Usando difusão tensor imagem em lesão cerebral traumática

Imagem de tensor de difusão? DTI - é uma técnica dentro da ressonância magnética que se baseia na difusão de moléculas de água para estudar a integridade das redes de substância branca - os feixes de axônios que conectam a substância cinzenta cortical e subcortical - no cérebro.

Essas estruturas de interconexão podem ser danificadas quando uma força externa, como uma bola de futebol, entra em contato com a cabeça durante uma partida. Essas interações repetitivas podem levar a lesões mais graves, conhecidas como Lesão Cerebral Traumática, TCE.

Com o tempo, o dano à substância branca cerebral é frequentemente associado a déficits na cognição, particularmente no domínio da atenção. Por exemplo, um jogador com TCE pode ser mais distraído por um torcedor nas arquibancadas e mais lento para reagir ao time adversário.

Com base em trabalhos anteriores realizados por Kraus e colegas, este vídeo demonstra como medir a integridade da substância branca usando DTI em pacientes com TCE em comparação com indivíduos de controle saudáveis.

Também examinaremos a função cognitiva usando uma tarefa de atenção seletiva, explicaremos como analisar os dados de imagem e interpretaremos a relação entre os valores de difusão em regiões de interesse definidas e o controle da atenção.

Neste experimento, dois grupos de participantes - pacientes diagnosticados com TCE moderado a grave e indivíduos de controle saudáveis - são examinados usando um protocolo de DTI e, em seguida, testados em uma tarefa de atenção.

Primeiro, vamos discutir alguns princípios por trás do DTI: A técnica é sensível à difusão de moléculas de água, que estão sempre em movimento, principalmente em paralelo com a grande quantidade de feixes axonais. Esse tipo de movimento é conhecido como difusão anisotrópica.

Junto com o caminho do fluxo de água, a quantidade de difusão pode ser medida para calcular o tensor - essencialmente ilustrado como um elipsóide com uma direção. Este valor é quantificado com base no comprimento relativo à sua largura usando um método chamado anisotropia fracionária, abreviado como FA.

Mais especificamente, os valores de FA podem variar de 0?isotrópico, ou movimento igual?a 1, o que reflete a maior quantidade de anisotropia.

A precisão é maximizada em todos os voxels adquirindo imagens de difusão durante uma ressonância magnética em muitas direções diferentes que correspondem a mudanças no campo magnético aplicado. Essa resolução aumentada ocorre às custas do tempo.

Sabendo disso, uma variável dependente crítica consiste nos valores de FA para três regiões de interesse, ou ROIs: a coroa radiada anterior, o esplênio do corpo caloso e o fascículo longitudinal superior.

Em comparação com os controles normais, espera-se que os valores de FA sejam reduzidos em indivíduos com TCE, pois espera-se que sua substância branca seja comprometida de maneira não localizada, resultando em menos anisotropia em todas as ROIs.

No entanto, uma região - a coroa radiada anterior - está associada a conexões com o córtex cingulado anterior, que desempenha um papel importante no controle da atenção.

Para explorar ainda mais essa relação funcional entre a integridade da substância branca e o comportamento, todos os participantes são testados na Tarefa de Rede de Atenção desenvolvida por Fan e colegas.

Nesse paradigma, os participantes são solicitados a focar sua atenção, primeiro em uma cruz de fixação que aparece por uma duração variável entre 400 e 1600 ms, seguida por dois tipos diferentes de setas: uma central e dois grupos flanqueadores que podem variar na direção que apontam.

Em metade das tentativas, todas as setas apontam na mesma direção; estes são considerados congruentes. Para a outra metade, a seta central aponta para o lado oposto das que flanqueiam, e esses casos são chamados de incongruentes. Os participantes são solicitados a categorizar as setas pressionando as teclas associadas o mais rápido possível quando cada novo conjunto aparecer.

Aqui, a diferença nos tempos de reação entre os tipos de teste é calculada como outra variável dependente. Espera-se que os indivíduos que estão mais distraídos com as setas laterais tenham uma pontuação de diferença maior, o que indica um controle de atenção deficiente.

Prevê-se, portanto, que essa medida se correlacione negativamente com os valores de FA, especificamente na região relacionada à capacidade de atenção - a corona radiata anterior - e não nas outras, mostrando assim significado funcional de determinados tratos de substância branca.

Antes do experimento, recrute 20 pacientes adultos que foram diagnosticados com TCE moderado a grave nos últimos 6 meses e controles pareados por idade, que não têm histórico de distúrbios neurológicos ou psicológicos.

Para o propósito desta demonstração, teste um paciente documentado como tendo perda de consciência por mais de 30 minutos ou uma pontuação de < 13 on the Glasgow Coma Scale.

No dia do exame, cumprimente-o e certifique-se de que ele não sofra de claustrofobia ou tenha qualquer metal em seu corpo; Além disso, peça-lhes que preencham os formulários de consentimento necessários detalhando os riscos e benefícios do estudo.

Depois de obter o consentimento, prepare o paciente para entrar na sala de digitalização. Para obter informações mais detalhadas sobre os procedimentos de pré-exame, consulte outro projeto de ressonância magnética nesta coleção.

Com o paciente agora no furo do scanner, primeiro colete uma varredura anatômica de alta resolução. Em seguida, inicie uma sequência de pulso otimizada para DTI adquirindo uma imagem B0 - uma que não seja sensível à direção da difusão - bem como várias imagens ponderadas por difusão em 64 direções diferentes.

Quando a sequência estiver completa, escolte o paciente para fora do scanner e para uma sala experimental com um computador para realizar a próxima fase, uma tarefa de rede de atenção.

Explique as instruções da tarefa: Eles verão uma série de cinco setas na tela e devem se concentrar apenas na central. Para garantir respostas rápidas e precisas, peça-lhes que coloquem as mãos no teclado, com o dedo indicador esquerdo na tecla 'F' e o direito em 'J'.

Durante os testes em que a seta central está apontando para a esquerda, instrua-os a pressionar 'F'. Caso contrário, quando estiver voltado para a direita, pressione 'J'.

Permita que o paciente complete 100 tentativas: Lembre-se de que cada uma começa com uma cruz de fixação que permanece na tela por uma duração variável de 400 a 1600 ms, após a qual aparecem setas, e a central será incongruente ou congruente.

Observe que as setas permanecem na tela até que o paciente responda, ou por um máximo de 1700 ms se eles não pressionarem nenhuma das teclas. Observe também que cada tentativa termina com uma cruz de fixação que permanece visível por uma duração total de 4 s.

No final da tarefa de atenção, informe o paciente para concluir o estudo e compense-o por sua participação.

Depois que o scanner e os dados comportamentais forem obtidos, os arquivos de difusão brutos precisam primeiro ser convertidos em imagens tensoriais.

Para iniciar o pré-processamento, execute a correção de distorção para correntes parasitas, que geralmente ocorrem nos dados brutos como resultado da alteração do campo magnético durante a aquisição.

Para compensar o movimento, aplique uma transformação afim linear de corpo rígido, que registra cada uma das imagens de difusão direcional na referência B0.

Além disso, isole o cérebro do crânio e de outros tecidos não neurais para garantir que os tensores não sejam calculados para voxels fora do cérebro.

Agora, combine todas as 64 imagens direcionais para calcular o tensor de difusão em cada voxel e produza os valores de FA correspondentes em segundo plano.

Posteriormente, registre as imagens de difusão na varredura anatômica de alta resolução e, em seguida, em um espaço de atlas padrão para permitir a análise em nível de grupo.

Com o pré-processamento concluído, use um atlas de substância branca para identificar três ROIs: a coroa radiada anterior, o esplênio do corpo caloso e o fascículo longitudinal superior.

Por fim, registre a imagem anatômica de cada participante no atlas padrão e use-a para distorcer as máscaras ROI no espaço cerebral de cada participante.

Para representar graficamente os dados, compare os valores de FA extraídos por grupo, plotando cada ROI separadamente. Observe que os valores de FA foram significativamente menores no grupo TCE em todas as três ROIs, indicando danos generalizados à substância branca nesses pacientes.

Para incorporar os dados comportamentais, plote as diferenças nos tempos de reação entre ensaios incongruentes e congruentes em relação aos valores de FA para todos os indivíduos. Realize uma análise de correlação de Pearson nesses resultados gerais, novamente de forma independente para cada ROI.

Desta vez, apenas uma das regiões – a coroa radiada anterior – apresentou correlação significativa, no sentido negativo. Ou seja, altos valores de FA foram associados a tempos de reação rápidos, enquanto baixa anisotropia correspondeu a tempos de resposta mais longos. Essas descobertas sugerem uma ligação funcional entre a conexão da substância branca e o controle da atenção.

Agora que você está familiarizado com a forma de relacionar estrutura e função usando DTI e uma tarefa de controle de atenção, vamos ver como os pesquisadores estão usando abordagens semelhantes para estudar outras populações com conectividade comprometida ou como uma forma de protegê-la.

Embora o envelhecimento normal esteja associado ao declínio cognitivo, as mudanças não são necessariamente generalizadas. Em vez disso, eles parecem estar relacionados a funções específicas que correspondem à integridade da substância branca e valores reduzidos de FA, especialmente no córtex pré-frontal. Assim, a imagem de difusão pode ser usada como um método para a detecção precoce de alterações relacionadas à idade na função executiva.

Usando dados coletados pelo DTI, os pesquisadores podem usar uma técnica 3D chamada tractografia de fibras e reconstruir tratos de substância branca em todo o cérebro. Este procedimento de modelagem é útil em muitos domínios, incluindo neurocirurgia.

Se, por exemplo, os cirurgiões precisarem remover um tumor, eles podem planejar exatamente onde os tratos de substância branca estão próximos a estruturas críticas e evitar consequências prejudiciais.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à imagem de tensor de difusão. Agora você deve ter uma boa compreensão de como projetar e conduzir um experimento de DTI, bem como analisar e interpretar padrões de difusão específicos com implicações cognitivas relacionadas à lesão cerebral traumática.

Obrigado por assistir!