Zaawansowane obrazowanie dyfuzyjne w hipokampie szczurów z łagodnym urazowym uszkodzeniem mózgu

Dzięki temu protokołowi obrazowania dyfuzyjnego możliwe jest zbadanie zmian mikrostrukturalnych w hipokampie szczura z łagodnym urazowym uszkodzeniem mózgu, które w przeciwnym razie nie byłyby widoczne na anatomicznym rezonansie magnetycznym. Technika ta może wykryć zmiany w mózgu po łagodnym i rozlanym urazie, których nie można wykryć za pomocą tomografii komputerowej lub anatomicznego rezonansu magnetycznego. Technika ta ułatwia monitorowanie procesu powrotu do zdrowia po doznaniu łagodnego urazowego uszkodzenia mózgu w sposób obiektywny i ilościowy.

Ta technika obrazowania i analizy dyfuzyjnej może być również stosowana w innych zaburzeniach wpływających na mózg, takich jak demencja i stwardnienie rozsiane, nie tylko w badaniach przedklinicznych, ale także u ludzi. W tym protokole ważne jest, aby jakość skanów dyfuzyjnych i etapów korekcji była wysoka, dlatego sugerowane są wskazówki doświadczonych techników i analityków. Umieść zwierzę na poduszce grzewczej o temperaturze 37 stopni Celsjusza po potwierdzeniu braku reakcji na uszczypnięcie palca u 12-tygodniowej samicy szczura rasy Wistar H i wprowadź cewnik do bocznej żyły ogonowej.

Wstrzyknij 100 mikrolitrów 2% lidokainy miejscowo w ogoloną i zdezynfekowaną skórę głowy i wykonaj nacięcie w linii środkowej, aby odsłonić czaszkę. Użyj małych nożyczek, aby usunąć nadmiar błon i pocieraj wacik w poprzek czaszki, aż okostna zniknie, a następnie użyj kropli kleju tkankowego, aby przymocować metalowy dysk o średnicy 10 milimetrów i grubości trzech milimetrów około 1/3 przed i 2/3 za bregmą. W celu indukcji urazowego uszkodzenia mózgu umieść szczura na specjalnie wykonanym łóżku z materacem piankowym o określonej stałej sprężystości i umieść szczura bezpośrednio pod przezroczystą plastikową rurką z 450-gramowym mosiężnym ciężarkiem z kaskiem tak poziomym, jak to możliwe.

Podnieś ciężar do jednego metra. W obecności drugiego eksperymentatora zwolnij ciężar i poproś drugiego eksperymentatora, aby odsunął szczura od rurki natychmiast po uderzeniu, aby zapobiec drugiemu urazowi. Delikatnie wyciągnij kask z czaszki i użyj gazy, aby zatamować krwawienie.

Zamknij skórę szwem i nałóż miejscowy żel przeciwbólowy na nacięcie. Umieść szczura na łóżku tomografu komputerowego i wykonaj tomografię komputerową ogólnego przeznaczenia o niskiej dawce, aby wykluczyć złamania czaszki, a następnie umieść szczura w czystej klatce na poduszce grzewczej o temperaturze 37 stopni Celsjusza z monitorowaniem do pełnego leżenia przed powrotem zwierzęcia do klatki. Przed i jeden dzień po indukcji urazu należy potwierdzić brak reakcji na uszczypnięcie palca u zwierzęcia doświadczalnego i umieścić zwierzę na łóżku skanera MR w pozycji leżącej głową do przodu.

Nasuń kwadraturową cewkę objętościową na głowę i wsuń łoże skanera do otworu skanera. Aby zapewnić prawidłowe ustawienie, należy uzyskać domyślny skan zwiadowczy z 3 płaszczyzn. Po zakończeniu skanowania załaduj skan na wyświetlacz obrazu i upewnij się, że głowa leży prosto, a mózg znajduje się w środku magnesu i cewki.

Uzyskuj obrazy ważone T2 przy użyciu ustawień domyślnych, z wyjątkiem pola, widoku i rozmiaru matrycy, które powinny być dostosowane do wyższej rozdzielczości w płaszczyźnie 109 na 109 mikrometrów. Otwórz Edytor geometrii i umieść pakiet plasterków we właściwej pozycji, w tym na bańce mózgu i móżdżku, a następnie załaduj trzy nowe sekwencje echa-płaskie, dyfuzyjnie ważone i echa spinowego z folderu B_diffusion do protokołu kontroli skanowania. Uzyskaj obrazy ważone dyfuzją przy użyciu ustawień domyślnych i otwórz kartę Edytuj skanowanie.

Ustaw orientację plastra na osiową, a liczbę plasterków na 25, aby uzyskać grubość plastra 500 mikrometrów i wewnętrzną odległość plasterka 600 mikrometrów i zmień kierunek odczytu na lewo-prawo. Na karcie Geometria dostosuj parametry geometryczne i dostosuj pole widzenia oraz rozmiar matrycy do 105 na 105, aby zapewnić rozdzielczość 333 na 333 mikrometry. Kliknij zakładkę Dyfuzja w zakładce Badania dla każdej z trzech powłok dyfuzyjnych i dostosuj liczbę kierunków dyfuzji do 32 dla pierwszej powłoki, 46 dla drugiej powłoki i 64 dla trzeciej powłoki.

Zmień liczbę obrazów B0 na pięć dla pierwszej powłoki, pięć dla drugiej powłoki i siedem dla trzeciej powłoki, a także dostosuj kierunki gradientu za pomocą niestandardowych plików kierunków gradientu. Dostosuj wartość B na kierunek do 800 sekund na milimetr kwadratowy dla pierwszej powłoki, 1 500 sekund na milimetr kwadratowy dla drugiej powłoki i 2 000 sekund na milimetr do kwadratu dla trzeciej powłoki, a następnie otwórz Edytor geometrii i umieść pole widzenia między bulbusem a móżdżkiem zawierającym tylko mózg, aby skrócić artefakt i czas skanowania. Po zakończeniu protokołu skanowania przenieś zwierzę z łóżka skanera do czystej klatki z poduszką grzewczą o temperaturze 37 stopni Celsjusza z monitorowaniem aż do pełnego leżenia.

W celu przetwarzania obrazu dyfuzyjnego MRI załaduj obrazy do MRtrix3 i wykonaj korekcję szumów oraz korekcję dzwonienia Gibbsa na obrazach ważonych dyfuzją w programie. Przekonwertuj poprawione, ważone dyfuzyjnie obrazy na obrazie T2 do formatu NIFTI, jak wskazano. Aby wykonać korekcję obrazowania echo-planarnego, ruchu i zniekształceń prądów wirowych, w menu Wtyczki ExploreDTI wybierz Korekcja zniekształceń EC/EPI ruchu obiektu i wybierz wstępnie przetworzony plik danych dyfuzyjnych.

Aby obliczyć metryki obrazowania tensora dyfuzji dla każdego szczura, kliknij Wtyczki i Eksportuj rzeczy do NIFTI, a następnie wybierz mapy parametryczne modelu obrazowania tensora dyfuzji i wyeksportuj mapy parametryczne dla modeli integralności kurtozy i istoty białej. Aby utworzyć plik maski dla hipokampa każdego szczura, załaduj obraz anizotropii ułamkowej szczura w przeglądarce MRtrix i kliknij przycisk plusa, aby utworzyć nowy obszar zainteresowania. Aby wyodrębnić metryki dyfuzji hipokampa szczura, zaimportuj utworzony plik maski w oprogramowaniu AMIDE i otwórz mapy parametryczne i obraz maski szczura.

Aby dodać obszar zainteresowania pliku maski do pliku maski, zaznacz obraz pliku maski, kliknij przycisk Edytuj, Dodaj obszar zainteresowania i kontur izokonturu 3D, a następnie nadaj obszarowi zainteresowania zrozumiałą nazwę. Kliknij obszar zainteresowania wyświetlany na obrazie maski i potwierdź, że ten wolumin powinien zawierać tylko woksele o wartości jeden. Aby obliczyć średnie wartości wskaźników dyfuzji w hipokampie, kliknij Narzędzia i Oblicz statystyki regionu zainteresowania i wskaż obrazy i obszar zainteresowania, które mają zostać uwzględnione.

Po kliknięciu Wykonaj pojawi się wyskakujące okienko z obliczonymi wartościami, które można wykorzystać do dalszej analizy statystycznej. W tym reprezentatywnym eksperymencie nie stwierdzono dowodów na złamanie czaszki oceniane za pomocą obrazowania CT, a obrazy T2 nie wykazały żadnych nieprawidłowości w miejscu stłuczenia dzień po urazie. Aby zbadać jakość niesztywnego kroku korejestracji między obrazem T2 a zbiorem danych dyfuzyjnych, do zakodowanej kolorem mapy anizotropii frakcyjnej dodano nakładkę obrazu T2.

Następnie można było obliczyć mapy parametryczne dla anizotropii frakcyjnej, dyfuzyjności średniej, dyfuzyjności osiowej i map parametrycznych dyfuzyjności radialnej. W obszarze zainteresowania można również przeprowadzić obliczenia średnich wartości kurtozy osiowej, średniej i promieniowej, a także wartości aksonalnej frakcji wodnej, osiowej i radialnej dyfuzyjności pozaaksonalnej oraz krętości integralności drogi istoty białej. W tym reprezentatywnym eksperymencie analiza metryk obrazowania tensora dyfuzji wykazała znaczny wzrost wartości anizotropii frakcyjnej i spadek wartości dyfuzyjności po uderzeniu w grupie z łagodnym urazowym uszkodzeniem mózgu.

Metryki kurtozy dyfuzyjnej wykazały również znaczny spadek kurtozy promieniowej po uderzeniu, podczas gdy nie zaobserwowano żadnych zmian w kurtozie osiowej lub średniej. Korzystając z modelu integralności drogi istoty białej, promieniowa dyfuzyjność pozaaksonalna wykazała znaczny spadek, a krętość wykazała znaczny wzrost w grupie łagodnego urazowego uszkodzenia mózgu następnego dnia po uderzeniu. Podczas analizy obrazu ważne jest, aby sprawdzić, czy format danych z MRtrix został poprawnie przekonwertowany i zaimportowany do ExploreDTI oraz czy każdy krok korekcji został wykonany poprawnie.

Zamiast analizy opartej na ROI, do badania zmian w całym mózgu można zastosować analizę woksel po wokselu. Technika ta jest bardzo cenna w dziedzinie neuroobrazowania i może być również stosowana do innych zaburzeń mózgu, na przykład demencji i stwardnienia rozsianego.