Utilizando imágenes de Tensor de difusión en la lesión cerebral traumática

Neuropsychology

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Overview

Fuente: Laboratorios de Jonas T. Kaplan y Sarah I. Gimbel, University of Southern California

Técnicas de imagen tradicional del cerebro usando MRI son muy buenas para visualizar las estructuras brutas del cerebro. Una imagen estructural cerebral con RM proporciona alto contraste de las fronteras entre materia gris y blanca y la información sobre el tamaño y la forma de las estructuras del cerebro. Sin embargo, estas imágenes no detalle la estructura y la integridad de las redes de la materia blanca en el cerebro, que consisten en paquetes de axones que interconectan las regiones locales y distantes del cerebro subyacente.

Difusión MRI utiliza secuencias del pulso que son sensibles a la difusión de las moléculas de agua. Midiendo la dirección de difusión, es posible hacer inferencias sobre la estructura de las redes de la materia blanca del cerebro. Las moléculas de agua dentro de un axón están limitadas en sus movimientos por la membrana celular; en lugar al azar en todas direcciones con igual probabilidad (movimiento isotrópico), son más propensos a moverse en ciertas direcciones, en paralelo con el axón (movimiento anisotrópico; Figura 1). Por lo tanto, las medidas de anisotropía de difusión se cree que reflejan propiedades de la materia blanca como densidad de la fibra, grosor del axón y grado de mielinización. Una medida común es la anisotropía fraccional (FA). FA valores van desde 0, que representa movimiento totalmente isotrópico, a 1, lo que refleja la máxima anisotropía.

Figure 1
Figura 1: anisotropía de difusión. Cuando la dirección de difusión es al azar y sin restricciones, movimiento se mide en todas las direcciones igualmente. Esto es isotrópico difusión (A). Cuando las moléculas de agua están contenidas en el axón de una neurona, es difusión anisotrópica, tendientes a ocurrir más con frecuencia a lo largo de la dirección del axon (B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

En este experimento utilizaremos el tensor de difusión (DTI) para medir la integridad de la materia blanca en lesión de cerebro traumática (TBI). TCE se produce cuando una fuerza externa lesiones del cerebro, como un golpe en la cabeza o un movimiento brusco como la clase que puede ocurrir en un accidente de coche. Este tipo de lesión de cerebro de las fuerzas mecánicas se asocia con lesiones-daño axonal difuso a sustancia blanca a través del cerebro. Porque es una lesión que afecta a la integridad de la materia blanca, neuroimágenes estándar no pueden revelar el daño. Sin embargo, las medidas de difusión son especialmente sensibles a estos cambios anatómicos. Tras un estudio por Kraus et al. 1, se compara un grupo de controles sanos a un grupo de personas con TBI y proyección de imagen de difusión de uso para medir el efecto de la LCT en materia blanca cerebral. Además, ponemos a prueba la relación entre la integridad de la materia blanca y la función cognitiva mediante una tarea de atención. 2 este estudio utiliza una zona de enfoque de interés (ROI) en tres tractos de materia blanca: el splenium del cuerpo calloso, el radiata de la corona anterior y el fascículo longitudinal superior (figura 2).

Figure 2
Figura 2: regiones de interés. Los tres Reyes, definidos del atlas ICBM DTI-81, se muestran aquí en rodajas horizontales a través del cerebro. En verde es el splenium del callosum de la recopilación. El splenium es la parte más posterior del cuerpo calloso. En azul es el anterior de corona radiata. El fascículo longitudinal superior se muestra en rojo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Fundamentos de la neuropsicología. Utilizando imágenes de Tensor de difusión en la lesión cerebral traumática. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Procedure

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1. participante reclutamiento

  1. Reclutar a 20 pacientes con TBI moderada a severa y 20 controles de edad comparable. Todos los participantes deben ser mayores de 18 años.
    1. Pacientes TBI deben han experimentado un traumatismo craneoencefálico cerrado que ocurrió hace al menos 6 meses. TBI se diagnostica mediante la evaluación de varios factores tales como cambios en la conciencia, pérdida de la conciencia y pérdida de la memoria de antes o después del accidente. Para ser clasificado como moderado a severo, el paciente debe han experimentado un período de pérdida de conciencia que era mayor de 30 minutos, y obtuvo una puntuación de menos de 13 en la escala de Coma de Glasgow.
    2. Participantes de control si no tienen antecedentes de trastornos neurológicos o psicológicos.
    3. Todos los participantes no deben tener metal en su cuerpo. Se trata de un requisito de seguridad debido al alto campo magnético en MRI.
    4. Todos los participantes no sufren de claustrofobia, ya que la RM requiere tumbado en el pequeño espacio del escáner del alesaje.
  2. Procedimientos de pre-análisis
    1. Llenar papeleo de exploración previa.
    2. Cuando los participantes presenta para su exploración de MRI, ellos tienen primero llene una forma metálica para asegurarse de que tienen no hay contraindicaciones para la RM, una forma de resultados fortuitos, dar su consentimiento para su exploración a ser analizado por un radiólogo y un formulario de consentimiento que detalla los riesgos y beneficios del estudio.
    3. Preparar a los participantes a ir en el explorador al quitar todo el metal de su cuerpo, incluyendo cinturones, carteras, teléfonos, hebillas, monedas y todas las joyas.
  3. Preparación del escáner
    1. Dar al participante tapones para proteger sus oídos del ruido de los teléfonos escáner y oído usar para que puedan escuchar al experimentador durante la exploración y tenerlas tumbadas en la cama con su cabeza en la bobina.
    2. Dar al participante la bola del apretón emergencia e instruirlos para apretar en caso de emergencia durante la exploración.
    3. Use almohadillas de espuma para garantizar a los participantes la cabeza en la bobina para evitar exceso de movimiento durante la exploración y recordar al participante que es muy importante que permanezca todavía como posible durante la exploración, como incluso el más pequeño desenfoque de movimientos las imágenes.
  4. Recolección de datos
    1. Recoger una alta resolución exploración anatómica de T1-weighted. Esto se utilizará para el registro de cerebro de los participantes al espacio estándar atlas.
    2. Iniciar el análisis mediante una secuencia de pulso optimizada para DTI.
      1. Una imagen de B0 se adquiere que no es sensible a la dirección de difusión.
      2. Múltiples imágenes difusión-cargadas son adquiridas, cada uno sensible a una dirección diferente de la difusión. Las direcciones más adquiridas, más finamente, podremos resolver el tensor de la difusión. Sin embargo, aumentando el número de direcciones también aumenta el tiempo de la adquisición. En este estudio, adquirimos 64 direcciones diferentes.
  5. Tarea de atención
    1. Fuera de resonancia, tienen todos los participantes realizar una versión de atención red tarea (ANT)3 para evaluar su capacidad de atención selectiva.
    2. Asiento del participante frente a una pantalla de ordenador e instruirlos sobre cómo completar la tarea.
      1. Explicar que una serie de flechas aparecerá en la pantalla. La tarea del participante es responder sólo a la flecha en el centro y a ignorar a los demás. Si la flecha central es hacia izquierda, presionará la tecla 'F' con su mano izquierda. Si la flecha central se señala a la derecha, presionará la tecla 'J' con su mano derecha. Debe responder tan rápidamente y tan exactamente como sea posible.
    3. Comenzar la tarea.
      1. En cada ensayo, presentar una fila de cinco flechas en la pantalla. Cada flecha puede ser hacia izquierda o derecha. En ensayos congruentes, todas las flechas apuntan en la misma dirección. En los ensayos incongruentes, los puntos centrales de la flecha en la dirección opuesta de las flechas laterales. Cada ensayo comienza con una fijación transversal que queda en la pantalla para una duración variable entre 400 y 1600 la Sra. entonces los estímulos flecha aparecerán y permanecen en la pantalla hasta que el participante responde, o hasta un máximo de 1700 Sra. el juicio concluye con una fijación cruzada que permanece en la pantalla hasta un total de prueba duración del 4s se ha alcanzado.
      2. Actualmente de 100 ensayos, mitad con objetivos congruentes y media metas incongruentes.
      3. Calcular la diferencia de tiempo de reacción entre objetivos incongruentes y objetivos congruentes. Por lo general, tiempo de reacción es más lento en respuesta a los objetivos incongruentes. Personas que son más distraídas por las flechas de acompañamiento tendrá una mayor diferencia en tiempo de reacción entre los objetivos incongruentes y congruentes. Esta medida de control atencional se probará contra las medidas de integridad de la materia blanca.
  6. Post-experimento procedimientos
    1. Debrief el participante.
    2. Pagar al participante.
  7. Análisis de datos
    1. Procesamiento previo de los datos de difusión.
      1. Inspeccione visualmente los datos para asegurarse de que está libre de artefactos.
      2. Realizar la corrección de la corriente de Foucault con software especializado.
      3. Para cada tema, registrar cada uno de las imágenes de difusión direccional a la imagen de B0 utilizando una transformación afín lineal de cuerpo rígido. Este paso se compensa cualquier movimiento que se produjo de a exploración.
      4. Retire el cráneo y otros tejidos no cerebrales las imágenes utilizando el software automatizado. Esto asegurará que no calculamos tensores de vóxeles que están fuera del cerebro.
      5. Combinar entre las múltiples imágenes de dirección para calcular el tensor de la difusión en cada voxel. Hay varios paquetes de software disponibles gratuitamente para el procesamiento de datos DTI que calcula estos valores.
      6. Calcular FA en cada voxel, la proporción de magnitud tensorial debido a difusión anisotrópica.
      7. Registro de las imágenes de difusión a la imagen de T1 alta resolución anatómica y luego al espacio atlas estándar para permitir el análisis a nivel de grupo.
    2. Definir regiones de interés (ROI).
      1. Obtener las tres máscaras ROI de un atlas estándar de la materia blanca. Aquí, utilizamos el atlas de la materia blanca de ICBM-DTI-81 creado por el consorcio internacional para mapeo cerebral (figura 2).
      2. Registro de imagen anatómica de alta resolución de cada sujeto individual al atlas estándar.
      3. Deformar las máscaras ROI en el espacio de cada cerebro de cada participante utilizando los registros realizados en el paso anterior.
    3. Extraer valores de FA para cada tema de cada uno de los tres ROIs.
    4. Comparar los valores de FA entre los dos grupos utilizando análisis de varianza (ANOVA).
    5. Calcular la correlación de Pearson entre puntajes de congruencia de los participantes de la hormiga y los valores de FA.

Diffusion Tensor Imaging, DTI, es una técnica de resonancia magnética que se basa en la difusión de las moléculas de agua para el estudio de la integridad de las redes de la materia blanca, los paquetes de axones que conectan la materia gris cortical y subcortical, en el cerebro.

Estas estructuras de interconexión pueden ser dañadas cuando una fuerza externa, como un balón de fútbol, entra en contacto con la cabeza durante un partido. Tales interacciones repetitivas pueden conducir a lesiones más graves, denominada lesión de cerebro traumática, TBI para el cortocircuito.

Con el tiempo, el daño a la materia blanca cerebral a menudo se asocia con déficits en la cognición, particularmente en el dominio atencional. Por ejemplo, un jugador con TBI puede ser más distraído por un aficionado en las gradas y más lento reaccionar al equipo contrario.

Basado en el trabajo anterior realizado por Kraus y sus colegas, este video muestra cómo medir la integridad de la materia blanca con DTI en pacientes con TBI en comparación con personas sanas de control.

También examinamos cognitivo la función usando una tarea de atención selectiva, se explica cómo analizar los datos de imágenes e interpretar la relación entre valores de difusión en regiones definidas de interés y control atencional.

En este experimento, dos grupos de participantes: pacientes diagnosticados de moderada a severa TBI y control de individuos sanos, se analizan utilizando un protocolo DTI y entonces probado en una tarea de atención.

En primer lugar, vamos a discutir algunos principios de la DTI: la técnica es sensible a la difusión de las moléculas de agua, que están siempre en movimiento, sobre todo en paralelo a la gran cantidad de paquetes axonales. Este tipo de movimiento se conoce como difusión anisotrópica.

Junto con la trayectoria del flujo de agua, puede medirse la cantidad de difusión para computar el tensor — esencialmente ilustra como un elipsoide con una dirección. Se cuantifica este valor basado en la longitud relativa a su anchura utilizando un método llamado anisotropía fraccionaria, abreviado como FA.

Más concretamente, valores de FA pueden variar desde 0 — movimiento isotrópico, o igual, a 1, que refleja la mayor cantidad de anisotropía.

La precisión se maximiza a través de todos los vóxeles con la adquisición de imágenes de difusión durante una exploración de MRI en muchas direcciones distintas que corresponden a los cambios en el campo magnético aplicado. Esta mayor resolución se produce a expensas de tiempo.

Sabiendo que, una variable dependiente de la crítica consiste en la FA valores para tres regiones de interés, o ROI: el anterior de corona radiata, el Esplenio del cuerpo calloso y el fascículo longitudinal superior.

En comparación con controles normales, los valores de FA deben reducirse en individuos con TBI, como su materia blanca debe estar comprometida de manera no localizada, dando por resultado menos anisotropía en ROIs todos.

Sin embargo, una región — el anterior de corona radiata — está asociado con las conexiones a la corteza cingulada anterior, que desempeña un papel importante en el control atencional.

Para profundizar en esta relación funcional entre el comportamiento y la integridad de la materia blanca, todos los participantes son probados en la tarea de la red de atención desarrollado por Fan y sus colegas.

En este paradigma, se piden a los participantes a enfocar su atención primero hacia una fijación transversal que aparece para una duración variable entre 400 y 1600 ms, seguido por dos tipos de flechas: una central y dos que flanquean grupos que pueden variar en la dirección que.

En la mitad de los ensayos, todas las flechas apuntan en la misma dirección; Estos son considerados como congruente. Para la otra mitad, la flecha del centro señala la manera opuesta de los flancos, y estos casos se conocen como incongruente. Los participantes se les pide para categorizar las flechas haciendo pulsación de las teclas asociadas tan rápidamente como sea posible cuando aparezca cada nuevo conjunto.

Aquí, la diferencia de tiempos de reacción entre tipos de ensayo se calcula como otra variable dependiente. Individuos que son más distraídos por las flechas que flanquean se esperan que tengan una mayor puntuación de diferencia, que indica mal control atencional.

Esta medida se prevé, por tanto, que correlacionan negativamente con los valores de FA, especialmente en la región relacionados con la capacidad atencional, el anterior de corona radiata — y no los demás, mostrando así la importancia funcional de tractos de materia blanca particular.

Antes del experimento, reclutar a 20 pacientes adultos que han sido diagnosticados con moderado a TBI severo dentro de los últimos 6 meses y los controles pareados por edad, que no tienen antecedentes de trastornos neurológicos o psicológicos.

Con el propósito de esta demostración, un paciente que está documentado como una pérdida de conciencia durante más de 30 min o una puntuación de la prueba < 13 en la escala de Coma de Glasgow.

En el día de su exploración, darles la bienvenida y asegurarse de que no sufren de claustrofobia o tiene cualquier metal en su cuerpo; también tienen llene los formularios de consentimiento necesario que detalla los riesgos y beneficios del estudio.

Después de obtener el consentimiento, prepare al paciente para entrar en la sala de exploración. Para información más detallada sobre los procedimientos de la exploración, consulte otro proyecto de MRI en esta colección.

Con el paciente ahora en el analizador de diámetro, recoger en primer lugar una exploración anatómica de alta resolución. A continuación, iniciar una secuencia de pulso optimizada para DTI con la adquisición de una imagen de0 B — que no es sensible a la dirección de difusión, así como múltiples imágenes difusión-cargadas en 64 diferentes direcciones.

Cuando la secuencia está completa, acompañamiento al paciente fuera del escáner y en una sala experimental con un ordenador para realizar la siguiente fase, una tarea de la red de atención.

Explicar las instrucciones de la tarea: se observará una serie de cinco flechas en la pantalla y debe centrarse sólo en el centro uno. Para garantizar respuestas rápidas y precisas, haga que coloque sus manos sobre el teclado, con su index finger izquierdo sobre la tecla 'F' y un 'J'.

Durante los ensayos donde la flecha del centro apunta izquierda, instrúyalos a prensa 'F'. De lo contrario, cuando es hacia la derecha, pulsa 'J'.

El paciente debe completar 100 ensayos: recuerda que cada uno comienza con una fijación cruzada que permanece en la pantalla para una duración variable de 400 a 1600 m, después de lo cual aparecen flechas, y central será congruente o incongruente.

Observe que las flechas permanecen en la pantalla hasta que el paciente responde, o hasta un máximo de 1700 ms si no presionan cualquier tecla. También nota que cada ensayo termina con una fijación cruzada que permanece visible para una duración total del ensayo de 4 s.

Al final de la tarea de atención debrief el paciente para concluir el estudio y compensarles por su participación.

Después de que se han obtenido los datos conductuales y explorador, los archivos raw de difusión primero necesitan transformarse en imágenes de tensor.

Para comenzar el proceso previo, realizar corrección de distorsión de las corrientes de Foucault, que ocurren comúnmente en los datos en bruto como resultado cambiando el campo magnético durante la adquisición.

Para compensar el movimiento, se aplica una transformación afín lineal cuerpo rígido, que registra cada una de las imágenes de difusión direccional a la referencia de0 B.

Además, aislar el cerebro del cráneo y otros tejidos no neuronales para asegurarse de que no se calculan los tensores para voxels fuera del cerebro.

Ahora, combine todas las 64 imágenes direccionales para calcular el tensor de la difusión en cada voxel y salida los valores correspondientes de la FA en el fondo.

Posteriormente, registrar las imágenes de difusión a la exploración anatómica de alta resolución y luego a un espacio de atlas estándar para permitir el análisis a nivel de grupo.

Con tratamiento previo terminado, utilizar un atlas de materia blanca para identificar tres ROIs: el anterior de corona radiata, el Esplenio del cuerpo calloso y el fascículo longitudinal superior.

Finalmente, registrar imagen anatómica de cada participante al atlas estándar y utilizar éstos para deformar las máscaras ROI en el espacio del cerebro de cada participante.

Para ver los datos, comparar los valores de FA extraídos por grupo, trazar cada ROI por separado. Observe que los valores de FA fueron significativamente inferiores en el grupo LCT en todos tres ROIs, indicando daño extenso de la materia blanca en pacientes.

Para incorporar los datos conductuales, trazar las diferencias en tiempos de reacción entre los ensayos incongruentes y congruentes contra los valores de FA para todos los sujetos. Realizar un análisis de correlación de Pearson en estos resultados generales, otra vez independientemente para cada ROI.

Esta vez, sólo una de las regiones — el radiata de la corona anterior, mostró una correlación significativa, en la dirección negativa. Es decir, valores altos de FA eran asociados con tiempos de reacción rápidas, mientras que baja anisotropía correspondió a tiempos de respuesta más largos. Estos resultados sugieren una relación funcional entre conexión de materia blanca y control atencional.

Ahora que está familiarizado con la forma de relacionar estructura y función mediante DTI y una control atencional de la tarea, vamos a ver cómo los investigadores utilizan enfoques similares para estudiar otras poblaciones con conectividad comprometido o como una forma de protegerlo.

Mientras que el envejecimiento normal se asocia a deterioro cognitivo, cambios no son necesariamente generalizadas. Más bien, parecen estar relacionadas con funciones específicas que corresponden a la integridad de la materia blanca y reducción los valores de FA, especialmente en la corteza prefrontal. Así, la proyección de imagen difusión podría utilizarse como un método para la detección temprana de cambios relacionados con la edad en la función ejecutiva.

Usando los datos recogidos por DTI, investigadores pueden utilizar una técnica 3D, llamada fibra tractografía y reconstruir los tractos de sustancia blanca a lo largo de todo el cerebro. Este procedimiento de modelado es útil en muchos campos, incluyendo la neurocirugía.

Si, por ejemplo, los cirujanos necesitan extirpar un tumor, puede planear exactamente donde los tractos de materia blanca en proximidad a estructuras críticas y evitar consecuencias perjudiciales.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la imagen de tensor de difusión. Ahora debe tener una buena comprensión de cómo diseñar y realizar un experimento DTI, así como analizar e interpretar patrones de difusión específicos con implicaciones cognitivas relacionados con traumatismo craneoencefálico.

¡Gracias por ver!

Results

Los valores de FA de tres ROIs se muestran en la figura 3. Anisotropía fraccionaria fue significativamente menor en el grupo LCT en todos tres ROIs, indicando la presencia de daño extenso de la materia blanca en las personas. Esta pérdida no localizada de la integridad de la materia blanca es típica de TBI.

Figure 3
Figura 3: reducida anisotropía en pacientes con TBI y relación con el control atencional. (A) FA los valores son significativamente menores en pacientes TBI en comparación con controles sanos en 3 ROIs todos. (B) FA en el anterior de corona radiata se correlaciona negativamente con el efecto de la mayor incongruencia en la tarea de atención. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Nuestra medida de control atencional-respuesta tiempo diferencia congruente incongruente objetivos correlacionados negativamente con los valores de FA en el radiata de la corona anterior (figura 3). En otras palabras, mayores diferencias en el tiempo de respuesta, lo que indica control atencional más pobre, se asocian con FA disminuido. Estos resultados evidencian una relación entre la integridad de la materia blanca en este lugar y su desempeño en esta tarea. Esta relación no fue encontrada en los otros dos ROIs. El anterior de corona radiata se asocia con las conexiones a la corteza cingulada anterior, una estructura conocida por desempeñar un papel importante en el control atencional.

Applications and Summary

Porque la proyección de imagen difusión puede revelar diferencias en la estructura de la materia blanca que a menudo no son visibles con la tradicional proyección de imagen de MRI, es una herramienta importante para la comprensión de la estructura cerebral y función. En este experimento se identificaron un marcador clínicamente relevante para la lesión cerebral traumática que puede utilizarse para predecir las consecuencias conductuales de tal lesión. DTI ha sido especialmente útil en el estudio del desarrollo del cerebro, como cambios en la estructura de la materia blanca se encuentran a lo largo de la vida desde la primera infancia hasta la edad adulta tardía. Por ejemplo, envejecimiento en adultos mayores es asociado con una disminución en la anisotropía fraccional.

Análisis más sofisticados de las imágenes de difusión permite la reconstrucción y la localización de tractos de fibras en el cerebro, un proceso conocido como tractografía. Tractografía utiliza la información direccional de vóxeles contiguo a haces de fibras específicas que atraviesan a través del cerebro y pueden ayudar a construir modelos de las diferentes interconexiones entre las estructuras del cerebro. Esta técnica puede utilizarse para estudiar las conexiones entre regiones del cerebro individual de interés, o como alternativa para analizar el conectoma completo o complejo red de la estructura, del cerebro.

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. participante reclutamiento

  1. Reclutar a 20 pacientes con TBI moderada a severa y 20 controles de edad comparable. Todos los participantes deben ser mayores de 18 años.
    1. Pacientes TBI deben han experimentado un traumatismo craneoencefálico cerrado que ocurrió hace al menos 6 meses. TBI se diagnostica mediante la evaluación de varios factores tales como cambios en la conciencia, pérdida de la conciencia y pérdida de la memoria de antes o después del accidente. Para ser clasificado como moderado a severo, el paciente debe han experimentado un período de pérdida de conciencia que era mayor de 30 minutos, y obtuvo una puntuación de menos de 13 en la escala de Coma de Glasgow.
    2. Participantes de control si no tienen antecedentes de trastornos neurológicos o psicológicos.
    3. Todos los participantes no deben tener metal en su cuerpo. Se trata de un requisito de seguridad debido al alto campo magnético en MRI.
    4. Todos los participantes no sufren de claustrofobia, ya que la RM requiere tumbado en el pequeño espacio del escáner del alesaje.
  2. Procedimientos de pre-análisis
    1. Llenar papeleo de exploración previa.
    2. Cuando los participantes presenta para su exploración de MRI, ellos tienen primero llene una forma metálica para asegurarse de que tienen no hay contraindicaciones para la RM, una forma de resultados fortuitos, dar su consentimiento para su exploración a ser analizado por un radiólogo y un formulario de consentimiento que detalla los riesgos y beneficios del estudio.
    3. Preparar a los participantes a ir en el explorador al quitar todo el metal de su cuerpo, incluyendo cinturones, carteras, teléfonos, hebillas, monedas y todas las joyas.
  3. Preparación del escáner
    1. Dar al participante tapones para proteger sus oídos del ruido de los teléfonos escáner y oído usar para que puedan escuchar al experimentador durante la exploración y tenerlas tumbadas en la cama con su cabeza en la bobina.
    2. Dar al participante la bola del apretón emergencia e instruirlos para apretar en caso de emergencia durante la exploración.
    3. Use almohadillas de espuma para garantizar a los participantes la cabeza en la bobina para evitar exceso de movimiento durante la exploración y recordar al participante que es muy importante que permanezca todavía como posible durante la exploración, como incluso el más pequeño desenfoque de movimientos las imágenes.
  4. Recolección de datos
    1. Recoger una alta resolución exploración anatómica de T1-weighted. Esto se utilizará para el registro de cerebro de los participantes al espacio estándar atlas.
    2. Iniciar el análisis mediante una secuencia de pulso optimizada para DTI.
      1. Una imagen de B0 se adquiere que no es sensible a la dirección de difusión.
      2. Múltiples imágenes difusión-cargadas son adquiridas, cada uno sensible a una dirección diferente de la difusión. Las direcciones más adquiridas, más finamente, podremos resolver el tensor de la difusión. Sin embargo, aumentando el número de direcciones también aumenta el tiempo de la adquisición. En este estudio, adquirimos 64 direcciones diferentes.
  5. Tarea de atención
    1. Fuera de resonancia, tienen todos los participantes realizar una versión de atención red tarea (ANT)3 para evaluar su capacidad de atención selectiva.
    2. Asiento del participante frente a una pantalla de ordenador e instruirlos sobre cómo completar la tarea.
      1. Explicar que una serie de flechas aparecerá en la pantalla. La tarea del participante es responder sólo a la flecha en el centro y a ignorar a los demás. Si la flecha central es hacia izquierda, presionará la tecla 'F' con su mano izquierda. Si la flecha central se señala a la derecha, presionará la tecla 'J' con su mano derecha. Debe responder tan rápidamente y tan exactamente como sea posible.
    3. Comenzar la tarea.
      1. En cada ensayo, presentar una fila de cinco flechas en la pantalla. Cada flecha puede ser hacia izquierda o derecha. En ensayos congruentes, todas las flechas apuntan en la misma dirección. En los ensayos incongruentes, los puntos centrales de la flecha en la dirección opuesta de las flechas laterales. Cada ensayo comienza con una fijación transversal que queda en la pantalla para una duración variable entre 400 y 1600 la Sra. entonces los estímulos flecha aparecerán y permanecen en la pantalla hasta que el participante responde, o hasta un máximo de 1700 Sra. el juicio concluye con una fijación cruzada que permanece en la pantalla hasta un total de prueba duración del 4s se ha alcanzado.
      2. Actualmente de 100 ensayos, mitad con objetivos congruentes y media metas incongruentes.
      3. Calcular la diferencia de tiempo de reacción entre objetivos incongruentes y objetivos congruentes. Por lo general, tiempo de reacción es más lento en respuesta a los objetivos incongruentes. Personas que son más distraídas por las flechas de acompañamiento tendrá una mayor diferencia en tiempo de reacción entre los objetivos incongruentes y congruentes. Esta medida de control atencional se probará contra las medidas de integridad de la materia blanca.
  6. Post-experimento procedimientos
    1. Debrief el participante.
    2. Pagar al participante.
  7. Análisis de datos
    1. Procesamiento previo de los datos de difusión.
      1. Inspeccione visualmente los datos para asegurarse de que está libre de artefactos.
      2. Realizar la corrección de la corriente de Foucault con software especializado.
      3. Para cada tema, registrar cada uno de las imágenes de difusión direccional a la imagen de B0 utilizando una transformación afín lineal de cuerpo rígido. Este paso se compensa cualquier movimiento que se produjo de a exploración.
      4. Retire el cráneo y otros tejidos no cerebrales las imágenes utilizando el software automatizado. Esto asegurará que no calculamos tensores de vóxeles que están fuera del cerebro.
      5. Combinar entre las múltiples imágenes de dirección para calcular el tensor de la difusión en cada voxel. Hay varios paquetes de software disponibles gratuitamente para el procesamiento de datos DTI que calcula estos valores.
      6. Calcular FA en cada voxel, la proporción de magnitud tensorial debido a difusión anisotrópica.
      7. Registro de las imágenes de difusión a la imagen de T1 alta resolución anatómica y luego al espacio atlas estándar para permitir el análisis a nivel de grupo.
    2. Definir regiones de interés (ROI).
      1. Obtener las tres máscaras ROI de un atlas estándar de la materia blanca. Aquí, utilizamos el atlas de la materia blanca de ICBM-DTI-81 creado por el consorcio internacional para mapeo cerebral (figura 2).
      2. Registro de imagen anatómica de alta resolución de cada sujeto individual al atlas estándar.
      3. Deformar las máscaras ROI en el espacio de cada cerebro de cada participante utilizando los registros realizados en el paso anterior.
    3. Extraer valores de FA para cada tema de cada uno de los tres ROIs.
    4. Comparar los valores de FA entre los dos grupos utilizando análisis de varianza (ANOVA).
    5. Calcular la correlación de Pearson entre puntajes de congruencia de los participantes de la hormiga y los valores de FA.

Diffusion Tensor Imaging, DTI, es una técnica de resonancia magnética que se basa en la difusión de las moléculas de agua para el estudio de la integridad de las redes de la materia blanca, los paquetes de axones que conectan la materia gris cortical y subcortical, en el cerebro.

Estas estructuras de interconexión pueden ser dañadas cuando una fuerza externa, como un balón de fútbol, entra en contacto con la cabeza durante un partido. Tales interacciones repetitivas pueden conducir a lesiones más graves, denominada lesión de cerebro traumática, TBI para el cortocircuito.

Con el tiempo, el daño a la materia blanca cerebral a menudo se asocia con déficits en la cognición, particularmente en el dominio atencional. Por ejemplo, un jugador con TBI puede ser más distraído por un aficionado en las gradas y más lento reaccionar al equipo contrario.

Basado en el trabajo anterior realizado por Kraus y sus colegas, este video muestra cómo medir la integridad de la materia blanca con DTI en pacientes con TBI en comparación con personas sanas de control.

También examinamos cognitivo la función usando una tarea de atención selectiva, se explica cómo analizar los datos de imágenes e interpretar la relación entre valores de difusión en regiones definidas de interés y control atencional.

En este experimento, dos grupos de participantes: pacientes diagnosticados de moderada a severa TBI y control de individuos sanos, se analizan utilizando un protocolo DTI y entonces probado en una tarea de atención.

En primer lugar, vamos a discutir algunos principios de la DTI: la técnica es sensible a la difusión de las moléculas de agua, que están siempre en movimiento, sobre todo en paralelo a la gran cantidad de paquetes axonales. Este tipo de movimiento se conoce como difusión anisotrópica.

Junto con la trayectoria del flujo de agua, puede medirse la cantidad de difusión para computar el tensor — esencialmente ilustra como un elipsoide con una dirección. Se cuantifica este valor basado en la longitud relativa a su anchura utilizando un método llamado anisotropía fraccionaria, abreviado como FA.

Más concretamente, valores de FA pueden variar desde 0 — movimiento isotrópico, o igual, a 1, que refleja la mayor cantidad de anisotropía.

La precisión se maximiza a través de todos los vóxeles con la adquisición de imágenes de difusión durante una exploración de MRI en muchas direcciones distintas que corresponden a los cambios en el campo magnético aplicado. Esta mayor resolución se produce a expensas de tiempo.

Sabiendo que, una variable dependiente de la crítica consiste en la FA valores para tres regiones de interés, o ROI: el anterior de corona radiata, el Esplenio del cuerpo calloso y el fascículo longitudinal superior.

En comparación con controles normales, los valores de FA deben reducirse en individuos con TBI, como su materia blanca debe estar comprometida de manera no localizada, dando por resultado menos anisotropía en ROIs todos.

Sin embargo, una región — el anterior de corona radiata — está asociado con las conexiones a la corteza cingulada anterior, que desempeña un papel importante en el control atencional.

Para profundizar en esta relación funcional entre el comportamiento y la integridad de la materia blanca, todos los participantes son probados en la tarea de la red de atención desarrollado por Fan y sus colegas.

En este paradigma, se piden a los participantes a enfocar su atención primero hacia una fijación transversal que aparece para una duración variable entre 400 y 1600 ms, seguido por dos tipos de flechas: una central y dos que flanquean grupos que pueden variar en la dirección que.

En la mitad de los ensayos, todas las flechas apuntan en la misma dirección; Estos son considerados como congruente. Para la otra mitad, la flecha del centro señala la manera opuesta de los flancos, y estos casos se conocen como incongruente. Los participantes se les pide para categorizar las flechas haciendo pulsación de las teclas asociadas tan rápidamente como sea posible cuando aparezca cada nuevo conjunto.

Aquí, la diferencia de tiempos de reacción entre tipos de ensayo se calcula como otra variable dependiente. Individuos que son más distraídos por las flechas que flanquean se esperan que tengan una mayor puntuación de diferencia, que indica mal control atencional.

Esta medida se prevé, por tanto, que correlacionan negativamente con los valores de FA, especialmente en la región relacionados con la capacidad atencional, el anterior de corona radiata — y no los demás, mostrando así la importancia funcional de tractos de materia blanca particular.

Antes del experimento, reclutar a 20 pacientes adultos que han sido diagnosticados con moderado a TBI severo dentro de los últimos 6 meses y los controles pareados por edad, que no tienen antecedentes de trastornos neurológicos o psicológicos.

Con el propósito de esta demostración, un paciente que está documentado como una pérdida de conciencia durante más de 30 min o una puntuación de la prueba < 13 en la escala de Coma de Glasgow.

En el día de su exploración, darles la bienvenida y asegurarse de que no sufren de claustrofobia o tiene cualquier metal en su cuerpo; también tienen llene los formularios de consentimiento necesario que detalla los riesgos y beneficios del estudio.

Después de obtener el consentimiento, prepare al paciente para entrar en la sala de exploración. Para información más detallada sobre los procedimientos de la exploración, consulte otro proyecto de MRI en esta colección.

Con el paciente ahora en el analizador de diámetro, recoger en primer lugar una exploración anatómica de alta resolución. A continuación, iniciar una secuencia de pulso optimizada para DTI con la adquisición de una imagen de0 B — que no es sensible a la dirección de difusión, así como múltiples imágenes difusión-cargadas en 64 diferentes direcciones.

Cuando la secuencia está completa, acompañamiento al paciente fuera del escáner y en una sala experimental con un ordenador para realizar la siguiente fase, una tarea de la red de atención.

Explicar las instrucciones de la tarea: se observará una serie de cinco flechas en la pantalla y debe centrarse sólo en el centro uno. Para garantizar respuestas rápidas y precisas, haga que coloque sus manos sobre el teclado, con su index finger izquierdo sobre la tecla 'F' y un 'J'.

Durante los ensayos donde la flecha del centro apunta izquierda, instrúyalos a prensa 'F'. De lo contrario, cuando es hacia la derecha, pulsa 'J'.

El paciente debe completar 100 ensayos: recuerda que cada uno comienza con una fijación cruzada que permanece en la pantalla para una duración variable de 400 a 1600 m, después de lo cual aparecen flechas, y central será congruente o incongruente.

Observe que las flechas permanecen en la pantalla hasta que el paciente responde, o hasta un máximo de 1700 ms si no presionan cualquier tecla. También nota que cada ensayo termina con una fijación cruzada que permanece visible para una duración total del ensayo de 4 s.

Al final de la tarea de atención debrief el paciente para concluir el estudio y compensarles por su participación.

Después de que se han obtenido los datos conductuales y explorador, los archivos raw de difusión primero necesitan transformarse en imágenes de tensor.

Para comenzar el proceso previo, realizar corrección de distorsión de las corrientes de Foucault, que ocurren comúnmente en los datos en bruto como resultado cambiando el campo magnético durante la adquisición.

Para compensar el movimiento, se aplica una transformación afín lineal cuerpo rígido, que registra cada una de las imágenes de difusión direccional a la referencia de0 B.

Además, aislar el cerebro del cráneo y otros tejidos no neuronales para asegurarse de que no se calculan los tensores para voxels fuera del cerebro.

Ahora, combine todas las 64 imágenes direccionales para calcular el tensor de la difusión en cada voxel y salida los valores correspondientes de la FA en el fondo.

Posteriormente, registrar las imágenes de difusión a la exploración anatómica de alta resolución y luego a un espacio de atlas estándar para permitir el análisis a nivel de grupo.

Con tratamiento previo terminado, utilizar un atlas de materia blanca para identificar tres ROIs: el anterior de corona radiata, el Esplenio del cuerpo calloso y el fascículo longitudinal superior.

Finalmente, registrar imagen anatómica de cada participante al atlas estándar y utilizar éstos para deformar las máscaras ROI en el espacio del cerebro de cada participante.

Para ver los datos, comparar los valores de FA extraídos por grupo, trazar cada ROI por separado. Observe que los valores de FA fueron significativamente inferiores en el grupo LCT en todos tres ROIs, indicando daño extenso de la materia blanca en pacientes.

Para incorporar los datos conductuales, trazar las diferencias en tiempos de reacción entre los ensayos incongruentes y congruentes contra los valores de FA para todos los sujetos. Realizar un análisis de correlación de Pearson en estos resultados generales, otra vez independientemente para cada ROI.

Esta vez, sólo una de las regiones — el radiata de la corona anterior, mostró una correlación significativa, en la dirección negativa. Es decir, valores altos de FA eran asociados con tiempos de reacción rápidas, mientras que baja anisotropía correspondió a tiempos de respuesta más largos. Estos resultados sugieren una relación funcional entre conexión de materia blanca y control atencional.

Ahora que está familiarizado con la forma de relacionar estructura y función mediante DTI y una control atencional de la tarea, vamos a ver cómo los investigadores utilizan enfoques similares para estudiar otras poblaciones con conectividad comprometido o como una forma de protegerlo.

Mientras que el envejecimiento normal se asocia a deterioro cognitivo, cambios no son necesariamente generalizadas. Más bien, parecen estar relacionadas con funciones específicas que corresponden a la integridad de la materia blanca y reducción los valores de FA, especialmente en la corteza prefrontal. Así, la proyección de imagen difusión podría utilizarse como un método para la detección temprana de cambios relacionados con la edad en la función ejecutiva.

Usando los datos recogidos por DTI, investigadores pueden utilizar una técnica 3D, llamada fibra tractografía y reconstruir los tractos de sustancia blanca a lo largo de todo el cerebro. Este procedimiento de modelado es útil en muchos campos, incluyendo la neurocirugía.

Si, por ejemplo, los cirujanos necesitan extirpar un tumor, puede planear exactamente donde los tractos de materia blanca en proximidad a estructuras críticas y evitar consecuencias perjudiciales.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la imagen de tensor de difusión. Ahora debe tener una buena comprensión de cómo diseñar y realizar un experimento DTI, así como analizar e interpretar patrones de difusión específicos con implicaciones cognitivas relacionados con traumatismo craneoencefálico.

¡Gracias por ver!

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