Overview
资料来源： 乔纳斯 · 卡普兰和莎拉一、 贝尔实验室 — — 南加利福尼亚大学
传统的大脑成像技术使用 MRI 都非常擅长可视化大脑的总的结构。用 MRI 脑结构图像提供边界灰色和白色的物质和大小信息之间的高对比度和大脑结构形状。然而，这些图像没有详细介绍的基础结构和完整性的白质网络在大脑中，其中包括互连地方和遥远的大脑区域的轴突束。
弥散磁共振成像使用对水分子的扩散敏感的脉冲序列。通过测量方向的扩散，有可能做出推断白质网络的结构，在大脑中。轴突内的水分子都是在他们的动作受到细胞膜;而不是随机移动在每一个方向以相同的概率 （各向同性运动），他们是更有可能倾向于某些方向，在平行与轴突 （各向异性运动;图 1)。因此，扩散各向异性措施被认为反映了属性的白质纤维密度、 轴突厚度和程度的髓鞘形成。一个常见的衡量是各向异性分数 (FA)。FA 值的范围从 0，表示完全各向同性的运动，到 1，反映最大的各向异性。
图 1： 扩散各向异性。当扩散，方向是无约束和随机时的运动同样测量在所有方向。这是各向同性扩散 (A)。当水分子都包含在一个神经元的轴突时，扩散是各向异性，倾向于沿方向的轴突 (B) 更频繁地发生。请点击这里查看此图的大版本。
在这个实验中我们将使用扩散张量成像 (DTI) 来衡量脑白质完整性在创伤性脑损伤 (TBI)。创伤性脑损伤发生时外力损伤的大脑，打击头部或像那种在一场车祸中可能发生的突然变动。这种类型的脑损伤从机械力是与对整个大脑白质弥漫性轴索损伤损伤相关联。因为它是影响白质损害，标准神经影像学技术不会透露的损害。然而，扩散的措施是对这些解剖学的变化特别敏感。继克劳斯et al的研究。1，我们比较一组健康控件向一群人和创伤性脑损伤，使用扩散成像测量脑白质对创伤性脑损伤的影响。此外，我们将测试脑白质完整性和使用注意任务的认知功能之间的关系。2本研究使用的利息 (率 ROI) 方法侧重三个白质区域： 胼胝体压部胼胝体、 前电晕松，和优越的纵束 (图 2)。
图 2： 感兴趣区域。三个 Roi，定义从洲际弹道导弹 DTI 81 地图集，通过大脑的水平切片中如下所示。绿色是胼胝体胼胝体压部。胼胝体压部是胼胝体的最后部。蓝色是前电晕松。优越的纵束红色所示。请点击这里查看此图的大版本。
Procedure
1.参与者招聘
- 招聘 20 名学员与中度至重度脑外伤和 20 年龄匹配的对照。所有参与者都应该都是 18 岁以上。
- 创伤性脑损伤病人应该经历了闭合性颅脑损伤发生至少 6 个月前。创伤性脑损伤的诊断意识、 意识丧失，以及丢失的记忆从评估几个因素的变化之前, 或在事故发生后。被列为中度至重度病人必须已经经历了一段大于 30 分钟，并且/或者得到少于 13 在格拉斯哥昏迷量表评分的意识丧失。
- 控制与会者应该有没有神经或心理障碍的历史。
- 所有参与者应该没有金属，他们的身体。这是由于高磁场的磁共振成像中所涉及的重要的安全要求。
- 所有参与者应不患上幽闭恐惧症，因为 MRI 需要躺在扫描仪的小空间孔。
- 预扫描程序
- 填写预扫描的文书工作。
- 当参与者为其 MRI 扫描进来时，让他们金属屏幕窗体，以确保他们有没有反适应症为 MRI，给予同意，由放射科医生，并同意表格，详细列出的风险和益处的研究看他们扫描的附带结果窗体第一次填写。
- 准备去在扫描仪通过从他们的身体，包括皮带、 钱包、 手机、 发夹、 硬币和所有珠宝中删除所有金属的参与者。
- 扫描仪制备
- 给参与者的耳塞来保护他们的耳朵从扫描仪和耳朵的电话，要穿，所以他们可以扫描期间，听到实验者，让他们躺在床上，他们的头线圈中的噪音。
- 给参与者紧急挤压球并指导他们挤它在紧急情况下在扫描期间。
- 使用泡沫垫，确保与会者头线圈扫描期间，避免过量运动，并提醒参与者，它是非常重要的逗留尽可能保持扫描期间，作为最小的运动模糊图像。
- 数据收集
- 收集高分辨率的 T1 加权解剖扫描。这将用于注册标准图集空间参与者的大脑。
- 开始扫描使用优化的 DTI 脉冲序列。
- 一个 B0 图像被后天不是敏感的扩散方向。
- 多个扩散加权图像是扩散的后天获得的每个敏感到一个不同的方向。获得更多的方向，越细我们将能够解决扩散张量。然而，增加的方向数也增加了采集时间。在此研究中，我们将获得 64 个不同的方向。
- 注意任务
- 磁共振成像扫描仪外, 有执行版本关注网络任务 （蚂蚁）3 ，以评估他们选择性注意能力的所有参与者。
- 坐在电脑屏幕前的参与者和指导他们如何完成任务。
- 解释在屏幕上会出现一系列的箭头。参与者的任务是只响应中心，箭头，忽略其他。如果中央左箭头，他们将按 'F' 键用自己的左手。如果中央的箭头指向右，他们将按键 'J' 与他们的右手。他们应尽快和尽可能准确地作出反应。
- 开始执行任务。
- 每次试验中，在屏幕上呈现一排五箭。左边或右边，可以每个箭头。一致的试验中，所有的箭头指向同一方向。不一致的试验中，中心箭头指向相反的方向从侧翼的箭头。每项试验开始固定保持在长短之间 400 和 1600年女士屏幕，然后箭头刺激出现和保持在屏幕上直到参与者作出响应，或最长达 1700年女士的审判结论固定交叉共审判直到屏幕上仍 4s 的持续时间已经达到的跨。
- 目前 100 试验，具有一致的目标和半不一致目标的一半。
- 计算在反应时间不一致的目标和一致的目标之间的差异。通常情况下，反应时间较慢响应不一致的目标。人更心烦意乱的侧翼的箭头将有较大的差异，在反应时间之间不一致和一致的目标。这一措施的注意力控制将考验反对白质完整性的措施。
- 实验后程序
- 听取汇报的参与者。
- 支付的参与者。
- 数据分析
- 预处理程序扩散数据。
- 目视检查数据，确保它不受工件。
- 执行的涡电流校正用专门的软件。
- 为每个主题，注册每个方向扩散图像使用刚体的线性仿射变换的 B0 形象。此步骤将弥补发生扫描到扫描任何议案。
- 从图像使用自动化的软件删除头骨和其他非脑组织。这将确保我们不算张量为体素在大脑之外的那些。
- 结合多个的方向图像，计算在每个像素的扩散张量之间。有几个免费提供的软件包，用于处理将计算这些值的 DTI 数据。
- 在每个像素，各向异性扩散张量大小的比例计算法。
- 注册扩散图像到高分辨率的解剖 T1 图像，然后到标准图集空间，以便进行组级分析。
- 定义区域的利息 (率 ROI)。
- 从标准白质 atlas 获取三个 ROI 面具。在这里，我们使用洲际弹道导弹-DTI-81 白质地图集由国际财团为大脑映射 (图 2)。
- 注册每个个体主体高分辨率解剖图像到标准图集。
- 经 ROI 面具编进每个参与者的单个的大脑空间使用上一步中进行的登记。
- 为每个主题从每个三个的 Roi 提取 FA 值。
- 使用方差分析 (ANOVA)，两组间的 FA 值进行比较。
- 计算参与者的一致性得分从蚂蚁和 FA 值之间的相关系数。
- 预处理程序扩散数据。
扩散张量成像 — — DTI — — 是一种内依赖于扩散的水分子研究的白质网络完整性的磁共振技术 — — 连接皮质和皮质下灰质的轴突束 — — 在大脑中。
外部力量，如一个足球，在比赛中头部时，可能会损坏这些互连结构。这种重复的相互作用可能导致更严重的损伤，称为创伤性脑损伤，简称创伤性脑损伤。
随着时间的推移到脑白质损害往往是与赤字的认知，特别是在注意力域相关联的。例如，一个球员与创伤性脑损伤可能更加心烦意乱在看台上的球迷和慢反应给对方。
基于以前的工作由克劳斯和他的同事，该视频演示如何衡量白质完整性 DTI 在病人使用 TBI 相比，健康人作为对照。
我们亦会研究认知功能使用选择性注意任务中，说明了如何分析影像数据，并解释定义感兴趣区域的扩散值与注意力控制之间的关系。
在这个实验中，两组的参与者 — — 患者诊断出患有中度至严重的脑外伤和控制个人健康 — — 扫描使用的 DTI 协议，然后在关注任务上进行测试。
首先，让我们讨论一下背后 DTI 的几个原则： 技术是敏感的不断转移，主要是在平行于轴突束的大量的水分子扩散。这种类型的运动被称为各向异性扩散。
随着水的流动的路径，可以测量的扩散量来计算张量 — — 本质上说明了为椭球体与方向。此值被量化为基础的相对长度到使用一种称为各向异性分数，简称 FA 方法其宽度。
更具体地说，FA 值的范围可以从 0 — — 各向同性，或等于运动 — — 为 1，反映出了最大数量的各向异性。
精度最大化跨所有体素都由许多不同的方向与外加磁场的变化相对应的 MRI 扫描过程中获取扩散图像。这增加的决议发生时间的牺牲。
知道，关键的因变量组成的 FA 值为三个地区的利益或 Roi： 前电晕松、 胼胝体和优越的纵束胼胝体压部。
与正常对照组相比，FA 值预计将在个人与创伤性脑损伤，减少其白质预计将受到非本地化的方式，导致较少的各向异性跨所有的 Roi。
然而，一个区域 — — 前电晕松 — — 是与扣带皮层在注意力控制中起重要作用的连接相关联。
为了进一步探索这一功能关系白质完整性与行为之间，所有参与者都在关注网络任务由风扇和同事被都测试。
在此范例中，参与者被要求集中他们的注意力，首先对固定出现长短 400 和 1600年女士之间的交叉紧随其后两种不同类型的箭头： 中央一个和两个侧翼群体，可能在他们点的方向会发生变化。
在一半的审判，所有箭头点在同一个方向;这些被认为是一致的。对于另一半，中心箭头指向相反的方向的侧翼的和这些个案转介一样不一致。参与者被要求通过尽可能快地使关联的按键，当每个新的集显示分类箭头。
在这里，作为另一个因变量计算反应时期审判类型之间的差异。个人更心烦意乱的侧翼的箭头预计将有较大的差异分数，表明注意力控制不良。
因此，这项措施预计呈负相关的 FA 值，特别是在该区域有关的注意能力 — — 前电晕松 — — 而不是其他，因此显示的特定白质束的功能意义。
试验前招募 20 的成人患者，被诊断出患有中度至重度脑外伤在过去 6 个月和年龄匹配的对照，没有历史的神经或心理障碍的人。
为此演示中，测试文献中记载着超过 30 分钟的意识丧失或乐谱的病人 < 在格拉斯哥昏迷量表 13。
在其扫描的一天，迎接他们并确保他们不做患上幽闭恐惧症或有任何金属在他们的身体;也有他们填写必要的同意的形式，详细列出的风险和好处的研究。
在获得同意后, 准备病人进入扫描室。关于预扫描程序的详细信息，请参阅在此集合中的另一个 MRI 项目。
患者现在在扫描仪中孔，首先收集高分辨率的解剖扫描。然后，启动脉冲序列的获取 B0图像进行 DTI 的优化 — — 一种不敏感的扩散方向 — — 以及多个扩散加权图像中 64 个不同的方向。
完整的序列时，护送病人扫描仪，进入实验房与一台计算机要执行的下一阶段，注意网络任务。
解释的任务说明： 他们将在屏幕上看到一系列的五个箭头，应该只专注于中心之一。为了确保快速和准确的反应，让他们将他们的手放在键盘上，与他们左的 index finger 'F' 键和 'J' 上合适的人。
在试验中心箭头指向左侧的地方，指导他们在新闻 'F'。否则，当它面朝右，按 'J'。
允许病人完成 100 审判： 记住每个开头长短不同的 400 ~ 1600 ms 之后, 会出现箭头，在屏幕上交叉仍固定和中央一将不一致或一致。
请注意箭头保持直到病人响应，在屏幕上或 1700 ms 的最多，是否他们不按任何键。另外注意，固定每个审判两端穿过那始终是可见的 4 的审判时间共为 s。
最后注意任务，汇报病人结束研究，并弥补他们的参与。
获得了扫描仪和行为数据后，首先需要转换成张量图像原始扩散文件。
若要开始预处理，执行涡电流，常见的是在原始数据在采集过程中的改变磁场畸变校正。
为了弥补运动，应用一种线性刚性体仿射变换，注册每个方向扩散图像到 B0参考。
此外，分离从头骨和其他非神经组织为确保张量不计算为体素脑外脑。
现在，结合所有 64 的方向图计算在每个像素的扩散张量和输出相应的 FA 值在背景中。
随后，注册扩散图像到高分辨率的解剖扫描，然后到一个标准图集空间，以便进行组级分析。
对于已完成的前处理，使用脑白质地图集来标识三个 Roi： 前电晕松、 胼胝体和优越的纵束胼胝体压部。
最后，向注册每个参与者的解剖图像与标准图集，并使用这些空间 ROI 面具扭曲进入每个参与者的大脑空间。
图表数据，比较组，分别绘制每个 ROI 提取的 FA 值。请注意 FA 值均低于创伤性脑损伤组中所有三个 Roi，指示这些患者广泛脑白质损伤。
如果要合并行为数据，绘制 FA 值为所有科目不一致和一致的审判中反应时间的差异。独立地再对这些总体的结果，执行皮尔逊相关分析的每个投资回报率。
这一次的地区之一 — — 前电晕松 — — 呈显著相关，在消极的方向。那就是，高 FA 值均与快速的反应时间，而低各向异性对应较长的响应时间。这些结果表明连接脑白质和注意力控制的功能联系。
既然你已经熟悉如何将结构和功能使用 DTI 和注意力控制任务联系起来，让我们看看研究人员如何使用类似的方法来研究其他人口与妥协连接或作为一种方式来保护它。
而正常的老化是与认知能力的下降相关联，更改不一定普遍存在。相反，他们似乎对对应于白质完整性和降低 FA 值，尤其是在前额叶皮层的特定功能相关。因此，磁共振弥散成像可以用作与年龄相关的变化，在执行功能的早期检测方法。
使用由 DTI 收集的数据，研究人员可以使用一种叫做纤维束成像的 3D 技术和重建整个大脑白质。在多个域，包括神经外科，此建模过程很有用。
如果，例如，外科医生需要移除肿瘤，他们可以计划到底在哪里白质束接近关键结构和避免有害后果。
你刚看了弥散张量成像的朱庇特的简介。现在你应该有很好地理解如何设计和进行 DTI 实验，以及如何分析和解释具体的扩散模式与认知的影响有关的创伤性脑损伤。
谢谢观赏 ！
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Results
从三个 Roi 的 FA 值如图 3所示。各向异性分数显著低于创伤性脑损伤组中所有三个 Roi，指示存在广泛的脑白质损伤的那些人。这一非本地化的白质完整性损失是典型的创伤性脑损伤。
图 3： 减少各向异性在创伤性脑损伤患者和与注意力控制关系。（A) FA 值都显著低于健康对照组中所有 3 Roi 的创伤性脑损伤病人。（B） 在前电晕松发与注意任务中增加不一致影响呈负相关。请点击这里查看此图的大版本。
我们的注意力控制响应时间之间的差异一致和不一致与 FA 值呈负相关目标在前电晕松 (图 3) 的措施。换句话说，更大的差别，在响应时间指示穷注意力的控制，是与下降 FA 相关联。这些结果的证据在此位置的白质完整性和性能对此任务之间的关系。在其他两个的 Roi 中找不到这种关系。前电晕松是与前扣带皮层，被称为在注意力控制中发挥重要作用的结构的连接相关联。
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Applications and Summary
磁共振弥散成像可以揭示并非经常可见与传统的磁共振成像的脑白质结构差异，因为它是理解大脑结构和功能的重要工具。在这个实验中我们确定了可用于预测行为后果的这种损伤的创伤性脑损伤的临床相关标志。DTI 脑白质结构的变化整个生命期间发现从幼儿教育到下旬成年一直在大脑发育的研究中特别有用。例如中老年人, 衰老是各向异性分数与下降了。
更复杂的分析扩散图像允许重建和纤维束在大脑中，该过程称为纤维束成像跟踪。纤维束成像使用中连续体素定向信息跟踪特定纤维束他们大脑的遍历，可以帮助建立模型的大脑结构之间的各种相互联系。这种技术可以用于研究感兴趣，单个的大脑区域之间的连接或或者分析整个人脑或复杂网络的结构，大脑。
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References
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- 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).
