Overview
Fonte: Laboratórios de Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel - Universidade do Sul da Califórnia
Técnicas tradicionais de imagem cerebral usando ressonância magnética são muito boas em visualizar as estruturas brutas do cérebro. Uma imagem estrutural do cérebro feita com ressonância magnética fornece alto contraste das bordas entre matéria cinza e branca, e informações sobre o tamanho e a forma das estruturas cerebrais. No entanto, essas imagens não detalham a estrutura subjacente e a integridade das redes de matéria branca no cérebro, que consistem em feixes de axônio que interligam regiões cerebrais locais e distantes.
A ressonância magnética de difusão usa sequências de pulso sensíveis à difusão de moléculas de água. Medindo a direção da difusão, é possível fazer inferências sobre a estrutura das redes de matéria branca no cérebro. Moléculas de água dentro de um axônio são restringidas em seus movimentos pela membrana celular; em vez de se moverem aleatoriamente em todas as direções com igual probabilidade (movimento isotrótrópico), eles são mais propensos a se mover em determinadas direções, em paralelo com o axônio (movimento anisotrótrópico; Figura 1). Portanto, acredita-se que medidas de anisotropia de difusão refletem propriedades da matéria branca, como densidade de fibras, espessura do axônio e grau de mielinação. Uma medida comum é a anisotropia fracionária (FA). Os valores da FA variam de 0, que representa movimento totalmente isotrópica, a 1, refletindo anisotropia máxima.
Figura 1: Anisotropia difusa. Quando a direção da difusão é desconstreada e aleatória, o movimento é medido em todas as direções igualmente. Esta é difusão isotrópica (A). Quando moléculas de água são contidas dentro do axônio de um neurônio, a difusão é anisotropica,tende a ocorrer com mais frequência ao longo da direção do axônio (B). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Neste experimento usaremos imagens tensor de difusão (DTI) para medir a integridade da matéria branca em lesão cerebral traumática (TBI). TBI ocorre quando uma força externa fere o cérebro, como um golpe na cabeça ou um movimento repentino como o que pode ocorrer em um acidente de carro. Este tipo de lesão cerebral de forças mecânicas está associada com danos difusos de lesão axonal à matéria branca em todo o cérebro. Por ser uma lesão que afeta a integridade da matéria branca, as técnicas padrão de neuroimagem podem não revelar o dano. No entanto, as medidas de difusão são especialmente sensíveis a essas mudanças anatômicas. Após um estudo de Kraus et al. 1, comparamos um grupo de controles saudáveis a um grupo de pessoas com TCE e usamos imagens de difusão para medir o efeito do TBI na matéria branca cerebral. Além disso, testaremos a relação entre integridade da matéria branca e função cognitiva usando uma tarefa de atenção. 2 Este estudo utiliza uma abordagem de região de interesse (ROI) com foco em três tratos de matéria branca: o esplenio do caloso corpus, a radia de coroa anterior e o fasciculus longitudinal superior(Figura 2).
Figura 2: Regiões de interesse. Os três ROIs, definidos a partir do atlas ICBM DTI-81, são mostrados aqui em fatias horizontais através do cérebro. Em verde está o espálnio do corpus calosum. O baço é a parte mais posterior do corpo caloso. Em azul está a coroa anterior radiata. O fasciculus longitudinal superior é mostrado em vermelho. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Procedure
1. Recrutamento de participantes
- Recrute 20 participantes com TCE moderado a grave e 20 controles de idade compatível. Todos os participantes devem ter mais de 18 anos.
- Pacientes com TCE deveriam ter sofrido um ferimento na cabeça fechado que ocorreu há pelo menos 6 meses. O TCE é diagnosticado avaliando vários fatores, como alterações na consciência, perda de consciência e perda de memória de antes ou depois do acidente. Para ser classificado como moderado a grave, o paciente deve ter experimentado um período de perda de consciência superior a 30 minutos, e/ou obteve um escore inferior a 13 na Escala de Coma de Glasgow.
- Os participantes do controle não devem ter histórico de distúrbios neurológicos ou psicológicos.
- Todos os participantes não devem ter metal em seu corpo. Este é um importante requisito de segurança devido ao alto campo magnético envolvido na ressonância magnética.
- Todos os participantes não devem sofrer de claustrofobia, uma vez que a ressonância magnética requer estar no pequeno espaço do furo do scanner.
- Procedimentos de pré-digitalização
- Preencha a papelada pré-digitalizada.
- Quando os participantes vierem para a ressonância magnética, primeiro preencha um formulário de tela metálica para garantir que não tenham contraindicações para ressonância magnética, um formulário de achados incidentais que dá consentimento para que sua varredura seja examinada por um radiologista e um formulário de consentimento detalhando os riscos e benefícios do estudo.
- Prepare os participantes para ir ao scanner removendo todo o metal de seu corpo, incluindo cintos, carteiras, telefones, grampos de cabelo, moedas e todas as joias.
- Preparação do scanner
- Dê aos participantes protetores de ouvido para proteger seus ouvidos do ruído do scanner e dos fones de ouvido para que eles possam ouvir o experimentador durante a varredura, e tê-los deitados na cama com a cabeça na bobina.
- Dê ao participante a bola de aperto de emergência e instrua-os a espremê-la em caso de emergência durante a varredura.
- Use almofadas de espuma para fixar a cabeça dos participantes na bobina para evitar o excesso de movimento durante a varredura, e lembre ao participante que é muito importante ficar o mais quieto possível durante a varredura, pois até mesmo os menores movimentos desfocam as imagens.
- Recolha de dados
- Colete uma varredura anatômica de alta resolução com peso T1. Isso será usado para cadastrar o cérebro do participante no espaço padrão atlas.
- Comece a digitalizar usando uma sequência de pulso otimizada para DTI.
- Uma imagem B0 é adquirida que não é sensível à direção de difusão.
- Várias imagens ponderadas por difusão são adquiridas, cada uma sensível a uma direção diferente de difusão. Quanto mais direções adquiridas, mais finamente poderemos resolver o tensor de difusão. No entanto, o aumento do número de direções também aumenta o tempo de aquisição. Neste estudo, adquiriremos 64 direções diferentes.
- Tarefa de atenção
- Fora do scanner de ressonância magnética, todos os participantes realizem uma versão da Tarefa de Rede de Atenção (ANT)3 para avaliar sua capacidade de atenção seletiva.
- Sente o participante em frente a uma tela de computador e instrua-os sobre como completar a tarefa.
- Explique que uma série de setas aparecerão na tela. A tarefa do participante é responder apenas à seta no centro, e ignorar as outras. Se a seta central estiver apontando para a esquerda, pressionarão a tecla 'F' com a mão esquerda. Se a seta central estiver apontando para a direita, pressionarão a tecla 'J' com a mão direita. Eles devem responder o mais rápido e com precisão possível.
- Comece a tarefa.
- Em cada teste, apresente uma linha de cinco setas na tela. Cada seta pode estar apontando para a esquerda ou para a direita. Em julgamentos congruentes, todas as setas apontam na mesma direção. Em ensaios incongruentes, a seta central aponta na direção oposta das flechas de flanqueamento. Cada ensaio começa com uma cruz de fixação que permanece na tela por uma duração variável entre 400 e 1600 ms. Em seguida, os estímulos de seta aparecem e permanecem na tela até que o participante responda, ou por um máximo de 1700 ms. O julgamento termina com uma cruz de fixação que permanece na tela até que uma duração total de teste de 4s tenha sido alcançada.
- Apresentar 100 ensaios, metade com alvos congruentes e meio alvos incongruentes.
- Calcule a diferença no tempo de reação entre alvos incongruentes e alvos congruentes. Normalmente, o tempo de reação é mais lento em resposta a alvos incongruentes. As pessoas que estão mais distraídas com as flechas de flanqueamento terão uma diferença maior no tempo de reação entre alvos incongruentes e congruentes. Esta medida de controle de atenção será testada contra medidas de integridade da matéria branca.
- Procedimentos pós-experimento
- Interrogue o participante.
- Pague o participante.
- Análise de dados
- Pré-processe os dados de difusão.
- Inspecione visualmente os dados para ter certeza de que estão livres de artefatos.
- Realize a correção de corrente de eddy com software especializado.
- Para cada sujeito, registre cada uma das imagens de difusão direcional na imagem B0 usando uma transformação linear de afinidade corpo rígido. Esta etapa compensará qualquer movimento que ocorreu desde a varredura até a varredura.
- Remova o crânio e outros tecidos não cerebrais das imagens usando software automatizado. Isso garantirá que não calculemos tensores para voxels que estão fora do cérebro.
- Combine entre as imagens de várias direções para calcular o tensor de difusão em cada voxel. Existem vários pacotes de software disponíveis livremente para processar dados DTI que calcularão esses valores.
- Calcule fa em cada voxel, a proporção de magnitude tensor devido à difusão anisotropica.
- Registre as imagens de difusão na imagem Anatômica T1 de alta resolução e, em seguida, no espaço padrão do atlas para permitir a análise em nível de grupo.
- Definir regiões de interesse (ROI).
- Obtenha as três máscaras roi de um atlas de matéria branca padrão. Aqui, utilizamos o atlas de matéria branca ICBM-DTI-81 criado pelo Consórcio Internacional de Mapeamento Cerebral(Figura 2).
- Registre a imagem anatômica de alta resolução de cada indivíduo no atlas padrão.
- Deforme as máscaras do ROI no espaço cerebral individual de cada participante usando os registros realizados na etapa anterior.
- Extrair valores fa para cada sujeito de cada um dos três ROIs.
- Compare os valores de FA entre os dois grupos utilizando Análise de Variância (ANOVA).
- Calcular a correlação de Pearson entre os escores de congruência dos participantes da ANT e os valores da FA.
- Pré-processe os dados de difusão.
Difusão Tensor Imaging — DTI — é uma técnica dentro da ressonância magnética que se baseia na difusão de moléculas de água para estudar a integridade das redes de matéria branca — os feixes de axônio que conectam matéria cinzenta cortical e subcortical — no cérebro.
Essas estruturas de interconexão podem ser danificadas quando uma força externa, como uma bola de futebol, entra em contato com a cabeça durante uma partida. Tais interações repetitivas podem levar a lesões mais graves, referidas como Lesão Cerebral Traumática, TBI para abreviar.
Com o tempo, o dano à matéria branca cerebral é frequentemente associado a déficits na cognição, particularmente no domínio atencional. Por exemplo, um jogador com TBI pode ser mais distraído por um torcedor nas arquibancadas e mais lento para reagir ao time adversário.
Com base em trabalhos anteriores realizados por Kraus e colegas, este vídeo demonstra como medir a integridade da matéria branca usando DTI em pacientes com TCE em comparação com indivíduos de controle saudável.
Também examinaremos a função cognitiva por meio de uma tarefa de atenção seletiva, explicaremos como analisar os dados de imagem e interpretaremos a relação entre valores de difusão em regiões definidas de interesse e controle de atenção.
Neste experimento, dois grupos de participantes — pacientes diagnosticados com TCE moderado a grave e indivíduos de controle saudáveis — são escaneados usando um protocolo DTI e, em seguida, testados em uma tarefa de atenção.
Primeiro, vamos discutir alguns princípios por trás do DTI: A técnica é sensível à difusão de moléculas de água, que estão sempre se movendo, principalmente em paralelo com a vasta quantidade de pacotes axonais. Este tipo de movimento é conhecido como difusão anisotrópica.
Junto com o caminho do fluxo de água, a quantidade de difusão pode ser medida para calcular o tensor — essencialmente ilustrado como um elipsoide com uma direção. Este valor é quantificado com base no comprimento relativo à sua largura usando um método chamado anisotropia fracionária, abreviado como FA.
Mais especificamente, os valores de FA podem variar de 0 — isotrópico ou movimento igual — a 1, o que reflete a maior quantidade de anisotropia.
A precisão é maximizada em todos os voxels através da aquisição de imagens de difusão durante uma ressonância magnética em muitas direções diferentes que correspondem a mudanças no campo magnético aplicado. Esse aumento da resolução ocorre às custas do tempo.
Sabendo disso, uma variável dependente crítica consiste nos valores fa para três regiões de interesse, ou ROIs: a corona radia anterior, o esplenio do corpo caloso e o fasciculus longitudinal superior.
Em comparação com os controles normais, espera-se que os valores da FA sejam reduzidos em indivíduos com TCE, uma vez que sua matéria branca deverá ser comprometida de forma não localizada, resultando em menos anisotropia em todos os ROIs.
No entanto, uma região — a radia de coroa anterior — está associada a conexões com o córtex cingulado anterior, que desempenha um papel importante no controle da atenção.
Para explorar ainda mais essa relação funcional entre integridade e comportamento de matéria branca, todos os participantes são testados na Tarefa de Rede de Atenção desenvolvida por Fan e colegas.
Nesse paradigma, os participantes são solicitados a concentrar sua atenção, primeiro em direção a uma cruz de fixação que aparece por uma duração variável entre 400 e 1600 ms, seguida por dois tipos diferentes de setas: um central e dois grupos de flanqueamento que podem variar na direção que apontam.
Em metade dos ensaios, todas as setas apontam na mesma direção; estes são considerados congruentes. Para a outra metade, a seta central aponta para o lado oposto dos flanqueamentos, e esses casos são referidos como incongruentes. Os participantes são solicitados a categorizar as setas fazendo teclas associadas o mais rápido possível quando cada novo conjunto aparecer.
Aqui, a diferença nos tempos de reação entre os tipos de ensaio é calculada como outra variável dependente. Espera-se que indivíduos mais distraídos pelas setas de flanqueamento tenham uma pontuação de diferença maior, o que indica um baixo controle de atenção.
Prevê-se, portanto, que essa medida se correlacione negativamente com os valores da FA, especificamente na região relacionada à capacidade de atenção — a radia de coroa anterior — e não as outras, mostrando assim a significância funcional de determinados tratos de matéria branca.
Antes do experimento, recrute 20 pacientes adultos que foram diagnosticados com TCE moderada a grave nos últimos 6 meses e controles com idade compatível, que não têm histórico de distúrbios neurológicos ou psicológicos.
Para o propósito desta demonstração, teste um paciente documentado como tendo uma perda de consciência por mais de 30 minutos ou uma pontuação de < 13 na Escala de Coma de Glasgow.
No dia do exame, cumprimente-os e garanta que eles não sofram de claustrofobia ou tenham qualquer metal em seu corpo; também que eles preencham os formulários de consentimento necessários detalhando os riscos e benefícios do estudo.
Após obter o consentimento, prepare o paciente para entrar na sala de varredura. Para obter informações mais detalhadas sobre os procedimentos de pré-digitalização, consulte outro projeto de ressonância magnética nesta coleção.
Com o paciente agora no furo do scanner, primeiro colete uma varredura anatômica de alta resolução. Em seguida, inicie uma sequência de pulso otimizada para DTI adquirindo uma imagem B0 — uma que não é sensível à direção de difusão — bem como várias imagens ponderadas por difusão em 64 direções diferentes.
Quando a sequência estiver completa, escolte o paciente para fora do scanner e para uma sala experimental com um computador para executar a próxima fase, uma Tarefa de Rede de Atenção.
Explique as instruções de tarefa: Eles verão uma série de cinco setas na tela e devem se concentrar apenas no centro. Para garantir respostas rápidas e precisas, coloque as mãos no teclado, com o dedo indicador esquerdo na tecla 'F' e a direita no 'J'.
Durante os ensaios onde a seta central está apontando para a esquerda, instrua-os a pressionar 'F'. Caso contrário, quando estiver virado para a direita, pressione 'J'.
Deixe o paciente completar 100 ensaios: Lembre-se que cada um começa com uma cruz de fixação que permanece na tela por uma duração variável de 400 a 1600 ms, após a qual as setas aparecem, e a central será incongruente ou congruente.
Observe que as setas permanecem na tela até que o paciente responda, ou por um máximo de 1700 ms se não pressionar nenhuma das teclas. Observe também que cada ensaio termina com uma cruz de fixação que permanece visível por uma duração total de teste de 4 s.
Ao final da tarefa de atenção, interrogue o paciente para concluir o estudo e compense-o por sua participação.
Depois que o scanner e os dados comportamentais foram obtidos, os arquivos de difusão bruta precisam primeiro ser convertidos em imagens tensor.
Para iniciar o pré-processamento, realize a correção de distorção para correntes de eddy, que comumente ocorrem nos dados brutos como resultado da alteração do campo magnético durante a aquisição.
Para compensar o movimento, aplique uma transformação linear de afinidade corpo rígido, que registra cada uma das imagens de difusão direcional à referência B0.
Além disso, isole o cérebro do crânio e outros tecidos não neurais para garantir que as tensões não sejam calculadas para voxels fora do cérebro.
Agora, combine todas as 64 imagens direcionais para calcular o tensor de difusão em cada voxel e saída os valores de FA correspondentes em segundo plano.
Posteriormente, registre as imagens de difusão na varredura anatômica de alta resolução e, em seguida, em um espaço atlas padrão para permitir a análise em nível de grupo.
Com o pré-processamento concluído, use um atlas de matéria branca para identificar três ROIs: a corona radiada anterior, o esplenio do calosum corpus e o fasciculus longitudinal superior.
Por fim, cadastre a imagem anatômica de cada participante no atlas padrão e use-as para deformar as máscaras do ROI no espaço cerebral de cada participante.
Para fazer um gráfico dos dados, compare os valores de FA extraídos por grupo, plotando cada ROI separadamente. Observe que os valores da FA foram significativamente menores no grupo TBI em todos os três ROIs, indicando danos generalizados à matéria branca nesses pacientes.
Para incorporar os dados comportamentais, plote as diferenças nos tempos de reação entre ensaios incongruentes e congruentes contra os valores da FA para todos os sujeitos. Realize uma análise de correlação de Pearson sobre esses resultados gerais, novamente independentemente para cada ROI.
Desta vez, apenas uma das regiões — a corona anterior radiata — apresentou correlação significativa, na direção negativa. Ou seja, os altos valores de FA foram associados a tempos de reação rápidos, enquanto a baixa anisotropia correspondia a tempos de resposta mais longos. Esses achados sugerem uma ligação funcional entre a conexão da matéria branca e o controle atencional.
Agora que você está familiarizado com como relacionar estrutura e função usando DTI e uma tarefa de controle de atenção, vamos ver como os pesquisadores estão usando abordagens semelhantes para estudar outras populações com conectividade comprometida ou como uma maneira de protegê-la.
Embora o envelhecimento normal esteja associado ao declínio cognitivo, as mudanças não são necessariamente generalizadas. Em vez disso, parecem estar relacionados a funções específicas que correspondem à integridade da matéria branca e valores reduzidos de FA, especialmente no córtex pré-frontal. Assim, a imagem de difusão poderia ser usada como um método para a detecção precoce de alterações relacionadas à idade na função executiva.
Usando dados coletados pelo DTI, os pesquisadores podem usar uma técnica 3D chamada tratoografia de fibras e reconstruir tratos de matéria branca em todo o cérebro. Este procedimento de modelagem é útil em muitos domínios, incluindo neurocirurgia.
Se, por exemplo, os cirurgiões precisam remover um tumor, eles podem planejar exatamente onde os tratos de matéria branca estão próximos de estruturas críticas e evitar consequências prejudiciais.
Você acabou de assistir a introdução do JoVE à imagem do tensor de difusão. Agora você deve ter uma boa compreensão de como projetar e conduzir um experimento DTI, bem como como analisar e interpretar padrões específicos de difusão com implicações cognitivas relacionadas a lesões cerebrais traumáticas.
Obrigado por assistir!
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Results
Os valores fa dos três ROIs são mostrados na Figura 3. A anisotropia fracionária foi significativamente menor no grupo TBI nos três ROIs, indicando a presença de danos generalizados da matéria branca nesses indivíduos. Esta perda não localizada da integridade da matéria branca é típica da TBI.
Figura 3: Anisotropia reduzida em pacientes com TCE e relação com controle de atenção. (A) Os valores de FA são significativamente menores em pacientes com TCE em comparação com controles saudáveis em todos os 3 ROIs. (B) Fa na radia da coroa anterior correlaciona-se negativamente com o aumento do efeito de incongruência na tarefa de atenção. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Nossa medida de diferenças de tempo de controle-resposta atencionais entre alvos congruentes e incongruentes correlacionados negativamente com os valores fa na radia anterior da coroa(Figura 3). Em outras palavras, maiores diferenças no tempo de resposta, indicando menor controle de atenção, estão associadas à diminuição da FA. Esses resultados evidenciam uma relação entre a integridade da matéria branca neste local e o desempenho nesta tarefa. Essa relação não foi encontrada nos outros dois ROIs. A radiada corona anterior está associada a conexões com o córtex cingulado anterior, uma estrutura conhecida por desempenhar um papel importante no controle da atenção.
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Applications and Summary
Como a imagem de difusão pode revelar diferenças na estrutura da matéria branca que muitas vezes não são visíveis com a ressonância magnética tradicional, é uma ferramenta importante para entender a estrutura e a função do cérebro. Neste experimento identificamos um marcador clinicamente relevante para lesão cerebral traumática que pode ser usado para prever as consequências comportamentais de tal lesão. O DTI tem sido especialmente útil no estudo do desenvolvimento cerebral, uma vez que mudanças na estrutura da matéria branca são encontradas ao longo da vida útil desde a primeira infância até o final da vida adulta. Por exemplo, o envelhecimento em idosos está associado a um declínio na anisotropia fracionária.
Uma análise mais sofisticada das imagens de difusão permite a reconstrução e rastreamento de tratos de fibras no cérebro, um processo conhecido como tractografia. A tractografia usa as informações direcionais em voxels contíguos para rastrear feixes específicos de fibras à medida que atravessam o cérebro e podem ajudar a construir modelos das várias interconexões entre as estruturas cerebrais. Essa técnica pode ser usada para estudar as conexões entre regiões cerebrais individuais de interesse, ou alternativamente para analisar toda a estrutura de rede conectada, ou complexa, do cérebro.
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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).
