substanz weiter zu erforschen, werden alle Teilnehmer mit der von Fan und Kollegen entwickelten Aufmerksamkeitsnetzwerk-Aufgabe getestet.

In diesem Paradigma werden die Teilnehmer gebeten, ihre Aufmerksamkeit zunächst auf ein Fixationskreuz zu richten, das für eine variable Dauer zwischen 400 und 1600 ms erscheint, gefolgt von zwei verschiedenen Arten von Pfeilen: einem zentralen und zwei flankierenden Gruppen, die in der Richtung, in die sie zeigen, variieren können.

In der Hälfte der Versuche zeigen alle Pfeile in die gleiche Richtung; Diese gelten als kongruent. Für die andere Hälfte zeigt der mittlere Pfeil in die entgegengesetzte Richtung der flankierenden, und diese Fälle werden als inkongruent bezeichnet. Die Teilnehmer werden gebeten, die Pfeile zu kategorisieren, indem sie so schnell wie möglich die zugehörigen Tastendrücke vornehmen, wenn jedes neue Set erscheint.

Hier wird die Differenz der Reaktionszeiten zwischen den Versuchstypen als eine weitere abhängige Variable berechnet. Bei Personen, die stärker von den flankierenden Pfeilen abgelenkt werden, wird erwartet, dass sie einen größeren Differenzwert haben, was auf eine schlechte Aufmerksamkeitskontrolle hinweist.

Es wird daher vorhergesagt, dass dieses Maß negativ mit den FA-Werten korreliert, insbesondere in dem Bereich, der mit der Aufmerksamkeitsfähigkeit zusammenhängt - den vorderen Corona radiata - und nicht in den anderen, was die funktionelle Bedeutung bestimmter Bahnen der weißen Substanz zeigt.

Rekrutieren Sie vor dem Experiment 20 erwachsene Patienten, bei denen innerhalb der letzten 6 Monate ein mittelschweres bis schweres SHT diagnostiziert wurde, sowie altersgleiche Kontrollen, die keine neurologischen oder psychologischen Störungen in der Vorgeschichte hatten.

Testen Sie für diese Demonstration einen Patienten, bei dem dokumentiert ist, dass er seit mehr als 30 Minuten das Bewusstsein verliert oder einen Wert von < 13 on the Glasgow Coma Scale.

Am Tag des Scans aufweist, begrüßen Sie ihn und stellen Sie sicher, dass er nicht an Klaustrophobie leidet oder Metall in seinem Körper hat. Lassen Sie sie auch die erforderlichen Einverständniserklärungen ausfüllen, in denen die Risiken und Vorteile der Studie aufgeführt sind.

Bereiten Sie den Patienten nach Einholung der Einwilligung auf den Eintritt in den Scanraum vor. Ausführlichere Informationen zu den Verfahren vor dem Scan finden Sie in einem anderen MRT-Projekt in dieser Sammlung.

Wenn sich der Patient nun in der Scannerbohrung befindet, entnehmen Sie zunächst einen hochauflösenden anatomischen Scan. Initiieren Sie dann eine für DTI optimierte Pulssequenz, indem Sie ein B0-Bild aufnehmen, das nicht empfindlich auf die Diffusionsrichtung reagiert, sowie mehrere diffusionsgewichtete Bilder in 64 verschiedene Richtungen.

Wenn die Sequenz abgeschlossen ist, eskortieren Sie den Patienten aus dem Scanner in einen Experimentierraum mit einem Computer, um die nächste Phase, eine Aufmerksamkeitsnetzwerkaufgabe, durchzuführen.

Erklären Sie die Aufgabenanweisungen: Sie sehen eine Reihe von fünf Pfeilen auf dem Bildschirm und sollten sich nur auf den mittleren Pfeil konzentrieren. Um eine schnelle und genaue Reaktion zu gewährleisten, lassen Sie sie ihre Hände auf die Tastatur legen, wobei der linke Zeigefinger auf der Taste "F" und der rechte auf "J" liegt.

Bei Prüfungen, bei denen der mittlere Pfeil nach links zeigt, weisen Sie sie an, "F" zu drücken. Andernfalls, wenn es nach rechts zeigt, drücken Sie 'J'.

Lassen Sie den Patienten 100 Versuche absolvieren: Denken Sie daran, dass jeder mit einem Fixationskreuz beginnt, das für eine variable Dauer von 400 bis 1600 ms auf dem Bildschirm verbleibt, danach erscheinen Pfeile, und der mittlere Pfeil ist entweder inkongruent oder kongruent.

Beachten Sie, dass die Pfeile auf dem Bildschirm bleiben, bis der Patient reagiert, oder für maximal 1700 ms, wenn er keine der beiden Tasten drückt. Beachten Sie auch, dass jeder Versuch mit einem Fixationskreuz endet, das für eine Gesamtdauer von 4 s sichtbar bleibt.

Am Ende der Aufmerksamkeitsaufgabe besprechen Sie den Patienten, um die Studie abzuschließen, und entschädigen Sie ihn für seine Teilnahme.

Nachdem der Scanner und die Verhaltensdaten erhalten wurden, müssen die Rohdiffusionsdateien zunächst in Tensorbilder umgewandelt werden.

Um mit der Vorverarbeitung zu beginnen, führen Sie eine Verzerrungskorrektur für Wirbelströme durch, die in den Rohdaten häufig als Folge einer Änderung des Magnetfelds während der Aufnahme auftreten.

Um die Bewegung zu kompensieren, wenden Sie eine lineare affine Steifkörpertransformation an, die jedes der gerichteten Diffusionsbilder an der B0-Referenz registriert.

Isolieren Sie außerdem das Gehirn vom Schädel und anderen nicht-neuralen Geweben, um sicherzustellen, dass Tensoren nicht für Voxel außerhalb des Gehirns berechnet werden.

Kombinieren Sie nun alle 64 Richtungsbilder, um den Diffusionstensor an jedem Voxel zu berechnen, und geben Sie die entsprechenden FA-Werte im Hintergrund aus.

Registrieren Sie anschließend die Diffusionsbilder für den hochauflösenden anatomischen Scan und dann für einen Standard-Atlasraum, um eine Analyse auf Gruppenebene zu ermöglichen.

Wenn die Vorverarbeitung abgeschlossen ist, verwenden Sie einen Atlas der weißen Substanz, um drei ROIs zu identifizieren: die vordere Corona radiata, das Splenium des Corpus callosum und den Fasciculus longitudinalis superior.

Registrieren Sie schließlich das anatomische Bild jedes Teilnehmers im Standardatlas und verwenden Sie diese, um die ROI-Masken in den Gehirnraum jedes Teilnehmers zu verzerren.

Um die Daten grafisch darzustellen, vergleichen Sie die extrahierten FA-Werte nach Gruppe, und stellen Sie jeden ROI separat dar. Beachten Sie, dass die FA-Werte in der SHT-Gruppe bei allen drei ROIs signifikant niedriger waren, was auf eine weit verbreitete Schädigung der weißen Substanz bei diesen Patienten hinweist.

Um die Verhaltensdaten einzubeziehen, stellen Sie die Unterschiede in den Reaktionszeiten zwischen inkongruenten und kongruenten Versuchen im Vergleich zu den FA-Werten für alle Probanden dar. Führen Sie eine Pearson-Korrelationsanalyse für diese Gesamtergebnisse durch, wiederum unabhängig für jeden ROI.

Diesmal zeigte nur eine der Regionen, die vordere Corona radiata, eine signifikante Korrelation in negativer Richtung. Das heißt, hohe FA-Werte waren mit schnellen Reaktionszeiten verbunden, während eine niedrige Anisotropie mit längeren Reaktionszeiten korrespondierte. Diese Ergebnisse deuten auf einen funktionellen Zusammenhang zwischen der Verbindung der weißen Substanz und der Aufmerksamkeitskontrolle hin.

Nachdem Sie nun damit vertraut sind, wie Sie Struktur und Funktion mithilfe von DTI und einer Aufmerksamkeitskontrollaufgabe in Beziehung setzen können, schauen wir uns an, wie Forscher ähnliche Ansätze verwenden, um andere Populationen mit beeinträchtigter Konnektivität zu untersuchen oder um sie zu schützen.

Während normales Altern mit kognitivem Verfall verbunden ist, sind Veränderungen nicht unbedingt weit verbreitet. Vielmehr scheinen sie mit spezifischen Funktionen in Verbindung zu stehen, die der Integrität der weißen Substanz und reduzierten FA-Werten entsprechen, insbesondere im präfrontalen Kortex. So könnte die Diffusionsbildgebung als Methode zur Früherkennung von altersbedingten Veränderungen der exekutiven Funktion eingesetzt werden.

Anhand der vom DTI gesammelten Daten können Forscher eine 3D-Technik namens Fasertraktographie verwenden und die Bahnen der weißen Substanz im gesamten Gehirn rekonstruieren. Dieses Modellierungsverfahren ist in vielen Bereichen nützlich, auch in der Neurochirurgie.

Wenn Chirurgen zum Beispiel einen Tumor entfernen müssen, können sie genau planen, wo sich die Bahnen der weißen Substanz in der Nähe kritischer Strukturen befinden und so nachteilige Folgen vermeiden.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Diffusions-Tensor-Bildgebung gesehen. Jetzt sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein DTI-Experiment entwirft und durchführt sowie wie man bestimmte Diffusionsmuster mit kognitiven Implikationen im Zusammenhang mit traumatischen Hirnverletzungen analysiert und interpretiert.

Danke fürs Zuschauen!