À l’aide de Diffusion Tensor Imaging dans le traumatisme crânien

Neuropsychology

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Overview

Source : Laboratoires de Jonas T. Kaplan et Sarah I. Gimbel — University of Southern California

Techniques d’imagerie cérébrale traditionnelle, à l’aide de MRI sont très bons à visualiser les structures bruts du cerveau. Une image de cerveau structurelle faite par l’IRM fournit un contraste élevé des frontières entre la matière grise et blanche et d’informations sur la taille et la forme des structures cérébrales. Cependant, ces images ne pas en détail la structure sous-jacente et l’intégrité des réseaux de matière blanche dans le cerveau, qui sont constitués de faisceaux d’axone qui interconnectent les régions cérébrales locales et éloignées.

Diffusion MRI utilise des séquences d’impulsions qui sont sensibles à la diffusion des molécules d’eau. En mesurant la direction de diffusion, il est possible de tirer des conclusions sur la structure des réseaux de la substance blanche du cerveau. Les molécules d’eau dans un axone sont limités dans leurs mouvements par la membrane cellulaire ; au lieu de passer au hasard dans toutes les directions avec une égale probabilité (mouvement isotrope), ils sont plus susceptibles de se déplacer dans certaines directions, en parallèle avec l’axone (mouvement anisotrope ; La figure 1). Par conséquent, des mesures de l’anisotropie de la diffusion sont censés reflètent les propriétés de la substance blanche tels que la densité de la fibre, l’épaisseur de l’axone et degré de myélinisation. Une mesure courante est fractionnaire anisotropie (FA). FA valeurs vont de 0, qui représente le mouvement complètement isotrope, à 1, ce qui reflète l’anisotropie maximale.

Figure 1
Figure 1 : Diffusion anisotropie. La direction de diffusion étant sans contrainte et aléatoire, mouvement est mesurée également dans toutes les directions. C’est isotrope diffusion (A). Lorsque les molécules d’eau sont contenus dans l’axone d’un neurone, la diffusion est anisotrope, tend à se produire plus fréquemment le long de la direction de l’axone (B). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Dans cette expérience, nous utiliserons tenseur de diffusion (DTI) d’imagerie pour mesurer l’intégrité de la substance blanche dans le traumatisme crânien (TCC). TBI se produit lorsqu’une force extérieure blesse le cerveau comme un coup porté à la tête ou un mouvement brusque comme le genre qui peut-être se produire dans un accident de voiture. Ce type de lésion cérébrale de forces mécaniques est associé aux blessures-lésions axonales diffuses de la substance blanche dans le cerveau. Parce que c’est une blessure qui affectent l’intégrité de la substance blanche, les techniques de neuroimagerie standard peuvent ne pas révéler les dégâts. Toutefois, les mesures de diffusion sont particulièrement sensibles à ces changements anatomiques. Suite à une étude par Kraus et al. 1, on compare un groupe de contrôles sains à un groupe de personnes avec TBI et utilisation diffusion d’imagerie afin de mesurer l’effet des TCC sur la substance blanche cérébrale. En outre, nous allons tester la relation entre l’intégrité de la substance blanche et la fonction cognitive utilisant une tâche de l’attention. 2 cette étude utilise une zone d’approche d’intérêt (ROI) en se concentrant sur trois parcelles de matière blanche : le splenium du corps calleux, l’antérieure corona radiata et le faisceau longitudinal supérieur (Figure 2).

Figure 2
Figure 2 : régions d’intérêt. La trois ROIs, définie dans l’atlas ICBM DTI-81, apparaissent ici en tranches horizontales à travers le cerveau. En vert est le splenium du corps calleux. Le splenium est la partie la plus postérieure du corps calleux. En bleu est l’antérieur corona radiata. Le faisceau longitudinal supérieur est indiqué en rouge. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. L'essentiel de la neuropsychologie. À l’aide de Diffusion Tensor Imaging dans le traumatisme crânien. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Procedure

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1. participant recrutement

  1. Recruter des 20 participants de TBI modérée à sévère et 20 témoins appariés selon l’âge. Tous les participants doivent être âgés de plus de 18.
    1. Les patients TBI devraient ont subi un traumatisme crânien fermé qui a eu lieu il y a au moins 6 mois. TBI est diagnostiquée en évaluant plusieurs facteurs comme les changements dans la conscience, perte de conscience et perte de mémoire à partir avant ou après l’accident. Pour être considéré comme modérée à sévère, le patient doit ont connu une période de perte de conscience qui était supérieure à 30 min et/ou obtenu un score de moins de 13 sur l’échelle de Coma de Glasgow.
    2. Contrôle les participants ne devront avoir aucun antécédent de troubles neurologiques ou psychologiques.
    3. Tous les participants n’ait pas de métal dans leur corps. Il s’agit d’une exigence de sécurité importante due au champ magnétique élevé impliqué en IRM.
    4. Tous les participants ne devraient pas souffrir de claustrophobie, étant donné que l’IRM nécessite se trouvant dans le petit espace du scanner alésage.
  2. L’analyse préalable des procédures
    1. Remplir la paperasse pré-scan.
    2. Lorsque les participants viennent pour leur examen par IRM, demandez-leur de première remplir un formulaire de grille métallique pour s’assurer qu’ils n’ont aucune contre-indications pour l’IRM, une forme de découvertes fortuites, donner son consentement pour leur analyse être regardé par un radiologue et un formulaire de consentement précisant les risques et les avantages de l’étude.
    3. Préparer les participants à aller dans le scanner, en supprimant tous les métaux de leur corps, y compris les ceintures, portefeuilles, téléphones, pinces à cheveux, pièces de monnaie et tous les bijoux.
  3. Préparation de scanner
    1. Donner les bouchons d’oreille participant pour protéger leurs oreilles contre le bruit des téléphones scanner et oreille de porter afin de pouvoir entendre l’expérimentateur pendant le balayage et demandez-leur de s’allonger sur le lit avec leur tête dans la bobine.
    2. Donner au participant la balle d’urgence squeeze et indiquez-lui à le presser en cas d’urgence pendant l’analyse.
    3. Utilisation des coussinets en mousse pour garantir aux participants la tête dans la bobine pour éviter le mouvement excessif lors de l’analyse et rappeler le participant qu’il est très important de rester aussi immobile que possible lors de l’analyse, comme même le flou des mouvements plus petit les images.
  4. Collecte de données
    1. Recueillir un balayage à haute résolution d’anatomique pondérées en T1. Cela sera utilisé pour enregistrer le cerveau du participant à l’espace atlas standard.
    2. Commencer la numérisation à l’aide d’une séquence d’impulsions optimisée pour DTI.
      1. Une image de B0 est acquise qui n’est pas sensible à la direction de la diffusion.
      2. Plusieurs images pondérées en diffusion sont acquis, chacun sensible à une direction différente de diffusion. Les indications plus acquises, plus finement nous serons en mesure de résoudre le tenseur de diffusion. Cependant, augmentation du nombre des directions augmente également le temps d’acquisition. Dans cette étude, nous ferons l’acquisition 64 différentes directions.
  5. Tâche de l’attention
    1. En dehors du scanner MRI, ont tous les participants effectuent une version de la tâche l’Attention du réseau (ANT)3 pour évaluer leur capacité d’attention sélective.
    2. Accueillir le participant devant un écran d’ordinateur et les instruire sur la façon de remplir la tâche.
      1. Expliquer qu’une série de flèches apparaît sur l’écran. Tâche du participant est de répondre seulement à la flèche au centre et d’ignorer les autres. Si la flèche centrale est orientée à gauche, ils seront la touche « F » avec leur main gauche. Si la flèche centrale est pointant vers la droite, ils seront sur la touche de « J » avec leur main droite. Ils devraient répondre aussi rapidement et aussi exactement que possible.
    3. Commencer la tâche.
      1. Pour chaque tirage, présenter une rangée de cinq flèches sur l’écran. Chaque flèche peut être orienté à gauche ou à droite. Congruent essais, toutes les flèches pointent dans la direction même. Essais incongrues, les axes de flèche dans la direction opposée de l’accompagnement flèches. Chaque essai commence par une fixation Croix qui reste à l’écran pour une durée variable entre 400 et 1600 m puis les stimuli flèche apparaissent et restent à l’écran jusqu'à ce que le participant répond, ou pour un maximum de 1700, Mme le procès se termine par une fixation Croix qui reste sur l’écran jusqu'à ce qu’un total de procès durée de 4 s a été atteint.
      2. Actuellement 100 essais, moitié avec objectifs principaux congruentes et moitié incongrues.
      3. Calculer la différence de temps de réaction entre objectifs principaux incongrues et congruents. En règle générale, les temps de réaction est plus lente en réponse aux objectifs incongrues. Ceux qui est plus distraits par les flèches de flanquement auront une plus grande différence dans le temps de réaction entre cibles incongrues et congruents. Cette mesure de contrôle attentionnel sera testée contre des mesures d’intégrité de la substance blanche.
  6. Procédures après expérience
    1. Debrief du participant.
    2. Payer le participant.
  7. Analyse des données
    1. Pré-traiter les données de diffusion.
      1. Inspecter visuellement les données pour s’assurer qu’il est exempt des artefacts.
      2. Effectuer la correction des courants de Foucault avec des logiciels spécialisés.
      3. Pour chaque sujet, enregistrez chaque image diffusion directionnelle à l’image de B0 en utilisant une transformation affine de corps rigide linéaire. Cette étape permet de compenser tout mouvement qui s’est produit de balayage à balayage.
      4. Retirer le crâne et autres tissus non brain à partir des images à l’aide d’un logiciel automatisé. Cela fera en sorte que nous ne calculent pas tenseurs de voxels qui sont en dehors du cerveau.
      5. Combiner entre les multiples images de direction pour calculer le tenseur de diffusion à chaque voxel. Il existe plusieurs logiciels librement disponibles pour le traitement des données DTI qui permettra de calculer ces valeurs.
      6. Calculer FA à chaque voxel, la proportion de grandeur tensorielle en raison de la diffusion anisotrope.
      7. Enregistrer les images de diffusion à l’image haute résolution de T1 anatomique, puis à l’espace atlas standard permettant l’analyse de groupe et niveau.
    2. Définir des zones d’intérêt (ROI).
      1. Obtenir les trois masques de retour sur investissement d’un atlas standard matière blanche. Ici, nous utilisons l’atlas de la substance blanche ICBM-DTI-81 créé par le Consortium International pour Brain Mapping (Figure 2).
      2. Enregistrer une image anatomique haute définition de chaque sujet particulier à l’atlas standard.
      3. Déformer les masques ROI dans l’espace de cerveau individuel de chaque participant en utilisant les inscriptions effectuées à l’étape précédente.
    3. Extraire des valeurs de FA pour chaque sujet de chacun de la trois ROIs.
    4. Comparer les valeurs de FA entre les deux groupes à l’aide de l’analyse de Variance (ANOVA).
    5. Calculer la corrélation de Pearson entre les scores de congruence des participants de la fourmi et les valeurs de la FA.

Diffusion Tensor Imaging — DTI — est une technique de résonance magnétique qui s’appuie sur la diffusion des molécules d’eau pour étudier l’intégrité des réseaux de la substance blanche — les faisceaux d’axones qui relient la substance grise corticale et sous-corticale — dans le cerveau.

Ces structures d’interconnexion peuvent être endommagés lorsqu’une force externe, comme un ballon de soccer, vient en contact avec la tête lors d’un match. Ces interactions répétitives peuvent conduire à des blessures plus graves, dénommé les lésions cérébrales traumatiques, TBI pour faire court.

Au fil du temps, les dommages subis par la substance blanche cérébrale sont souvent associée à des déficits dans la cognition, particulièrement dans le domaine attentionnel. Par exemple, un joueur avec TBI peut-être être plus distrait par un ventilateur dans les gradins et plus lent à réagir à l’équipe adverse.

Basé sur des travaux antérieurs effectué par Kraus et ses collègues, cette vidéo montre comment mesurer l’intégrité de la substance blanche avec DTI chez des patients par rapport aux individus sains contrôle TBI.

Nous examinerons également cognitive function en utilisant une tâche de l’attention sélective, expliquer comment analyser les données d’imagerie et interpréter la relation entre les valeurs de diffusion dans des régions définies d’intérêt et de contrôle attentionnel.

Dans cette expérience, deux groupes de participants — les patients diagnostiqués avec modéré à sévère TBI et contrôle des individus qui sont en bonne santé — sont analysés à l’aide d’un protocole DTI et ensuite testé sur une tâche de l’attention.

Tout d’abord, nous allons discuter de quelques principes qui sous-tendent la DTI : la technique est sensible à la diffusion des molécules d’eau, qui sont toujours en mouvement, pour la plupart en parallèle à l’énorme quantité de faisceaux axonale. Ce type de mouvement est appelé diffusion anisotrope.

Ainsi que le chemin d’écoulement de l’eau, la quantité de diffusion peut être mesurée pour calculer le tenseur — essentiellement illustré comme un ellipsoïde avec une direction. Cette valeur est quantifiable basée sur la longueur relative à sa largeur à l’aide d’une méthode appelée anisotropie fractionnaire, abrégé en FA.

Plus précisément, FA valeurs comprises entre 0 — mouvement isotrope ou égal — 1, qui reflète la plus grande quantité d’anisotropie.

La précision est maximale dans l’ensemble de tous les voxels en faisant l’acquisition des images de diffusion pendant une IRM dans de nombreuses directions différentes qui correspondent aux fluctuations du champ magnétique appliqué. Cet accroissement de la résolution se fait aux dépens de l’époque.

Sachant qu’une variable dépendante critique se compose de la FA des valeurs pour les trois régions d’intérêt, ou ROIs : l’antérieur corona radiata, le splenium du corps calleux et le faisceau longitudinal supérieur.

Par rapport aux contrôles normaux, les valeurs de la FA sont supposées être réduite chez les personnes atteintes de TBI, car leur matière blanche devrait être compromise d’une façon non localisée, résultant en moins anisotropie dans l’ensemble de tous les ROIs.

Toutefois, une région — l’anterior corona radiata — est associée aux connexions avec le cortex cingulaire antérieur, qui joue un rôle important dans le contrôle attentionnel.

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

Dans ce paradigme, les participants sont invités à se concentrer, tout d’abord vers une fixation Croix qui s’affiche pour une durée variable entre 400 et 1600 ms, suivi par deux différents types de flèches : un one et two accompagnement groupes centraux qui peuvent varier dans la direction, soulignent-ils.

Dans la moitié des essais, toutes les flèches pointent dans la direction même ; elles sont censées être en harmonie. Pour l’autre moitié, la flèche Centre montre le chemin opposé de celles adjacentes, et ces cas sont dénommé aussi incongrues. Les participants sont priés de catégoriser les flèches en faisant rapidement sur la touche associée dès que possible lors de chaque nouvelle série apparaît.

Ici, la différence de temps de réaction entre les types d’essais est calculée comme une autre variable dépendante. Les individus qui sont plus distraits par les flèches d’accompagnement devraient avoir un plus grand score différence, qui indique le mauvais contrôle attentionnel.

Cette mesure est donc prévue en corrélation négative avec les valeurs de la FA, plus précisément dans la région lié à la capacité attentionnelle — l’anterior corona radiata — et non les autres, montrant ainsi l’importance fonctionnelle des tracts particulière de matière blanche.

Avant l’expérience, recruter 20 patients adultes qui ont été diagnostiqués atteints de modérée à sévère TBI dans les 6 derniers mois et les témoins du même âge, qui n’ont pas d’antécédents de troubles neurologiques ou psychologiques.

Aux fins de cette démonstration, essai un patient qui est décrite comme ayant une perte de conscience pendant plus de 30 min ou une note de < 13 sur l’échelle de Coma de Glasgow.

Le jour de leur analyse, les accueillir et veiller à ne pas souffrir de claustrophobie ou avoir n’importe quel métal dans leur corps ; Demandez-leur aussi de remplir les formulaires de consentement nécessaire précisant les risques et les avantages de l’étude.

Après avoir obtenu le consentement, préparer le patient pour entrer dans la salle d’examen. Pour plus d’informations sur les procédures de pré-scan, s’il vous plaît se référer à un autre projet de MRI dans cette collection.

Avec le patient maintenant dans le scanneur, alésage, tout d’abord recueillir un scan haute résolution anatomique. Puis, lancer une séquence d’impulsions optimisée pour DTI par l’acquisition d’une image de0 B — qui n’est pas sensible à la direction de diffusion — ainsi que de multiples images pondérées en diffusion dans des directions différentes 64.

Lorsque la séquence est terminée, l’escorter hors du scanner et dans une salle d’expérience avec un ordinateur pour effectuer l’étape suivante, une tâche de réseau Attention.

Expliquer les instructions de la tâche : ils verront une série de cinq flèches sur l’écran et devrait se concentrer seulement sur le centre de l’un. Pour obtenir des réponses rapides et précises, ont eux placent leurs mains sur le clavier, avec leur avait gauche sur la touche « F » et celui de droite sur « J ».

Au cours des essais où la flèche Centre pointe gauche, indiquez-lui de presse « F ». Dans le cas contraire, lorsqu’il est orienté vers la droite, appuyez sur « J ».

Permettent au patient de remplir 100 essais : n’oubliez pas que chacun commence par une fixation Croix qui reste sur l’écran pour une durée variable de 400 à 1600 ms, après quoi les flèches apparaissent, et celui du centre sera incongrues ou congruentes.

Notez que les flèches restent à l’écran jusqu'à ce que le patient répond, ou pour un maximum de 1 700 ms si ils n’appuyez pas sur une touche. Aussi la remarque que chaque extrémités du procès avec une fixation croisent qui reste visible pour une durée totale du procès de 4 s.

À la fin de la tâche de l’attention, debrief du patient pour conclure l’étude et les dédommager pour leur participation.

Après que le scanner et les données comportementales ont été obtenues, les fichiers raw diffusion doivent d’abord être converti en images du tenseur.

Pour commencer le prétraitement, effectuez la correction de distorsion pour des courants de Foucault, qui se produisent généralement dans les données brutes en raison de l’évolution du champ magnétique lors de l’acquisition.

Afin de compenser le mouvement, appliquer une transformation affine linéaire de corps rigides, qui enregistre chaque image diffusion directionnelle à la référence de0 B.

En outre, isoler le cerveau du crâne et d’autres tissus non-neurale pour s’assurer que les tenseurs ne sont pas calculés pour les voxels en dehors du cerveau.

Maintenant, combiner tous les 64 images directionnels pour calculer le tenseur de diffusion à chaque voxel et sortie les valeurs correspondantes de la FA en arrière-plan.

Par la suite, enregistrer les images de diffusion à la numérisation haute résolution anatomique, puis à un espace atlas standard permettant l’analyse de groupe et niveau.

Avec prétraitement terminé, utilisez un atlas de matière blanche pour identifier les trois ROIs : l’anterior corona radiata, le splenium du corps calleux et le faisceau longitudinal supérieur.

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

Pour le graphique de données, comparer les valeurs extraites de la FA par groupe, traçant chaque ROI séparément. Notez que les valeurs de FA étaient significativement plus faibles dans le groupe TBI dans des ROIs tous les trois, indication d’endommagements généralisée de substance blanche chez les patients.

Pour incorporer les données comportementales, tracer les différences de temps de réaction entre essais incongrues et harmonies par rapport aux valeurs de FA pour tous les sujets. Effectuer une analyse de corrélation de Pearson sur ces résultats globaux, encore une fois de façon indépendante pour chaque ROI.

Cette fois, seulement une des régions — l’antérieur corona radiata — ont montré une corrélation significative, dans le sens négatif. Autrement dit, des valeurs élevées de FA sont associés avec des temps de réaction rapides, alors que faible anisotropie correspond au temps de réponse plus longs. Ces résultats suggèrent un lien fonctionnel entre reliant la substance blanche et contrôle attentionnel.

Maintenant que vous êtes familier avec la façon de faire le lien entre la structure et la fonction à l’aide de DTI et une tâche de contrôle attentionnel, regardons comment les chercheurs utilisent des approches similaires pour étudier d’autres populations avec connectivité compromise ou comme un moyen de le protéger.

Alors que le vieillissement normal est associé de déclin cognitif, les changements ne sont pas nécessairement très répandues. Au contraire, ils semblent être liés à des fonctions spécifiques qui correspondent à l’intégrité de la substance blanche et réduit les valeurs de FA, en particulier dans le cortex préfrontal. Ainsi, imagerie de diffusion pourrait être utilisé comme une méthode pour la détection précoce des changements liés à l’âge dans la fonction exécutive.

À l’aide de données recueillies par DTI, chercheurs peuvent utiliser une technique 3D appelée fibre tractography et reconstruire des étendues de matière blanche tout au long de l’ensemble du cerveau. Cette procédure de modélisation est utile dans de nombreux domaines, y compris de neurochirurgie.

Si, par exemple, les chirurgiens ont besoin enlever une tumeur, ils peuvent planifier exactement où les tracts de la substance blanche sont à proximité des structures critiques et éviter des conséquences néfastes.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE d’imagerie de tenseur de diffusion. Maintenant vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de concevoir et de mener une expérience DTI, ainsi que comment analyser et interpréter les schémas de diffusion spécifiques avec conséquences cognitives liées au traumatisme crânien.

Merci de regarder !

Results

Les valeurs de FA de la trois ROIs sont indiquées à la Figure 3. Anisotropie fractionnaire est significativement plus faible dans le groupe TBI dans des ROIs tous les trois, indiquant la présence de dommages généralisée de substance blanche chez ces individus. Cette perte non localisée de l’intégrité de la substance blanche est typique des TBI.

Figure 3
Figure 3 : réduit l’anisotropie dans les patients avec TBI et relation avec le contrôle attentionnel. (A) les valeurs de FA sont significativement plus faibles chez les patients TBI par rapport aux témoins sains dans tous les 3 ROIs. (B) FA dans l’antérieur de corona radiata est corrélée négativement avec effet de disproportion accrue dans la tâche de l’attention. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Notre mesure de contrôle attentionnel-réponse décalages temporels entre harmonie et incongrues cibles-corrélé négativement avec les valeurs de FA dans l’antérieur corona radiata (Figure 3). En d’autres termes, plus grandes différences dans les temps de réponse, indiquant le contrôle attentionnel plus pauvres, sont associés à une diminution FA. Ces résultats témoignent une relation entre l’intégrité de la substance blanche à cet endroit et de la performance sur cette tâche. Cette relation n’a pas été trouvée dans la deux autre ROIs. L’anterior corona radiata est associée de connexions avec le cortex cingulaire antérieur, une structure appelée à jouer un rôle important dans le contrôle attentionnel.

Applications and Summary

Parce que l’imagerie de diffusion peut révéler des différences dans la structure de la matière blanche qui ne sont souvent pas visibles avec l’imagerie traditionnelle de MRI, c’est un outil important pour comprendre la structure du cerveau et la fonction. Dans cette expérience, nous avons identifié un marqueur clinique pertinent pour traumatisme crânien qui peut être utilisé pour prédire les conséquences comportementales d’une telle blessure. DTI a été particulièrement utile dans l’étude du développement du cerveau, comme les changements dans la structure de la matière blanche sont retrouvent tout au long de la durée de vie de la petite enfance à l’âge adulte fin. Par exemple, vieillissement chez les aînés est associée à une diminution dans l’anisotropie fractionnaire.

Plus sophistiqué d’analyse d’images de diffusion permet la reconstruction et le traçage des tracts de la fibre dans le cerveau, un processus appelé tractography. Tractography utilise les informations directionnelles de voxels contigus pour retracer les faisceaux de fibres spécifiques qu’ils parcourent à travers le cerveau et peuvent aider à construire des modèles des interconnexions entre les structures cérébrales différentes. Cette technique peut être utilisée pour étudier les liens entre les régions du cerveau individuel d’intérêt, ou alternativement, pour analyser l’ensemble connectome ou complexe réseau structure, du cerveau.

References

  1. Kraus, M.F., et al. White matter integrity and cognition in chronic traumatic brain injury: a diffusion tensor imaging study. Brain. 130, 2508-2519 (2007).
  2. Niogi, S.N., et al. Structural dissociation of attentional control and memory in adults with and without mild traumatic brain injury. Brain. 131, 3209-3221 (2008).
  3. Fan, J., McCandliss, B.D., Sommer, T., Raz, A., & Posner, M.I. Testing the efficiency and independence of attentional networks. J Cogn Neurosci. 14, 340-347 (2002).
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1. participant recrutement

  1. Recruter des 20 participants de TBI modérée à sévère et 20 témoins appariés selon l’âge. Tous les participants doivent être âgés de plus de 18.
    1. Les patients TBI devraient ont subi un traumatisme crânien fermé qui a eu lieu il y a au moins 6 mois. TBI est diagnostiquée en évaluant plusieurs facteurs comme les changements dans la conscience, perte de conscience et perte de mémoire à partir avant ou après l’accident. Pour être considéré comme modérée à sévère, le patient doit ont connu une période de perte de conscience qui était supérieure à 30 min et/ou obtenu un score de moins de 13 sur l’échelle de Coma de Glasgow.
    2. Contrôle les participants ne devront avoir aucun antécédent de troubles neurologiques ou psychologiques.
    3. Tous les participants n’ait pas de métal dans leur corps. Il s’agit d’une exigence de sécurité importante due au champ magnétique élevé impliqué en IRM.
    4. Tous les participants ne devraient pas souffrir de claustrophobie, étant donné que l’IRM nécessite se trouvant dans le petit espace du scanner alésage.
  2. L’analyse préalable des procédures
    1. Remplir la paperasse pré-scan.
    2. Lorsque les participants viennent pour leur examen par IRM, demandez-leur de première remplir un formulaire de grille métallique pour s’assurer qu’ils n’ont aucune contre-indications pour l’IRM, une forme de découvertes fortuites, donner son consentement pour leur analyse être regardé par un radiologue et un formulaire de consentement précisant les risques et les avantages de l’étude.
    3. Préparer les participants à aller dans le scanner, en supprimant tous les métaux de leur corps, y compris les ceintures, portefeuilles, téléphones, pinces à cheveux, pièces de monnaie et tous les bijoux.
  3. Préparation de scanner
    1. Donner les bouchons d’oreille participant pour protéger leurs oreilles contre le bruit des téléphones scanner et oreille de porter afin de pouvoir entendre l’expérimentateur pendant le balayage et demandez-leur de s’allonger sur le lit avec leur tête dans la bobine.
    2. Donner au participant la balle d’urgence squeeze et indiquez-lui à le presser en cas d’urgence pendant l’analyse.
    3. Utilisation des coussinets en mousse pour garantir aux participants la tête dans la bobine pour éviter le mouvement excessif lors de l’analyse et rappeler le participant qu’il est très important de rester aussi immobile que possible lors de l’analyse, comme même le flou des mouvements plus petit les images.
  4. Collecte de données
    1. Recueillir un balayage à haute résolution d’anatomique pondérées en T1. Cela sera utilisé pour enregistrer le cerveau du participant à l’espace atlas standard.
    2. Commencer la numérisation à l’aide d’une séquence d’impulsions optimisée pour DTI.
      1. Une image de B0 est acquise qui n’est pas sensible à la direction de la diffusion.
      2. Plusieurs images pondérées en diffusion sont acquis, chacun sensible à une direction différente de diffusion. Les indications plus acquises, plus finement nous serons en mesure de résoudre le tenseur de diffusion. Cependant, augmentation du nombre des directions augmente également le temps d’acquisition. Dans cette étude, nous ferons l’acquisition 64 différentes directions.
  5. Tâche de l’attention
    1. En dehors du scanner MRI, ont tous les participants effectuent une version de la tâche l’Attention du réseau (ANT)3 pour évaluer leur capacité d’attention sélective.
    2. Accueillir le participant devant un écran d’ordinateur et les instruire sur la façon de remplir la tâche.
      1. Expliquer qu’une série de flèches apparaît sur l’écran. Tâche du participant est de répondre seulement à la flèche au centre et d’ignorer les autres. Si la flèche centrale est orientée à gauche, ils seront la touche « F » avec leur main gauche. Si la flèche centrale est pointant vers la droite, ils seront sur la touche de « J » avec leur main droite. Ils devraient répondre aussi rapidement et aussi exactement que possible.
    3. Commencer la tâche.
      1. Pour chaque tirage, présenter une rangée de cinq flèches sur l’écran. Chaque flèche peut être orienté à gauche ou à droite. Congruent essais, toutes les flèches pointent dans la direction même. Essais incongrues, les axes de flèche dans la direction opposée de l’accompagnement flèches. Chaque essai commence par une fixation Croix qui reste à l’écran pour une durée variable entre 400 et 1600 m puis les stimuli flèche apparaissent et restent à l’écran jusqu'à ce que le participant répond, ou pour un maximum de 1700, Mme le procès se termine par une fixation Croix qui reste sur l’écran jusqu'à ce qu’un total de procès durée de 4 s a été atteint.
      2. Actuellement 100 essais, moitié avec objectifs principaux congruentes et moitié incongrues.
      3. Calculer la différence de temps de réaction entre objectifs principaux incongrues et congruents. En règle générale, les temps de réaction est plus lente en réponse aux objectifs incongrues. Ceux qui est plus distraits par les flèches de flanquement auront une plus grande différence dans le temps de réaction entre cibles incongrues et congruents. Cette mesure de contrôle attentionnel sera testée contre des mesures d’intégrité de la substance blanche.
  6. Procédures après expérience
    1. Debrief du participant.
    2. Payer le participant.
  7. Analyse des données
    1. Pré-traiter les données de diffusion.
      1. Inspecter visuellement les données pour s’assurer qu’il est exempt des artefacts.
      2. Effectuer la correction des courants de Foucault avec des logiciels spécialisés.
      3. Pour chaque sujet, enregistrez chaque image diffusion directionnelle à l’image de B0 en utilisant une transformation affine de corps rigide linéaire. Cette étape permet de compenser tout mouvement qui s’est produit de balayage à balayage.
      4. Retirer le crâne et autres tissus non brain à partir des images à l’aide d’un logiciel automatisé. Cela fera en sorte que nous ne calculent pas tenseurs de voxels qui sont en dehors du cerveau.
      5. Combiner entre les multiples images de direction pour calculer le tenseur de diffusion à chaque voxel. Il existe plusieurs logiciels librement disponibles pour le traitement des données DTI qui permettra de calculer ces valeurs.
      6. Calculer FA à chaque voxel, la proportion de grandeur tensorielle en raison de la diffusion anisotrope.
      7. Enregistrer les images de diffusion à l’image haute résolution de T1 anatomique, puis à l’espace atlas standard permettant l’analyse de groupe et niveau.
    2. Définir des zones d’intérêt (ROI).
      1. Obtenir les trois masques de retour sur investissement d’un atlas standard matière blanche. Ici, nous utilisons l’atlas de la substance blanche ICBM-DTI-81 créé par le Consortium International pour Brain Mapping (Figure 2).
      2. Enregistrer une image anatomique haute définition de chaque sujet particulier à l’atlas standard.
      3. Déformer les masques ROI dans l’espace de cerveau individuel de chaque participant en utilisant les inscriptions effectuées à l’étape précédente.
    3. Extraire des valeurs de FA pour chaque sujet de chacun de la trois ROIs.
    4. Comparer les valeurs de FA entre les deux groupes à l’aide de l’analyse de Variance (ANOVA).
    5. Calculer la corrélation de Pearson entre les scores de congruence des participants de la fourmi et les valeurs de la FA.

Diffusion Tensor Imaging — DTI — est une technique de résonance magnétique qui s’appuie sur la diffusion des molécules d’eau pour étudier l’intégrité des réseaux de la substance blanche — les faisceaux d’axones qui relient la substance grise corticale et sous-corticale — dans le cerveau.

Ces structures d’interconnexion peuvent être endommagés lorsqu’une force externe, comme un ballon de soccer, vient en contact avec la tête lors d’un match. Ces interactions répétitives peuvent conduire à des blessures plus graves, dénommé les lésions cérébrales traumatiques, TBI pour faire court.

Au fil du temps, les dommages subis par la substance blanche cérébrale sont souvent associée à des déficits dans la cognition, particulièrement dans le domaine attentionnel. Par exemple, un joueur avec TBI peut-être être plus distrait par un ventilateur dans les gradins et plus lent à réagir à l’équipe adverse.

Basé sur des travaux antérieurs effectué par Kraus et ses collègues, cette vidéo montre comment mesurer l’intégrité de la substance blanche avec DTI chez des patients par rapport aux individus sains contrôle TBI.

Nous examinerons également cognitive function en utilisant une tâche de l’attention sélective, expliquer comment analyser les données d’imagerie et interpréter la relation entre les valeurs de diffusion dans des régions définies d’intérêt et de contrôle attentionnel.

Dans cette expérience, deux groupes de participants — les patients diagnostiqués avec modéré à sévère TBI et contrôle des individus qui sont en bonne santé — sont analysés à l’aide d’un protocole DTI et ensuite testé sur une tâche de l’attention.

Tout d’abord, nous allons discuter de quelques principes qui sous-tendent la DTI : la technique est sensible à la diffusion des molécules d’eau, qui sont toujours en mouvement, pour la plupart en parallèle à l’énorme quantité de faisceaux axonale. Ce type de mouvement est appelé diffusion anisotrope.

Ainsi que le chemin d’écoulement de l’eau, la quantité de diffusion peut être mesurée pour calculer le tenseur — essentiellement illustré comme un ellipsoïde avec une direction. Cette valeur est quantifiable basée sur la longueur relative à sa largeur à l’aide d’une méthode appelée anisotropie fractionnaire, abrégé en FA.

Plus précisément, FA valeurs comprises entre 0 — mouvement isotrope ou égal — 1, qui reflète la plus grande quantité d’anisotropie.

La précision est maximale dans l’ensemble de tous les voxels en faisant l’acquisition des images de diffusion pendant une IRM dans de nombreuses directions différentes qui correspondent aux fluctuations du champ magnétique appliqué. Cet accroissement de la résolution se fait aux dépens de l’époque.

Sachant qu’une variable dépendante critique se compose de la FA des valeurs pour les trois régions d’intérêt, ou ROIs : l’antérieur corona radiata, le splenium du corps calleux et le faisceau longitudinal supérieur.

Par rapport aux contrôles normaux, les valeurs de la FA sont supposées être réduite chez les personnes atteintes de TBI, car leur matière blanche devrait être compromise d’une façon non localisée, résultant en moins anisotropie dans l’ensemble de tous les ROIs.

Toutefois, une région — l’anterior corona radiata — est associée aux connexions avec le cortex cingulaire antérieur, qui joue un rôle important dans le contrôle attentionnel.

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

Dans ce paradigme, les participants sont invités à se concentrer, tout d’abord vers une fixation Croix qui s’affiche pour une durée variable entre 400 et 1600 ms, suivi par deux différents types de flèches : un one et two accompagnement groupes centraux qui peuvent varier dans la direction, soulignent-ils.

Dans la moitié des essais, toutes les flèches pointent dans la direction même ; elles sont censées être en harmonie. Pour l’autre moitié, la flèche Centre montre le chemin opposé de celles adjacentes, et ces cas sont dénommé aussi incongrues. Les participants sont priés de catégoriser les flèches en faisant rapidement sur la touche associée dès que possible lors de chaque nouvelle série apparaît.

Ici, la différence de temps de réaction entre les types d’essais est calculée comme une autre variable dépendante. Les individus qui sont plus distraits par les flèches d’accompagnement devraient avoir un plus grand score différence, qui indique le mauvais contrôle attentionnel.

Cette mesure est donc prévue en corrélation négative avec les valeurs de la FA, plus précisément dans la région lié à la capacité attentionnelle — l’anterior corona radiata — et non les autres, montrant ainsi l’importance fonctionnelle des tracts particulière de matière blanche.

Avant l’expérience, recruter 20 patients adultes qui ont été diagnostiqués atteints de modérée à sévère TBI dans les 6 derniers mois et les témoins du même âge, qui n’ont pas d’antécédents de troubles neurologiques ou psychologiques.

Aux fins de cette démonstration, essai un patient qui est décrite comme ayant une perte de conscience pendant plus de 30 min ou une note de < 13 sur l’échelle de Coma de Glasgow.

Le jour de leur analyse, les accueillir et veiller à ne pas souffrir de claustrophobie ou avoir n’importe quel métal dans leur corps ; Demandez-leur aussi de remplir les formulaires de consentement nécessaire précisant les risques et les avantages de l’étude.

Après avoir obtenu le consentement, préparer le patient pour entrer dans la salle d’examen. Pour plus d’informations sur les procédures de pré-scan, s’il vous plaît se référer à un autre projet de MRI dans cette collection.

Avec le patient maintenant dans le scanneur, alésage, tout d’abord recueillir un scan haute résolution anatomique. Puis, lancer une séquence d’impulsions optimisée pour DTI par l’acquisition d’une image de0 B — qui n’est pas sensible à la direction de diffusion — ainsi que de multiples images pondérées en diffusion dans des directions différentes 64.

Lorsque la séquence est terminée, l’escorter hors du scanner et dans une salle d’expérience avec un ordinateur pour effectuer l’étape suivante, une tâche de réseau Attention.

Expliquer les instructions de la tâche : ils verront une série de cinq flèches sur l’écran et devrait se concentrer seulement sur le centre de l’un. Pour obtenir des réponses rapides et précises, ont eux placent leurs mains sur le clavier, avec leur avait gauche sur la touche « F » et celui de droite sur « J ».

Au cours des essais où la flèche Centre pointe gauche, indiquez-lui de presse « F ». Dans le cas contraire, lorsqu’il est orienté vers la droite, appuyez sur « J ».

Permettent au patient de remplir 100 essais : n’oubliez pas que chacun commence par une fixation Croix qui reste sur l’écran pour une durée variable de 400 à 1600 ms, après quoi les flèches apparaissent, et celui du centre sera incongrues ou congruentes.

Notez que les flèches restent à l’écran jusqu'à ce que le patient répond, ou pour un maximum de 1 700 ms si ils n’appuyez pas sur une touche. Aussi la remarque que chaque extrémités du procès avec une fixation croisent qui reste visible pour une durée totale du procès de 4 s.

À la fin de la tâche de l’attention, debrief du patient pour conclure l’étude et les dédommager pour leur participation.

Après que le scanner et les données comportementales ont été obtenues, les fichiers raw diffusion doivent d’abord être converti en images du tenseur.

Pour commencer le prétraitement, effectuez la correction de distorsion pour des courants de Foucault, qui se produisent généralement dans les données brutes en raison de l’évolution du champ magnétique lors de l’acquisition.

Afin de compenser le mouvement, appliquer une transformation affine linéaire de corps rigides, qui enregistre chaque image diffusion directionnelle à la référence de0 B.

En outre, isoler le cerveau du crâne et d’autres tissus non-neurale pour s’assurer que les tenseurs ne sont pas calculés pour les voxels en dehors du cerveau.

Maintenant, combiner tous les 64 images directionnels pour calculer le tenseur de diffusion à chaque voxel et sortie les valeurs correspondantes de la FA en arrière-plan.

Par la suite, enregistrer les images de diffusion à la numérisation haute résolution anatomique, puis à un espace atlas standard permettant l’analyse de groupe et niveau.

Avec prétraitement terminé, utilisez un atlas de matière blanche pour identifier les trois ROIs : l’anterior corona radiata, le splenium du corps calleux et le faisceau longitudinal supérieur.

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

Pour le graphique de données, comparer les valeurs extraites de la FA par groupe, traçant chaque ROI séparément. Notez que les valeurs de FA étaient significativement plus faibles dans le groupe TBI dans des ROIs tous les trois, indication d’endommagements généralisée de substance blanche chez les patients.

Pour incorporer les données comportementales, tracer les différences de temps de réaction entre essais incongrues et harmonies par rapport aux valeurs de FA pour tous les sujets. Effectuer une analyse de corrélation de Pearson sur ces résultats globaux, encore une fois de façon indépendante pour chaque ROI.

Cette fois, seulement une des régions — l’antérieur corona radiata — ont montré une corrélation significative, dans le sens négatif. Autrement dit, des valeurs élevées de FA sont associés avec des temps de réaction rapides, alors que faible anisotropie correspond au temps de réponse plus longs. Ces résultats suggèrent un lien fonctionnel entre reliant la substance blanche et contrôle attentionnel.

Maintenant que vous êtes familier avec la façon de faire le lien entre la structure et la fonction à l’aide de DTI et une tâche de contrôle attentionnel, regardons comment les chercheurs utilisent des approches similaires pour étudier d’autres populations avec connectivité compromise ou comme un moyen de le protéger.

Alors que le vieillissement normal est associé de déclin cognitif, les changements ne sont pas nécessairement très répandues. Au contraire, ils semblent être liés à des fonctions spécifiques qui correspondent à l’intégrité de la substance blanche et réduit les valeurs de FA, en particulier dans le cortex préfrontal. Ainsi, imagerie de diffusion pourrait être utilisé comme une méthode pour la détection précoce des changements liés à l’âge dans la fonction exécutive.

À l’aide de données recueillies par DTI, chercheurs peuvent utiliser une technique 3D appelée fibre tractography et reconstruire des étendues de matière blanche tout au long de l’ensemble du cerveau. Cette procédure de modélisation est utile dans de nombreux domaines, y compris de neurochirurgie.

Si, par exemple, les chirurgiens ont besoin enlever une tumeur, ils peuvent planifier exactement où les tracts de la substance blanche sont à proximité des structures critiques et éviter des conséquences néfastes.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE d’imagerie de tenseur de diffusion. Maintenant vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de concevoir et de mener une expérience DTI, ainsi que comment analyser et interpréter les schémas de diffusion spécifiques avec conséquences cognitives liées au traumatisme crânien.

Merci de regarder !

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