Utilisation de l'IRM de diffusion dans les lésions cérébrales traumatiques

Imagerie du tenseur de diffusion ? DTI est une technique de résonance magnétique qui repose sur la diffusion de molécules d’eau pour étudier l’intégrité des réseaux de substance blanche – les faisceaux axonaux qui relient la matière grise corticale et sous-corticale – dans le cerveau.

Ces structures d’interconnexion peuvent être endommagées lorsqu’une force externe, telle qu’un ballon de football, entre en contact avec la tête pendant un match. De telles interactions répétitives peuvent entraîner des lésions plus graves, appelées lésions cérébrales traumatiques, en abrégé.

Au fil du temps, les dommages à la substance blanche cérébrale sont souvent associés à des déficits cognitifs, en particulier dans le domaine attentionnel. Par exemple, un joueur ayant subi un traumatisme crânien peut être plus distrait par un partisan dans les gradins et plus lent à réagir face à l’équipe adverse.

Basée sur des travaux antérieurs effectués par Kraus et ses collègues, cette vidéo montre comment mesurer l’intégrité de la substance blanche à l’aide du DTI chez les patients atteints de TCC par rapport aux personnes témoins en bonne santé.

Nous examinerons également la fonction cognitive à l’aide d’une tâche d’attention sélective, expliquerons comment analyser les données d’imagerie et interpréterons la relation entre les valeurs de diffusion dans des régions d’intérêt définies et le contrôle attentionnel.

Dans cette expérience, deux groupes de participants – des patients diagnostiqués avec un TCC modéré à sévère et des individus témoins en bonne santé – sont scannés à l’aide d’un protocole DTI, puis testés sur une tâche d’attention.

Tout d’abord, discutons de quelques principes derrière le DTI : La technique est sensible à la diffusion des molécules d’eau, qui sont toujours en mouvement, la plupart du temps en parallèle à la grande quantité de faisceaux axonaux. Ce type de mouvement est connu sous le nom de diffusion anisotrope.

En plus de la trajectoire de l’écoulement de l’eau, la quantité de diffusion peut être mesurée pour calculer le tenseur, essentiellement illustré par un ellipsoïde avec une direction. Cette valeur est quantifiée en fonction de la longueur relative à sa largeur à l’aide d’une méthode appelée anisotropie fractionnaire, abrégée en FA.

Plus précisément, les valeurs de FA peuvent aller de 0 isotrope ou mouvement égal à 1, ce qui reflète la plus grande quantité d’anisotropie.

La précision est maximisée sur tous les voxels en acquérant des images de diffusion pendant un examen IRM dans de nombreuses directions différentes qui correspondent aux décalages du champ magnétique appliqué. Cette résolution accrue se fait au détriment du temps.

Sachant cela, une variable dépendante critique est constituée des valeurs FA pour trois régions d’intérêt, ou ROI : la couronne radiale antérieure, le splénium du corps calleux et le faisceau longitudinal supérieur.

Par rapport aux témoins normaux, les valeurs d’AF devraient être réduites chez les personnes ayant subi un TCC, car leur substance blanche devrait être compromise de manière non localisée, ce qui entraîne une diminution de l’anisotropie dans tous les domaines d’intérêt.

Cependant, une région, la corona radiata antérieure, est associée à des connexions au cortex cingulaire antérieur, qui joue un rôle important dans le contrôle attentionnel.

Pour explorer davantage cette relation fonctionnelle entre l’intégrité de la substance blanche et le comportement, tous les participants sont testés sur la tâche de réseau d’attention développée par Fan et ses collègues.

Dans ce paradigme, les participants sont invités à concentrer leur attention, d’abord vers une croix de fixation qui apparaît pour une durée variable entre 400 et 1600 ms, suivie de deux types de flèches différentes : une centrale et deux groupes flanquants qui peuvent varier dans la direction qu’ils pointent.

Dans la moitié des essais, toutes les flèches pointent dans la même direction ; Ceux-ci sont considérés comme superposables. Pour l’autre moitié, la flèche centrale pointe dans la direction opposée aux flèches latérales, et ces cas sont qualifiés d’incongrus. Les participants sont invités à catégoriser les flèches en appuyant sur les touches associées le plus rapidement possible à chaque nouvelle série de photos.

Ici, la différence de temps de réaction entre les types d’essais est calculée comme une autre variable dépendante. Les personnes qui sont plus distraites par les flèches latérales devraient avoir un score de différence plus élevé, ce qui indique un mauvais contrôle attentionnel.

On prévoit donc que cette mesure sera négativement corrélée avec les valeurs de FA, en particulier dans la région liée à la capacité attentionnelle – la couronne radiale antérieure – et non les autres, montrant ainsi l’importance fonctionnelle de certains faisceaux de substance blanche.

Avant l’expérience, recrutez 20 patients adultes qui ont reçu un diagnostic de TCC modéré à sévère au cours des 6 derniers mois et des témoins du même âge, qui n’ont pas d’antécédents de troubles neurologiques ou psychologiques.

Dans le cadre de cette démonstration, testez un patient qui a une perte de conscience documentée pendant plus de 30 minutes ou un score de < 13 on the Glasgow Coma Scale.

Le jour de son examen, saluez-le et assurez-vous qu’il ne souffre pas de claustrophobie ou qu’il n’a pas de métal dans son corps ; Demandez-leur également de remplir les formulaires de consentement nécessaires détaillant les risques et les avantages de l’étude.

Après avoir obtenu le consentement, préparez le patient à entrer dans la salle d’examen. Pour de plus amples renseignements sur les procédures de prébalayage, veuillez consulter un autre projet d’IRM de cette collection.

Avec le patient maintenant dans le trou du scanner, collectez d’abord un balayage anatomique à haute résolution. Ensuite, lancez une séquence d’impulsions optimisée pour le DTI en acquérant une image B0 – qui n’est pas sensible à la direction de diffusion – ainsi que plusieurs images pondérées en diffusion dans 64 directions différentes.

Une fois la séquence terminée, escortez le patient hors du scanner et dans une salle d’expérimentation avec un ordinateur pour effectuer la phase suivante, une tâche de réseau d’attention.

Expliquez les instructions de la tâche : Ils verront une série de cinq flèches à l’écran et ne doivent se concentrer que sur celle du centre. Pour garantir des réponses rapides et précises, demandez-leur de placer leurs mains sur le clavier, avec leur index gauche sur la touche « F » et leur index droit sur « J ».

Pendant les épreuves où la flèche centrale pointe vers la gauche, demandez-leur d’appuyer sur « F ». Sinon, lorsqu’il est tourné vers la droite, appuyez sur 'J'.

Permettez au patient de réaliser 100 essais : N’oubliez pas que chacun commence par une croix de fixation qui reste à l’écran pendant une durée variable de 400 à 1600 ms, après quoi des flèches apparaissent, et la centrale sera soit incongrue, soit congruente.

Notez que les flèches restent à l’écran jusqu’à ce que le patient réponde, ou pendant un maximum de 1700 ms s’il n’appuie sur aucune des touches. Notez également que chaque essai se termine par une croix de fixation qui reste visible pendant une durée totale de 4 s.

À la fin de la tâche d’attention, débriefez le patient pour conclure l’étude et dédommagez-le pour sa participation.

Une fois le scanner et les données comportementales obtenus, les fichiers de diffusion bruts doivent d’abord être convertis en images tensorielles.

Pour commencer le prétraitement, effectuez une correction de distorsion pour les courants de Foucault, qui se produisent généralement dans les données brutes à la suite de la modification du champ magnétique lors de l’acquisition.

Pour compenser le mouvement, appliquez une transformation affine linéaire à corps rigide, qui enregistre chacune des images de diffusion directionnelle dans la référence B0.

De plus, isolez le cerveau du crâne et d’autres tissus non neuraux pour vous assurer que les tenseurs ne sont pas calculés pour les voxels à l’extérieur du cerveau.

Maintenant, combinez les 64 images directionnelles pour calculer le tenseur de diffusion à chaque voxel, et affichez les valeurs FA correspondantes en arrière-plan.

Par la suite, enregistrez les images de diffusion dans le balayage anatomique haute résolution, puis dans un espace atlas standard pour permettre une analyse au niveau du groupe.

Une fois le prétraitement terminé, utilisez un atlas de la substance blanche pour identifier trois zones d’intérêt : la couronne radiale antérieure, le splénium du corps calleux et le faisceau longitudinal supérieur.

Enfin, enregistrez l’image anatomique de chaque participant dans l’atlas standard et utilisez-les pour déformer les masques ROI dans l’espace cérébral de chaque participant.

Pour représenter graphiquement les données, comparez les valeurs FA extraites par groupe, en traçant chaque retour sur investissement séparément. Notez que les valeurs d’AF étaient significativement plus faibles dans le groupe TCC dans les trois OI, indiquant des dommages généralisés à la substance blanche chez ces patients.

Pour intégrer les données comportementales, tracez les différences de temps de réaction entre les essais incongrus et congruents par rapport aux valeurs FA pour tous les sujets. Effectuez une analyse de corrélation de Pearson sur ces résultats globaux, encore une fois indépendamment pour chaque retour sur investissement.

Cette fois, une seule des régions – la couronne radiale antérieure – a montré une corrélation significative, dans le sens négatif. C’est-à-dire que des valeurs élevées de FA étaient associées à des temps de réaction rapides, tandis qu’une anisotropie faible correspondait à des temps de réponse plus longs. Ces résultats suggèrent un lien fonctionnel entre la connexion de la substance blanche et le contrôle attentionnel.

Maintenant que vous savez comment relier la structure et la fonction à l’aide de DTI et d’une tâche de contrôle attentionnel, voyons comment les chercheurs utilisent des approches similaires pour étudier d’autres populations dont la connectivité est compromise ou comme moyen de la protéger.

Bien que le vieillissement normal soit associé au déclin cognitif, les changements ne sont pas nécessairement généralisés. Au contraire, ils semblent être liés à des fonctions spécifiques qui correspondent à l’intégrité de la substance blanche et à des valeurs FA réduites, en particulier dans le cortex préfrontal. Ainsi, l’imagerie de diffusion pourrait être utilisée comme méthode de détection précoce des changements liés à l’âge dans la fonction exécutive.

À l’aide des données recueillies par le DTI, les chercheurs peuvent utiliser une technique 3D appelée tractographie par fibre et reconstruire les faisceaux de substance blanche dans l’ensemble du cerveau. Cette procédure de modélisation est utile dans de nombreux domaines, y compris la neurochirurgie.

Si, par exemple, les chirurgiens doivent enlever une tumeur, ils peuvent planifier exactement où se trouvent les faisceaux de substance blanche à proximité des structures critiques et éviter les conséquences néfastes.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à l’imagerie du tenseur de diffusion. Vous devriez maintenant avoir une bonne compréhension de la conception et de la conduite d’une expérience DTI, ainsi que de la façon d’analyser et d’interpréter des modèles de diffusion spécifiques ayant des implications cognitives liées à des lésions cérébrales traumatiques.

Merci d’avoir regardé !