Utilizando imágenes de Tensor de difusión en la lesión cerebral traumática

¿Imágenes de tensor de difusión? La DTI es una técnica dentro de la resonancia magnética que se basa en la difusión de moléculas de agua para estudiar la integridad de las redes de materia blanca, los haces de axones que conectan la materia gris cortical y subcortical, en el cerebro.

Estas estructuras interconectadas pueden dañarse cuando una fuerza externa, como un balón de fútbol, entra en contacto con la cabeza durante un partido. Tales interacciones repetitivas pueden conducir a lesiones más graves, conocidas como Lesión Cerebral Traumática, TBI para abreviar.

Con el tiempo, el daño a la materia blanca cerebral a menudo se asocia con déficits en la cognición, particularmente en el dominio atencional. Por ejemplo, un jugador con LCT puede estar más distraído por un aficionado en las gradas y ser más lento para reaccionar ante el equipo contrario.

Basado en trabajos previos realizados por Kraus y sus colegas, este video demuestra cómo medir la integridad de la materia blanca usando DTI en pacientes con TBI en comparación con individuos de control sanos.

También examinaremos la función cognitiva utilizando una tarea de atención selectiva, explicaremos cómo analizar los datos de las imágenes e interpretaremos la relación entre los valores de difusión en regiones definidas de interés y el control atencional.

En este experimento, dos grupos de participantes, pacientes diagnosticados con LCT de moderada a grave e individuos de control que están sanos, se escanean utilizando un protocolo DTI y luego se evalúan en una tarea de atención.

Primero, analicemos algunos principios detrás de la DTI: La técnica es sensible a la difusión de moléculas de agua, que siempre están en movimiento, principalmente en paralelo a la gran cantidad de haces axonales. Este tipo de movimiento se conoce como difusión anisotrópica.

Junto con la trayectoria del flujo de agua, se puede medir la cantidad de difusión para calcular el tensor, que se ilustra esencialmente como un elipsoide con una dirección. Este valor se cuantifica en función de la longitud relativa a su anchura utilizando un método llamado anisotropía fraccional, abreviado como FA.

Más específicamente, los valores de FA pueden oscilar entre 0 isótropo, o movimiento igual, a 1, que refleja la mayor cantidad de anisotropía.

La precisión se maximiza en todos los vóxeles mediante la adquisición de imágenes de difusión durante una resonancia magnética en muchas direcciones diferentes que corresponden a cambios en el campo magnético aplicado. Este aumento de la resolución se produce a expensas del tiempo.

Sabiendo esto, una variable dependiente crítica consiste en los valores de FA para tres regiones de interés, o ROIs: la corona radiata anterior, el esplenio del cuerpo calloso y el fascículo longitudinal superior.

En comparación con los controles normales, se espera que los valores de FA se reduzcan en las personas con TBI, ya que se espera que su materia blanca se vea comprometida de manera no localizada, lo que resulta en menos anisotropía en todas las ROI.

Sin embargo, una región, la corona radiata anterior, está asociada con conexiones a la corteza cingulada anterior, que desempeña un papel importante en el control de la atención.

Para explorar más a fondo esta relación funcional entre la integridad de la materia blanca y el comportamiento, todos los participantes son evaluados en la Tarea de Red de Atención desarrollada por Fan y sus colegas.

En este paradigma, se pide a los participantes que centren su atención, primero en una cruz de fijación que aparece durante una duración variable entre 400 y 1600 ms, seguida de dos tipos diferentes de flechas: una central y dos grupos de flanqueo que pueden variar en la dirección a la que apuntan.

En la mitad de los ensayos, todas las flechas apuntan en la misma dirección; Se consideran congruentes. Para la otra mitad, la flecha central apunta en la dirección opuesta a las que flanquean, y estos casos se denominan incongruentes. Se pide a los participantes que clasifiquen las flechas haciendo las teclas asociadas lo más rápido posible cuando aparezca cada nuevo conjunto.

Aquí, la diferencia en los tiempos de reacción entre los tipos de ensayo se calcula como otra variable dependiente. Se espera que los individuos que se distraen más con las flechas laterales tengan una puntuación de diferencia mayor, lo que indica un control atencional deficiente.

Por lo tanto, se predice que esta medida se correlaciona negativamente con los valores de AF, específicamente en la región relacionada con la capacidad atencional, la corona radiada anterior, y no en las demás, mostrando así la significación funcional de tractos particulares de sustancia blanca.

Antes del experimento, reclutó a 20 pacientes adultos que hayan sido diagnosticados con TBI de moderado a grave en los últimos 6 meses y controles de la misma edad, que no tengan antecedentes de trastornos neurológicos o psicológicos.

Con el propósito de esta demostración, evalúe a un paciente que esté documentado con una pérdida de conciencia durante más de 30 minutos o una puntuación de < 13 on the Glasgow Coma Scale.

el día de su exploración, salúdelo y asegúrese de que no sufra de claustrofobia ni tenga ningún metal en su cuerpo; También pídales que llenen los formularios de consentimiento necesarios en los que se detallan los riesgos y beneficios del estudio.

Después de obtener el consentimiento, prepare al paciente para ingresar a la sala de exploración. Para obtener información más detallada sobre los procedimientos previos a la exploración, consulte otro proyecto de resonancia magnética de esta colección.

Con el paciente ahora en el orificio del escáner, primero recoja una exploración anatómica de alta resolución. A continuación, inicie una secuencia de pulsos optimizada para DTI adquiriendo una imagen B0, una que no sea sensible a la dirección de difusión, así como múltiples imágenes ponderadas de difusión en 64 direcciones diferentes.

Cuando se complete la secuencia, acompañe al paciente fuera del escáner y dentro de una sala experimental con una computadora para realizar la siguiente fase, una tarea de red de atención.

Explique las instrucciones de la tarea: Verán una serie de cinco flechas en la pantalla y deben concentrarse solo en la central. Para garantizar respuestas rápidas y precisas, pídales que coloquen las manos en el teclado, con el dedo índice izquierdo en la tecla 'F' y el derecho en la 'J'.

Durante las pruebas en las que la flecha central apunte hacia la izquierda, indíqueles que presionen 'F'. De lo contrario, cuando esté orientado hacia la derecha, presione 'J'.

Permita que el paciente complete 100 ensayos: Recuerde que cada uno comienza con una cruz de fijación que permanece en la pantalla durante una duración variable de 400 a 1600 ms, después de lo cual aparecen flechas, y la central será incongruente o congruente.

Tenga en cuenta que las flechas permanecen en la pantalla hasta que el paciente responde, o durante un máximo de 1700 ms si no presionan ninguna de las teclas. También tenga en cuenta que cada ensayo termina con una cruz de fijación que permanece visible durante una duración total del ensayo de 4 s.

Al final de la tarea de atención, informe al paciente para que concluya el estudio y compénselo por su participación.

Una vez que se han obtenido el escáner y los datos de comportamiento, primero se deben convertir los archivos de difusión sin procesar en imágenes tensoriales.

Para comenzar el preprocesamiento, realice la corrección de la distorsión de las corrientes de Foucault, que comúnmente ocurren en los datos sin procesar como resultado del cambio del campo magnético durante la adquisición.

Para compensar el movimiento, aplique una transformación afín lineal de cuerpo rígido, que registra cada una de las imágenes de difusión direccional en la referencia B0.

Además, aísle el cerebro del cráneo y otros tejidos no neurales para asegurarse de que los tensores no se calculen para vóxeles fuera del cerebro.

Ahora, combine las 64 imágenes direccionales para calcular el tensor de difusión en cada vóxel y genere los valores FA correspondientes en el fondo.

Posteriormente, registre las imágenes de difusión en el escaneo anatómico de alta resolución y, a continuación, en un espacio de atlas estándar para permitir el análisis a nivel de grupo.

Una vez completado el preprocesamiento, utilice un atlas de la materia blanca para identificar tres ROI: la corona radiada anterior, el esplenio del cuerpo calloso y el fascículo longitudinal superior.

Por último, registre la imagen anatómica de cada participante en el atlas estándar y utilícelos para deformar las máscaras de ROI en el espacio cerebral de cada participante.

Para graficar los datos, compare los valores de AF extraídos por grupo, trazando cada ROI por separado. Nótese que los valores de FA fueron significativamente más bajos en el grupo de TCE en los tres ROI, lo que indica un daño generalizado de la sustancia blanca en esos pacientes.

Para incorporar los datos conductuales, represente las diferencias en los tiempos de reacción entre los ensayos incongruentes y congruentes con respecto a los valores de AF para todos los sujetos. Realice un análisis de correlación de Pearson sobre estos resultados generales, de nuevo de forma independiente para cada ROI.

Esta vez, solo una de las regiones, la corona radiata anterior, mostró una correlación significativa, en la dirección negativa. Es decir, los valores altos de FA se asociaron con tiempos de reacción rápidos, mientras que la anisotropía baja correspondió a tiempos de respuesta más largos. Estos hallazgos sugieren un vínculo funcional entre la conexión de la materia blanca y el control de la atención.

Ahora que está familiarizado con cómo relacionar la estructura y la función utilizando DTI y una tarea de control atencional, veamos cómo los investigadores están utilizando enfoques similares para estudiar otras poblaciones con conectividad comprometida o como una forma de protegerla.

Si bien el envejecimiento normal se asocia con el deterioro cognitivo, los cambios no son necesariamente generalizados. Más bien, parecen estar relacionados con funciones específicas que corresponden a la integridad de la materia blanca y los valores reducidos de FA, especialmente en la corteza prefrontal. Por lo tanto, las imágenes de difusión podrían utilizarse como un método para la detección temprana de cambios en la función ejecutiva relacionados con la edad.

Con los datos recopilados por DTI, los investigadores pueden utilizar una técnica 3D llamada tractografía de fibra y reconstruir tractos de materia blanca en todo el cerebro. Este procedimiento de modelado es útil en muchos dominios, incluida la neurocirugía.

Si, por ejemplo, los cirujanos necesitan extirpar un tumor, pueden planificar exactamente dónde están los tractos de sustancia blanca en las proximidades de las estructuras críticas y evitar consecuencias perjudiciales.

Acabas de ver la introducción de JoVE a las imágenes de tensor de difusión. Ahora debe tener una buena comprensión de cómo diseñar y llevar a cabo un experimento DTI, así como de cómo analizar e interpretar patrones de difusión específicos con implicaciones cognitivas relacionadas con la lesión cerebral traumática.

¡Gracias por mirar!