Utilizzo dell'imaging con tensore di diffusione nelle lesioni cerebrali traumatiche

Imaging del tensore di diffusione? La DTI è una tecnica di risonanza magnetica che si basa sulla diffusione di molecole d'acqua per studiare l'integrità delle reti di materia bianca – i fasci di assoni che collegano la materia grigia corticale e sottocorticale – nel cervello.

Queste strutture di interconnessione possono essere danneggiate quando una forza esterna, come un pallone da calcio, entra in contatto con la testa durante una partita. Tali interazioni ripetitive possono portare a lesioni più gravi, denominate lesioni cerebrali traumatiche, TBI in breve.

Nel corso del tempo, il danno alla sostanza bianca cerebrale è spesso associato a deficit cognitivi, in particolare nel dominio dell'attenzione. Ad esempio, un giocatore con trauma cranico potrebbe essere più distratto da un tifoso sugli spalti e più lento a reagire alla squadra avversaria.

Sulla base di precedenti lavori eseguiti da Kraus e colleghi, questo video dimostra come misurare l'integrità della sostanza bianca utilizzando DTI in pazienti con trauma cranico rispetto a individui sani di controllo.

Esamineremo anche la funzione cognitiva utilizzando un compito di attenzione selettiva, spiegheremo come analizzare i dati di imaging e interpreteremo la relazione tra i valori di diffusione in regioni di interesse definite e il controllo dell'attenzione.

In questo esperimento, due gruppi di partecipanti – pazienti con diagnosi di trauma cranico da moderato a grave e individui di controllo sani – vengono scansionati utilizzando un protocollo DTI e quindi testati su un compito di attenzione.

Innanzitutto, discutiamo alcuni principi alla base della DTI: La tecnica è sensibile alla diffusione delle molecole d'acqua, che si muovono sempre, per lo più in parallelo alla grande quantità di fasci assonali. Questo tipo di movimento è noto come diffusione anisotropa.

Insieme al percorso del flusso d'acqua, la quantità di diffusione può essere misurata per calcolare il tensore, essenzialmente illustrato come un ellissoide con una direzione. Questo valore viene quantificato in base alla lunghezza relativa alla sua larghezza utilizzando un metodo chiamato anisotropia frazionaria, abbreviato in FA.

Più specificamente, i valori FA possono variare da 0?isotropo, o movimento uguale?a 1, che riflette la massima quantità di anisotropia.

La precisione è massimizzata su tutti i voxel acquisendo immagini di diffusione durante una risonanza magnetica in molte direzioni diverse che corrispondono a spostamenti nel campo magnetico applicato. Questa maggiore risoluzione avviene a scapito del tempo.

Sapendo questo, una variabile dipendente critica è costituita dai valori di FA per tre regioni di interesse, o ROI: la corona radiata anteriore, lo splenio del corpo calloso e il fascicolo longitudinale superiore.

Rispetto ai normali controlli, ci si aspetta che i valori di FA siano ridotti negli individui con trauma cranico, poiché si prevede che la loro sostanza bianca sia compromessa in modo non localizzato, con conseguente minore anisotropia in tutti i ROI.

Tuttavia, una regione, la corona radiata anteriore, è associata a connessioni con la corteccia cingolata anteriore, che svolge un ruolo importante nel controllo dell'attenzione.

Per esplorare ulteriormente questa relazione funzionale tra l'integrità della sostanza bianca e il comportamento, tutti i partecipanti sono stati testati sull'Attention Network Task sviluppato da Fan e colleghi.

In questo paradigma, ai partecipanti viene chiesto di focalizzare la loro attenzione, prima verso una croce di fissazione che appare per una durata variabile tra i 400 e i 1600 ms, seguita da due diversi tipi di frecce: una centrale e due gruppi laterali che possono variare nella direzione in cui puntano.

Nella metà delle prove, tutte le frecce puntano nella stessa direzione; queste sono considerate congruenti. Per l'altra metà, la freccia centrale punta nella direzione opposta di quelle laterali e questi casi sono indicati come incongruenti. Ai partecipanti viene chiesto di classificare le frecce premendo i tasti associati il più rapidamente possibile quando appare ogni nuovo set.

Qui, la differenza nei tempi di reazione tra i tipi di prova è calcolata come un'altra variabile dipendente. Ci si aspetta che gli individui che sono più distratti dalle frecce laterali abbiano un punteggio di differenza maggiore, che indica uno scarso controllo dell'attenzione.

Si prevede quindi che questa misura sia correlata negativamente con i valori di FA, in particolare nella regione relativa alla capacità di attenzione – la corona radiata anteriore – e non nelle altre, mostrando così il significato funzionale di particolari tratti di sostanza bianca.

Prima dell'esperimento, reclutare 20 pazienti adulti a cui è stato diagnosticato un trauma cranico da moderato a grave negli ultimi 6 mesi e controlli di pari età, che non hanno una storia di disturbi neurologici o psicologici.

Ai fini di questa dimostrazione, testare un paziente che ha una perdita di coscienza documentata per più di 30 minuti o un punteggio di < 13 sulla scala del coma di Glasgow.

Il giorno dell'ecografia, salutali e assicurati che non soffrano di claustrofobia o abbiano alcun metallo nel loro corpo; chiedi loro anche di compilare i moduli di consenso necessari che descrivono in dettaglio i rischi e i benefici dello studio.

Dopo aver ottenuto il consenso, preparare il paziente ad entrare nella sala di scansione. Per informazioni più dettagliate sulle procedure pre-scansione, fare riferimento a un altro progetto di risonanza magnetica in questa raccolta.

Con il paziente ora nel foro dello scanner, raccogliere prima una scansione anatomica ad alta risoluzione. Quindi, avviare una sequenza di impulsi ottimizzata per DTI acquisendo un'immagine B0, che non è sensibile alla direzione di diffusione, nonché più immagini pesate in diffusione in 64 direzioni diverse.

Quando la sequenza è completa, scorta il paziente fuori dallo scanner e in una stanza sperimentale con un computer per eseguire la fase successiva, un compito della rete di attenzione.

Spiega le istruzioni dell'attività: vedranno una serie di cinque frecce sullo schermo e dovrebbero concentrarsi solo su quella centrale. Per garantire risposte rapide e precise, chiedi loro di appoggiare le mani sulla tastiera, con l'indice sinistro sul tasto "F" e quello destro sulla "J".

Durante le prove in cui la freccia centrale punta a sinistra, chiedi loro di premere "F". In caso contrario, quando è rivolto a destra, premere 'J'.

Consenti al paziente di completare 100 prove: ricorda che ognuna inizia con una croce di fissazione che rimane sullo schermo per una durata variabile da 400 a 1600 ms, dopodiché compaiono delle frecce e quella centrale sarà incongruente o congruente.

Si noti che le frecce rimangono sullo schermo fino a quando il paziente non risponde, o per un massimo di 1700 ms se non si preme nessuno dei due tasti. Si noti inoltre che ogni prova termina con una croce di fissazione che rimane visibile per una durata totale della prova di 4 s.

Al termine del compito di attenzione, interrogare il paziente per concludere lo studio e compensarlo per la sua partecipazione.

Dopo aver ottenuto lo scanner e i dati comportamentali, i file di diffusione grezzi devono prima essere convertiti in immagini tensoriali.

Per iniziare la pre-elaborazione, eseguire la correzione della distorsione per le correnti parassite, che si verificano comunemente nei dati grezzi a causa della modifica del campo magnetico durante l'acquisizione.

Per compensare il movimento, applicare una trasformazione affine lineare a corpo rigido, che registra ciascuna delle immagini di diffusione direzionale nel riferimento B0.

Inoltre, isolare il cervello dal cranio e da altri tessuti non neurali per garantire che i tensori non vengano calcolati per i voxel al di fuori del cervello.

Ora, combina tutte le 64 immagini direzionali per calcolare il tensore di diffusione in ogni voxel e produci i valori FA corrispondenti sullo sfondo.

Successivamente, registrare le immagini di diffusione nella scansione anatomica ad alta risoluzione e quindi in uno spazio atlante standard per consentire l'analisi a livello di gruppo.

Una volta completata la pre-elaborazione, utilizzare un atlante della sostanza bianca per identificare tre ROI: la corona radiata anteriore, lo splenio del corpo calloso e il fascicolo longitudinale superiore.

Infine, registra l'immagine anatomica di ciascun partecipante nell'atlante standard e usala per deformare le maschere ROI nello spazio cerebrale di ciascun partecipante.

Per rappresentare graficamente i dati, confronta i valori FA estratti per gruppo, tracciando separatamente ogni ROI. Si noti che i valori di FA erano significativamente più bassi nel gruppo TBI in tutti e tre i ROI, indicando un danno diffuso alla sostanza bianca in quei pazienti.

Per incorporare i dati comportamentali, tracciare le differenze nei tempi di reazione tra prove incongruenti e congruenti rispetto ai valori di FA per tutti i soggetti. Esegui un'analisi di correlazione di Pearson su questi risultati complessivi, sempre in modo indipendente per ogni ROI.

Questa volta, solo una delle regioni, la corona radiata anteriore, ha mostrato una correlazione significativa, in direzione negativa. Cioè, alti valori di FA erano associati a tempi di reazione rapidi, mentre una bassa anisotropia corrispondeva a tempi di risposta più lunghi. Questi risultati suggeriscono un legame funzionale tra la connessione della materia bianca e il controllo dell'attenzione.

Ora che hai familiarità con come mettere in relazione struttura e funzione utilizzando DTI e un compito di controllo attenzionale, diamo un'occhiata a come i ricercatori stanno utilizzando approcci simili per studiare altre popolazioni con connettività compromessa o come un modo per proteggerla.

Mentre il normale invecchiamento è associato al declino cognitivo, i cambiamenti non sono necessariamente diffusi. Piuttosto, sembrano essere correlati a funzioni specifiche che corrispondono all'integrità della sostanza bianca e a valori di FA ridotti, specialmente nella corteccia prefrontale. Pertanto, l'imaging a diffusione potrebbe essere utilizzato come metodo per la rilevazione precoce dei cambiamenti legati all'età nella funzione esecutiva.

Utilizzando i dati raccolti da DTI, i ricercatori possono utilizzare una tecnica 3D chiamata trattografia delle fibre e ricostruire i tratti della sostanza bianca in tutto il cervello. Questa procedura di modellazione è utile in molti settori, inclusa la neurochirurgia.

Se, ad esempio, i chirurghi devono rimuovere un tumore, possono pianificare esattamente dove si trovano i tratti di sostanza bianca in prossimità delle strutture critiche ed evitare conseguenze dannose.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'imaging del tensore di diffusione. Ora dovresti avere una buona comprensione di come progettare e condurre un esperimento DTI, nonché di come analizzare e interpretare specifici modelli di diffusione con implicazioni cognitive legate alla lesione cerebrale traumatica.

Grazie per l'attenzione!