Overview
ソース: ジョナス ・ t. カプラン サラ I. ギンベル所-南カリフォルニア大学
MRI を用いた伝統的な脳イメージング、脳の総構造の可視化で非常に良いです。MRI は、構造的な脳画像は、グレーと白の問題とサイズに関する情報との間の境界線の高コントラストと脳構造の形状を提供します。ただし、基になる構造とローカルおよび遠い脳領域を相互接続する軸索の束から成っている、脳の白質ネットワークの整合性、これらの画像は細部しません。
拡散 MRI は、水分子の拡散に敏感なパルス シーケンスを使用します。拡散の方向を測定することによって脳の白質ネットワークの構造についての推論をすることが可能です。軸索内の水分が細胞膜; によって彼らの動きに制限されます。等しい確率 (等方性運動) であらゆる方向にランダムに移動する代わりに、彼らは軸索 (異方性運動と並行して特定の方向に移動する可能性が高い図 1)。したがって、拡散異方性の測定は、白質繊維の密度、軸索の太さ、髄鞘化の程度などのプロパティを反映と考えられます。1 つの一般的な指標は、小数の異方性 (FA) です。1、完全に等方性の動きを表す 0 から FA 値の範囲は、最大異方性を反映しています。
図 1: 拡散異方性。拡散の方向が制約のないランダムな動き、すべての方向に均等に測定します。これは、等方性拡散 (A)。水の分子は、ニューロンの軸索に含まれる、拡散が異方性、(B) 軸索の方向に沿ってより頻繁に発生する傾向があります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
この実験では外傷性脳損傷 (TBI) で白質病変を測定するのに拡散テンソル画像 (DTI) を使用します私たち。TBI は、外部の力は、頭や突然の動きが車の事故で発生する種のように打撃を与えるなど、脳を傷つけるときに発生します。機械力による脳損傷のこのタイプは、脳全体の白質にびまん性軸索損傷損傷に関連付けられます。白質の整合性に影響を与える傷害、標準ニューロ イメージング技術は可能性があります被害を明らかにしません。ただし、拡散の措置は、特にこれらの解剖学的変化に敏感です。・ クラウスらによる研究に続きます。1、我々 は TBI と大脳白質の脳外傷の効果を測定する使用拡散イメージングを持つ人々 のグループに健常者のグループを比較します。さらに、我々 は白質病変と注意課題を用いた認知機能との関係をテストします。2本研究では 3 つの白質の広大に焦点を当て利益 (率 ROI) アプローチの地域: 上縦束 (図 2)、前方コロナ ラジアタ脳梁の梁。
図 2: 関心領域。ICBM DTI 81 アトラスから定義されている 3 つの Roi は、脳を介して水平スライスにここで表示されます。緑脳梁膨大です。梁は脳梁の後部の一部です。前方コロナ ラジアタは、青。上縦束は、赤で表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Procedure
1. 参加者募集
- 中等度から重度の TBI と 20 人の参加者と 20 の年齢をマッチさせたコントロールを採用します。すべての参加者は、18 歳以上にする必要があります。
- TBI の患者は、少なくとも 6 ヶ月前に発生した閉鎖性頭部外傷を経験している必要があります。TBI は前に、または事故後、意識、意識の損失から記憶喪失の変更などいくつかの要因を評価することによって診断されます。中等度から重度として分類される患者は 30 分以上および/またはグラスゴー昏睡尺度で 13 未満の得点意識消失の期間を経験している必要があります。
- コントロール群は神経学的または精神的な障害の歴史もないはずです。
- すべての参加者は、自分の体で金属をなりません。これによる高磁場 MRI に関わる重要な安全要件です。
- すべての参加者が閉所恐怖症に苦しむ、MRI スキャナーの小さなスペースで横になっている必要があるためにの穴はありません。
- スキャン前の手順
- スキャン前書類を記入します。
- 参加者は、自分の MRI スキャンのために来るとき、それら最初彼らは MRI、放射線科医とリスクと研究の利点について詳述した同意書で見られる彼らのスキャンのために同意を与える偶発的所見フォーム、カウンター表示がない確認する金属スクリーン フォーム記入があります。
- ベルト、財布、携帯電話、ヘアー クリップ、コイン、アクセサリー類をすべてを含む、自分の体からすべての金属を取り除くことでスキャナーに行く参加者を準備します。
- スキャナーの準備
- スキャンの際、実験者を聞いていてコイルに頭をベッドに横になることがあるので、着用するスキャナーと耳の携帯電話の騒音から耳を守る参加者耳栓を与えます。
- 参加者緊急スクイズ ボールを与えるし、スキャン中に緊急の場合それを圧迫するように指示します。
- 参加者を保護するパッドを使用の画像、スキャン中に過剰な運動を避けるために、参加者を思い出させる、スキャン中にまだ可能な限り最小の動きブラーもご滞在に非常に重要であるコイルの頭します。
- データ コレクション
- 高解像度 T1 強調の解剖学的なスキャンを収集します。これは標準的なアトラス スペースに参加者の脳を登録するために使用されます。
- DTI に最適パルス シーケンスを使用してスキャンを開始します。
- 拡散方向に敏感ではない 1 つの B0 イメージを取得します。
- 複数の拡散強調画像は、取得、各方向拡散の違いに敏感です。取得より多くの方向より細かく我々 は拡散テンソルを解決することになります。ただし、方向の数を増やすと、アクイジション時間も増えます。本研究では、64 の異なる方向を取得します。
- 注意タスク
- MRI スキャナー外選択的注意能力評価に注意ネットワーク タスク (ANT)3のバージョンを実行して、すべての参加者があります。
- コンピューター画面の前で参加者の座席、タスクを完了する方法を教えます。
- 一連の矢印が画面に表示されることを説明します。参加者のタスクは中心部に矢印にのみ応答し、他の人を無視します。中央の矢印は左を指して場合、彼らは、左手で「F」キーを押すでしょう。中央の矢印が右を向いている場合、彼らは、右手で「J」キーを押すでしょう。彼らは、迅速かつ正確に可能な限り応じるべきです。
- タスクを開始します。
- 各試験の 5 つの矢印の行を画面に提示します。左または右、それぞれの矢印を指すことができます。合同試験で矢印のすべては同じ方向にポイントします。不適合の試験で中央の矢印は並ぶ矢印から反対の方向でポイントします。個々 の試験から始まる固定矢印刺激が表示され、参加者が応答するか最大 1700 さん裁判の最後に試験合計まで画面にそのままクロス固定 4 s の期間に到達したまで画面上に残るし、400 や 1600 さん間の可変期間の画面に残っている間。
- 100 回の試行、合同ターゲットと半分の不一致ターゲットと半分を提示します。
- 克服できるように目標と合同目標反応時間の差を計算します。通常、反応時間、克服できるようにターゲットの応答低下します。不適合と合同のターゲットの反応時間に大きな違いを持って並ぶ矢印によりを取られる人。注意制御の今回の措置は、白質病変の措置に対してテストされます。
- 後の実験手順
- 参加者の感想を聞きます。
- 参加者に支払います。
- データ分析
- 拡散データを前処理します。
- 成果物から自由であることを確認するデータを目視で確認します。
- 専用ソフトウェアによる渦電流補正を実行します。
- 各科目における線形剛体アフィン変換を使用して B0、指向性拡散画像のそれぞれを登録します。この手順は、スキャンするに発生したモーションを補正されます。
- 自動化されたソフトウェアを使用して画像から頭蓋骨や他の非脳組織を削除します。我々 は脳外にあるボクセルのテンソルを計算しないようになります。
- 各ボクセルで拡散テンソルを計算する複数の方向の画像を組み合わせます。これらの値を計算する DTI データを処理するためのいくつかの自由に利用できるソフトウェア パッケージがあります。
- 各ボクセルによる異方性拡散テンソルの大きさの割合で FA を計算します。
- 高解像度の解剖学的 T1 画像にし、グループ レベルでの解析を可能にする、標準的なアトラス空間に拡散画像を登録します。
- 利益 (率 ROI) の領域を定義します。
- 標準的な白質アトラスから 3 つの投資収益率のマスクを取得します。ここでは、我々 は脳のマッピング (図 2) の国際コンソーシアムによって作成される ICBM DTI 81 白質アトラスを使用します。
- 標準的なアトラスを個 々 の被験者の高解像度の解剖学的画像を登録します。
- ROI マスクを実行前の手順で登録を使用して各参加者の個々 の脳領域にワープします。
- 3 ・ ロワのそれぞれから各科目の FA の値を抽出します。
- 分散分析 (ANOVA) を使用して 2 つのグループ間の FA の値を比較します。
- ピアソン相関アリから参加者の適合性スコアと FA の値を計算します。
- 拡散データを前処理します。
拡散テンソル イメージング-DTI-白質ネットワークの整合性を研究する水の分子の拡散に依存する磁気共鳴の中でテクニックは-皮質および皮質下灰白質の接続軸索束-脳内。
サッカー ボールなどの外的要因が試合中に頭と接触するとき、これらの相互接続構造物を破損ことができます。このような反復的な相互作用より重度の外傷、外傷性脳損傷、略して TBI と呼ばれる可能性があります。
時間をかけて、大脳白質への損傷は、しばしば注意ドメインで特に認知における赤字関連付け。例えば、TBI を持つプレイヤーがよりスタンドのファンによって気を取られに相手チームに反応が遅く可能性があります。
クラウスと同僚によって実行される前の作業に基づいて、このビデオは健康な制御人に比べて脳外傷患者の DTI を使用して整合性を白質を測定する方法を示します。
認知もいきます選択的注意課題を用いた機能、画像データを分析し、定義された領域の拡散値と注意制御との関係を解釈する方法について説明します。
この実験では、参加者の 2 つのグループ-健康な厳しい TBI とコントロールの個人への穏健派と診断された患者-DTI プロトコルを使用して、注意タスクをテストされ、スキャンされます。
最初に、DTI の背後にあるいくつかの原理を説明しましょう: テクニックはほとんど軸索束の膨大な量に平行に常に動いている水の分子の拡散に敏感。このタイプの動きは、異方性拡散と呼ばれます。
水の流れのパスと一緒に、テンソルを計算する拡散の量を測定することができます-方向による楕円体として本質的に示されています。この値は、FA として短縮される小数部の異方性と呼ばれるメソッドを使用してその幅に相対的な長さに基づく定量化されます。
具体的には、FA の値の範囲は 0 ~-等方性、または等しい動き-1、異方性の最大の量を反映します。
精度はすべてボクセル間印加磁界の変化に対応して多くの異なる方向で MRI スキャン中に拡散画像を取得することによって最大化されます。この高解像度は、時間を犠牲にして発生します。
・ ロワや興味の 3 つの領域の値が重要な従属変数が FA で構成されている、知っている: 前方コロナ ラジアタ、脳梁の縦束と梁。
健常者と比較して、FA 値は、白質が僅かに少ない異方性に終って非ローカライズされた方法で危険にさらされると予想される脳外傷、個人で減少すると予想されます。
ただし、1 つの領域-前方コロナ ラジアタ-注意制御に重要な役割を果たしている帯状への接続に関連付けられて。
白質病変と行動のこの機能の関係をさらに探索するには、すべての参加者は、ファンや同僚が開発した注目のネットワーク タスクにテストされます。
このパラダイムでは、参加者に注意を集中する求められます固定に向けて 400 ~ 1600 ms 可変期間について表示される十字の順の矢印の 2 種類: 中央 1 つや 2 つ並ぶグループ ポイント方向で異なる場合があります。
試験の半分は、矢印のすべてが同じ方向にポイントします。これらは、一致すると見なされます。他の半分は、中心の矢印は、並ぶものの反対の方法、これらのケースとして不適合呼ばれます。参加者は、各の新しいセットが表示される時に関連付けられているキーをできるだけ早くことにより矢を分類する求められます。
ここでは、体験型の反応時間の違いは、別の従属変数として計算されます。並ぶ矢印に囚われている人は、注意のコントロール不良を示すより大きい違いのスコアを持っていると予想されます。
この測定における注意機能に関連する地域の具体的には、FA 値に関連付ける否定的予測したがって-前方コロナ ラジアタ- およびない他、したがって特定の白質の機能的意義を示します。
実験の前に最後の 6 ヶ月と神経学的または精神的な障害の歴史を持たない年齢をマッチさせたコントロール内にある厳しい TBI への穏健派と診断されている 20 の成人患者を募集します。
このデモの目的のための 30 分以上の意識喪失やスコアを持つものとして記載されている患者をテスト < グラスゴー昏睡尺度で 13。
そのスキャンの日、彼らを迎えるし、はない閉所恐怖症に苦しむまたは自分の体の任意の金属を持っていることを確認またそれらリスクと研究の利点の詳細に必要な同意フォームの記入があります。
同意を得て後、にスキャニング ルーム入る患者を準備します。事前スキャンの手順の詳細については、このコレクション内の別の MRI プロジェクトを参照してください。
スキャナーで今すぐ患者と穴は、まず高解像度の解剖学的なスキャンを収集します。次に、DTI に最適化 B0イメージを獲得したパルス シーケンスを開始-拡散方向に敏感ではない-64 の異なる方向に複数の拡散強調画像と同様。
シーケンスが完了したら、次の段階の注意ネットワーク タスクを実行するスキャナーとコンピューター実験室の患者を護衛します。
タスクの手順を説明する: 彼らは画面に一連の 5 つの矢印が表示され、センターのいずれかにのみ焦点を当てる必要があります。迅速かつ正確な対応を確保するため、'F' キーで自分の左 index finger と 'J' の右側の 1 つ、キーボードに手を置くことがあります。
左中央の矢印を指して、試験中に 'F' を押すよう指示します。そうでなければ、それは右に直面している、'J' を押します。
100 回の試行を完了する患者を許可する: 各開始後に矢印が表示されます、400 〜 1600 ms の可変期間の画面にそのままクロス固定、中央のものは、不適合または合同を覚えています。
いずれかのキーを押さない場合、矢印を画面で患者が応答するまでまたは 1700 ms の最大の残ることに注意してください。また固定とすべて試用が終了のクロスは、メモは表示されたまま 4 の合計試用期間の s。
注意作業の最後に、研究を締結する患者を報告会し、参加するのにそれらを補います。
スキャナーと行動データが取得された後は、生拡散ファイル最初テンソル画像に変換する必要があります。
前処理を開始、集録中に磁場を変更した結果として raw データで発生する一般的な渦電流の歪み補正を実行します。
動きを補うために線形剛体アフィン変換、それぞれ B0参照する指向性拡散画像の登録を適用します。
さらに、頭蓋骨や脳外ボクセルのテンソルが計算されないことを確保するための他の非神経組織から脳を分離します。
今、各ボクセルに拡散テンソルを計算するすべての 64 の指向性画像を組み合わせるし、バック グラウンドで対応する FA の値を出力します。
その後、高解像度の解剖学的なスキャンをし、グループ レベルでの解析を可能にする、標準的なアトラス空間に拡散画像を登録します。
完成品の前処理の使用 3 ・ ロワを識別する白質アトラス: 前方コロナ ラジアタ、脳梁の縦束と梁。
最後に、各参加者の標準的なアトラス解剖学的画像を登録し、各参加者の脳領域に ROI マスクをワープするこれらを使用します。
データをグラフ化、グループ、個別にそれぞれの投資収益率をプロットして抽出された FA の値を比較します。FA 値の著しく低かった患者の広範な白質損傷を示すすべての 3 ・ ロワの TBI グループに注意してください。
行動データを組み込むには、すべての科目の FA 値に対する不適合と合同試験反応時間の差をプロットします。ピアソンの相関分析、これらの全体的な結果に再び独立して実行の各 ROI。
これは、時間は、地域の 1 つだけ-前方コロナ ラジアタ-負の方向に有意な相関を示した。つまり、FA 値が高いは、長い応答時間に対応した低異方性に対し高速反応時間と関連付けられました。白質と注意制御接続間の機能的なリンクが示唆されました。
今、あなたは、構造と DTI と注意制御タスクを使用して関数を関連付ける方法に精通しているが、研究者は、同様のアプローチを使用して侵害された接続またはそれを保護する方法として、他の集団を勉強する方法を見てみましょう。
正常な老化が認知機能の低下と関連している変更は必ずしも普及してはありません。むしろ、彼らは白質病変に対応し、特に前頭前野内の FA 値を減少する特定の機能に関連して表示されます。したがって、拡散強調画像は、執行機能の加齢変化の早期発見法として使用できます。
DTI によって収集されたデータを使用して、研究者は繊維のラクトと呼ばれる 3 D 技術を使用し、白質管全体の脳全体を再構築できます。脳神経外科を含む多くのドメイン間では、このモデリング手順が役立ちます。
例えば、外科医は腫瘍を取り除く必要がある場合、彼らは正確どこ白質の広大で重要な構造への近さ、有害な影響を避けるためを計画できます。
ゼウスの拡散テンソル画像法入門を見てきただけ。今を分析し、認知影響関連外傷性脳損傷を持つ特定の拡散パターンを解釈する方法と同様、設計および DTI 実験を実施する方法のよい理解が必要です。
見てくれてありがとう!
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Results
3 ・ ロワから FA の値は、図 3のとおりです。小数の異方性は人々 の広範な白質損傷の存在を示すすべての 3 ・ ロワの TBI 群で有意に低かった。この非ローカライズされた白質の整合性の損失は TBI の典型的です。
図 3: 脳外傷患者と注意制御との関係における異方性の減少します。(A) FA 値がすべて 3 ・ ロワで健常者と比較して TBI 患者で有意に低かったです。(B) 前のコロナ ラジアタで FA 否定的注意課題における増加融解効果と関連付けています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
注意制御応答時間合同と違い不一致否定的に FA 値目標相関で前方コロナ ラジアタ (図 3) を測定します。つまり、貧しいの注意制御を示す応答時間の大きい違いは減らされた FA に関連付けられます。これらの結果は、この場所で白質病変とこのタスクのパフォーマンスの関係を証拠します。この関係は、他の 2 つの Roi では見つかりませんでした。前方コロナ ラジアタは、前帯状皮質、注意制御の重要な部分を再生する知られている構造体への接続に関連付けられます。
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Applications and Summary
拡散イメージングすることができます伝統的な mri と表示されていない多くの場合白質構造に違いを明らかにするため、脳の構造と機能を理解するための重要なツールです。この実験ではそのような傷害の行動の結果を予測するために使用が外傷性脳損傷の臨床的に関連するマーカーを同定しました。DTI は、以降の成人期を通して幼児期から生涯白質構造の変化があると脳の発達の研究で特に有用されています。たとえば、高齢者の高齢化は、小数の異方性の減少に関連付けられます。
拡散画像のより高度な解析は、復興と繊維広大脳神経線維として知られているプロセスでトレースします。ラクトは、脳をスキャンし、脳の構造の間でさまざまな相互接続のモデルを構築するのにことができます特定のファイバー束をトレースするのに連続したボクセルの方向の情報を使用します。研究の関心は、個々 の脳領域間の接続にこの手法を使用できます。 またはまたは分析全体コネクトームまたは複雑なネットワーク構造を脳の。
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References
- 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).
- 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).
- 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).
