Zastosowanie obrazowania tensora dyfuzji w urazowym uszkodzeniu mózgu

Obrazowanie tensora dyfuzji? DTI to technika rezonansu magnetycznego, która opiera się na dyfuzji cząsteczek wody w celu zbadania integralności sieci istoty białej - wiązek aksonów, które łączą korową i podkorową istotę szarą - w mózgu.

Te łączące się ze sobą struktury mogą ulec uszkodzeniu, gdy siła zewnętrzna, taka jak piłka nożna, wejdzie w kontakt z głową podczas meczu. Takie powtarzające się interakcje mogą prowadzić do poważniejszych obrażeń, określanych jako urazowe uszkodzenie mózgu, w skrócie TBI.

Z biegiem czasu uszkodzenie istoty białej mózgu często wiąże się z deficytami poznawczymi, szczególnie w sferze uwagi. Na przykład zawodnik z TBI może być bardziej rozpraszany przez kibica na trybunach i wolniej reagować na drużynę przeciwną.

Opierając się na wcześniejszych pracach wykonanych przez Krausa i współpracowników, ten film pokazuje, jak mierzyć integralność istoty białej za pomocą DTI u pacjentów z TBI w porównaniu ze zdrowymi osobami z grupy kontrolnej.

Zbadamy również funkcje poznawcze za pomocą zadania selektywnej uwagi, wyjaśnimy, jak analizować dane obrazowe i zinterpretujemy związek między wartościami dyfuzji w zdefiniowanych obszarach zainteresowania a kontrolą uwagi.

W tym eksperymencie dwie grupy uczestników - pacjenci ze zdiagnozowanym umiarkowanym lub ciężkim TBI i osoby kontrolne, które są zdrowe - są skanowane przy użyciu protokołu DTI, a następnie testowane pod kątem zadania uwagi.

Najpierw omówmy kilka zasad stojących za DTI: Technika ta jest wrażliwa na dyfuzję cząsteczek wody, które zawsze się poruszają, głównie równolegle do ogromnej liczby wiązek aksonalnych. Ten rodzaj ruchu jest znany jako dyfuzja anizotropowa.

Wraz ze ścieżką przepływu wody, wielkość dyfuzji może być mierzona w celu obliczenia tensora - zasadniczo zilustrowanego jako elipsoida z kierunkiem. Wartość ta jest określana ilościowo na podstawie względnej długości do jego szerokości przy użyciu metody zwanej anizotropią frakcyjną, w skrócie FA.

Dokładniej, wartości FA mogą wahać się od 0?izotropowy lub równy ruch?do 1, co odzwierciedla największą ilość anizotropii.

Precyzja jest maksymalizowana we wszystkich wokselach poprzez pozyskiwanie obrazów dyfuzyjnych podczas skanowania MRI w wielu różnych kierunkach, które odpowiadają zmianom w przyłożonym polu magnetycznym. Ta zwiększona rozdzielczość odbywa się kosztem czasu.

Wiedząc o tym, krytyczna zmienna zależna składa się z wartości FA dla trzech obszarów zainteresowania lub ROI: przedniego promienia korony, śledziony ciała modzelowatego i pęczka podłużnego górnego.

W porównaniu z normalną kontrolą, oczekuje się, że wartości FA zostaną zmniejszone u osób z TBI, ponieważ oczekuje się, że ich istota biała zostanie upośledzona w sposób niezlokalizowany, co spowoduje mniejszą anizotropię we wszystkich ROI.

Jednak jeden region - przednia korona promienista - jest związany z połączeniami z przednią korą obręczy, która odgrywa ważną rolę w kontroli uwagi.

Aby dokładniej zbadać ten funkcjonalny związek między integralnością istoty białej a zachowaniem, wszyscy uczestnicy są testowani za pomocą zadania Attention Network Task opracowanego przez Fana i współpracowników.

W tym paradygmacie uczestnicy są proszeni o skupienie uwagi, najpierw na krzyżu fiksacyjnym, który pojawia się na zmienny czas od 400 do 1600 ms, a następnie na dwóch różnych rodzajach strzałek: centralnej i dwóch flankujących, które mogą różnić się w kierunku, w którym wskazują.

W połowie prób wszystkie strzałki wskazują ten sam kierunek; Uważa się, że są one zgodne. W przypadku drugiej połowy środkowa strzałka wskazuje przeciwną stronę niż strzałki flankujące, a te przypadki są określane jako nieprzystające. Uczestnicy są proszeni o kategoryzowanie strzałek poprzez jak najszybsze naciśnięcie powiązanych klawiszy, gdy pojawi się każdy nowy zestaw.

W tym przypadku różnica w czasie reakcji między typami prób jest obliczana jako kolejna zmienna zależna. Oczekuje się, że osoby, które są bardziej rozproszone przez strzałki flankujące, będą miały większy wynik różnicy, co wskazuje na słabą kontrolę uwagi.

Przewiduje się zatem, że miara ta będzie ujemnie korelować z wartościami FA, szczególnie w regionie związanym ze zdolnością uwagi - przednim promieniem korony - a nie w pozostałych, pokazując w ten sposób funkcjonalne znaczenie poszczególnych odcinków istoty białej.

Przed eksperymentem zrekrutuj 20 dorosłych pacjentów, u których zdiagnozowano umiarkowane lub ciężkie TBI w ciągu ostatnich 6 miesięcy oraz grupę kontrolną w tym samym wieku, którzy nie mają historii zaburzeń neurologicznych lub psychologicznych.

Na potrzeby tej demonstracji przetestuj pacjenta, u którego udokumentowano utratę przytomności trwającą dłużej niż 30 minut lub wynik < 13 on the Glasgow Coma Scale.

W dniu skanowania przywitaj go i upewnij się, że nie cierpi na klaustrofobię ani nie ma żadnego metalu w ciele; Poproś ich również o wypełnienie niezbędnych formularzy zgody, w których szczegółowo opisują ryzyko i korzyści związane z badaniem.

Po uzyskaniu zgody należy przygotować pacjenta do wejścia do pomieszczenia skanowania. Aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat procedur przed skanowaniem, zapoznaj się z innym projektem MRI w tej kolekcji.

Gdy pacjent znajduje się teraz w otworze skanera, najpierw pobierz skan anatomiczny o wysokiej rozdzielczości. Następnie zainicjuj sekwencję impulsów zoptymalizowaną pod kątem DTI, uzyskując obraz B0 - taki, który nie jest wrażliwy na kierunek dyfuzji - a także wiele obrazów ważonych dyfuzją w 64 różnych kierunkach.

Po zakończeniu sekwencji odprowadź pacjenta ze skanera do pomieszczenia eksperymentalnego z komputerem, aby wykonać następną fazę, zadanie sieci uwagi.

Wyjaśnij instrukcje dotyczące zadania: Na ekranie zobaczy serię pięciu strzałek i powinni skupić się tylko na środkowej. Aby zapewnić szybkie i dokładne odpowiedzi, poproś ich, aby położyli ręce na klawiaturze, lewy palec wskazujący na klawiszu "F", a prawy na "J".

Podczas prób, w których środkowa strzałka jest skierowana w lewo, poinstruuj ich, aby nacisnęli "F". W przeciwnym razie, gdy jest skierowany w prawo, naciśnij "J".

Pozwól pacjentowi ukończyć 100 prób: Pamiętaj, że każda z nich zaczyna się od krzyżyka fiksacyjnego, który pozostaje na ekranie przez zmienny czas od 400 do 1600 ms, po czym pojawiają się strzałki, a środkowa będzie albo nieprzystająca, albo przystająca.

Zwróć uwagę, że strzałki pozostają na ekranie, dopóki pacjent nie zareaguje, lub maksymalnie przez 1700 ms, jeśli nie naciśnie żadnego z klawiszy. Należy również pamiętać, że każde badanie kończy się krzyżem fiksacji, który pozostaje widoczny przez łączny czas trwania badania wynoszący 4 sekundy.

Na koniec zadania koncentracji uwagi poinformuj pacjenta, aby zakończył badanie i zrekompensuj mu jego udział.

Po uzyskaniu skanera i danych behawioralnych, surowe pliki dyfuzyjne muszą najpierw zostać przekształcone w obrazy tensorowe.

Aby rozpocząć przetwarzanie wstępne, należy wykonać korekcję zniekształceń dla prądów wirowych, które często występują w surowych danych w wyniku zmiany pola magnetycznego podczas akwizycji.

Aby skompensować ruch, należy zastosować liniową transformację afiniczną ciała sztywnego, która rejestruje każdy z obrazów dyfuzji kierunkowej do odniesienia B0.

Ponadto odizoluj mózg od czaszki i innych tkanek nienerwowych, aby upewnić się, że tensory nie są obliczane dla wokseli poza mózgiem.

Teraz połącz wszystkie 64 obrazy kierunkowe, aby obliczyć tensor dyfuzji dla każdego woksela i wyprowadzić odpowiednie wartości FA w tle.

Następnie zarejestruj obrazy dyfuzyjne na skanie anatomicznym o wysokiej rozdzielczości, a następnie w standardowej przestrzeni atlasu, aby umożliwić analizę na poziomie grupy.

Po zakończeniu przetwarzania wstępnego użyj atlasu istoty białej, aby zidentyfikować trzy ROI: przednią koronę promienistą, śledzionę ciała modzelowatego i pęczek podłużny górny.

Na koniec zarejestruj obraz anatomiczny każdego uczestnika w standardowym atlasie i użyj go do wypaczenia masek ROI w przestrzeni mózgowej każdego uczestnika.

Aby wyświetlić wykres danych, porównaj wyodrębnione wartości FA według grup, wykreślając każdy zwrot z inwestycji osobno. Zauważ, że wartości FA były znacznie niższe w grupie TBI we wszystkich trzech ROI, co wskazuje na rozległe uszkodzenie istoty białej u tych pacjentów.

Aby uwzględnić dane behawioralne, należy wykreślić różnice w czasie reakcji między nieprzystającymi i zgodnymi próbami w stosunku do wartości FA dla wszystkich badanych. Przeprowadź analizę korelacji Pearsona na tych ogólnych wynikach, ponownie niezależnie dla każdego zwrotu z inwestycji.

Tym razem tylko jeden z obszarów – przednia korona promienista – wykazał istotną korelację, w kierunku ujemnym. Oznacza to, że wysokie wartości FA wiązały się z szybkimi czasami reakcji, podczas gdy niska anizotropia odpowiadała dłuższym czasom odpowiedzi. Odkrycia te sugerują funkcjonalny związek między łączeniem istoty białej a kontrolą uwagi.

Teraz, gdy wiesz już, jak powiązać strukturę i funkcję za pomocą DTI i zadania kontroli uwagi, przyjrzyjmy się, jak naukowcy stosują podobne podejścia do badania innych populacji z zaburzoną łącznością lub jako sposób na jej ochronę.

Podczas gdy normalne starzenie się wiąże się ze spadkiem funkcji poznawczych, zmiany niekoniecznie są powszechne. Wydaje się raczej, że są one związane z określonymi funkcjami, które odpowiadają integralności istoty białej i obniżonym wartościom FA, szczególnie w korze przedczołowej. W związku z tym obrazowanie dyfuzyjne może być stosowane jako metoda wczesnego wykrywania związanych z wiekiem zmian w funkcjach wykonawczych.

Korzystając z danych zebranych przez DTI, naukowcy mogą wykorzystać technikę 3D zwaną traktografią światłowodową i zrekonstruować szlaki istoty białej w całym mózgu. Ta procedura modelowania jest przydatna w wielu dziedzinach, w tym w neurochirurgii.

Jeśli, na przykład, chirurdzy muszą usunąć guz, mogą dokładnie zaplanować, gdzie znajdują się drogi istoty białej w pobliżu krytycznych struktur i uniknąć szkodliwych konsekwencji.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do obrazowania tensora dyfuzji. Teraz powinieneś dobrze zrozumieć, jak zaprojektować i przeprowadzić eksperyment DTI, a także jak analizować i interpretować określone wzorce dyfuzji z implikacjami poznawczymi związanymi z urazowym uszkodzeniem mózgu.

Dzięki za oglądanie!