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Utilizzo dell'imaging con tensore di diffusione nelle lesioni cerebrali traumatiche

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Using TMS to Measure Motor Excitability During Action Observation

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Using TMS to Measure Motor Excitability During Action Observation

Learning and Memory: The Remember-Know Task

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Learning and Memory: The Remember-Know Task

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Utilizzo dell'imaging con tensore di diffusione nelle lesioni cerebrali traumatiche

Overview

Fonte: Laboratori di Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel—University of Southern California

Le tradizionali tecniche di imaging cerebrale che utilizzano la risonanza magnetica sono molto brave a visualizzare le strutture grossolane del cervello. Un'immagine cerebrale strutturale realizzata con la risonanza magnetica fornisce un elevato contrasto dei confini tra materia grigia e bianca e informazioni sulle dimensioni e la forma delle strutture cerebrali. Tuttavia, queste immagini non descrivono in dettaglio la struttura sottostante e l'integrità delle reti di materia bianca nel cervello, che consistono in fasci di assoni che interconnettono regioni cerebrali locali e distanti.

La risonanza magnetica a diffusione utilizza sequenze di impulsi sensibili alla diffusione di molecole d'acqua. Misurando la direzione di diffusione, è possibile fare inferenze sulla struttura delle reti di materia bianca nel cervello. Le molecole d'acqua all'interno di un assone sono vincolate nei loro movimenti dalla membrana cellulare; invece di muoversi casualmente in ogni direzione con uguale probabilità (movimento isotropo), è più probabile che si muovano in determinate direzioni, in parallelo con l'assone (movimento anisotropico; Figura 1). Pertanto, si ritiene che le misure di anisotropia di diffusione riflettano le proprietà della sostanza bianca come la densità delle fibre, lo spessore degli assoni e il grado di mielinizzazione. Una misura comune è l'anisotropia frazionaria (FA). I valori di FA vanno da 0, che rappresenta il movimento completamente isotropo, a 1, riflettendo l'anisotropia massima.

Figura 1: Anisotropia di diffusione. Quando la direzione di diffusione è libera e casuale, il movimento viene misurato in tutte le direzioni allo stesso modo. Questa è la diffusione isotropa (A). Quando le molecole d'acqua sono contenute all'interno dell'assone di un neurone, la diffusione è anisotropa, tendendo a verificarsi più frequentemente lungo la direzione dell'assone (B). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

In questo esperimento useremo l'imaging del tensore di diffusione (DTI) per misurare l'integrità della sostanza bianca nella lesione cerebrale traumatica (TBI). Il TBI si verifica quando una forza esterna ferisce il cervello, come un colpo alla testa o un movimento improvviso come quello che potrebbe verificarsi in un incidente d'auto. Questo tipo di lesione cerebrale da forze meccaniche è associato a lesioni assonali diffuse-danno alla sostanza bianca in tutto il cervello. Poiché si tratta di una lesione che colpisce l'integrità della sostanza bianca, le tecniche di neuroimaging standard potrebbero non rivelare il danno. Tuttavia, le misure di diffusione sono particolarmente sensibili a questi cambiamenti anatomici. A seguito di uno studio di Kraus et al. ¹, confrontiamo un gruppo di controlli sani con un gruppo di persone con TBI e utilizziamo l'imaging a diffusione per misurare l'effetto del TBI sulla sostanza bianca cerebrale. Inoltre, testeremo la relazione tra integrità della sostanza bianca e funzione cognitiva utilizzando un compito di attenzione. ² Questo studio utilizza un approccio di regione di interesse (ROI) incentrato su tre tratti di sostanza bianca: lo splenio del corpo calloso, la corona radiata anteriore e il fascicolo longitudinale superiore (Figura 2).

Figura 2: Regioni di interesse. I tre ROI, definiti dall'atlante ICBM DTI-81, sono mostrati qui in sezioni orizzontali attraverso il cervello. In verde è lo splenio del corpo calloso. Lo splenio è la parte più posteriore del corpo calloso. In blu è la corona radiata anteriore. Il fascicolo longitudinale superiore è mostrato in rosso. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Procedure

1. Reclutamento dei partecipanti

Reclutare 20 partecipanti con TBI da moderato a grave e 20 controlli abbinati all'età. Tutti i partecipanti devono avere più di 18 anni.
1. I pazienti con TBI dovrebbero aver subito un trauma cranico chiuso che si è verificato almeno 6 mesi fa. Il TBI viene diagnosticato valutando diversi fattori come i cambiamenti di coscienza, la perdita di coscienza e la perdita di memoria prima o dopo l'incidente. Per essere classificato come da moderato a grave, il paziente deve aver sperimentato un periodo di perdita di coscienza superiore a 30 minuti e / o ottenuto un punteggio inferiore a 13 sulla glasgow Coma Scale.
2. I partecipanti al controllo non dovrebbero avere una storia di disturbi neurologici o psicologici.
3. Tutti i partecipanti non dovrebbero avere metallo nel loro corpo. Questo è un importante requisito di sicurezza a causa dell'elevato campo magnetico coinvolto nella risonanza magnetica.
4. Tutti i partecipanti non dovrebbero soffrire di claustrofobia, poiché la risonanza magnetica richiede di sdraiarsi nel piccolo spazio del foro dello scanner.
Procedure di pre-scansione
1. Compila i documenti pre-scansione.
2. Quando i partecipanti arrivano per la loro risonanza magnetica, fai prima compilare un modulo di schermo metallico per assicurarsi che non abbiano controindicazioni per la risonanza magnetica, un modulo di risultati incidentali che dà il consenso affinché la loro scansione venga esaminata da un radiologo e un modulo di consenso che dettaglia i rischi e i benefici dello studio.
3. Prepara i partecipanti ad andare nello scanner rimuovendo tutto il metallo dal loro corpo, tra cui cinture, portafogli, telefoni, fermagli per capelli, monete e tutti i gioielli.
Preparazione dello scanner
1. Dare ai partecipanti tappi per le orecchie per proteggere le orecchie dal rumore dello scanner e dei telefoni auricolari da indossare in modo che possano sentire lo sperimentatore durante la scansione e farli sdraiare sul letto con la testa nella bobina.
2. Dare al partecipante la palla di spremimento di emergenza e istruirlo a spremerlo in caso di emergenza durante la scansione.
3. Utilizzare cuscinetti di schiuma per fissare la testa dei partecipanti nella bobina per evitare movimenti eccessivi durante la scansione e ricordare al partecipante che è molto importante rimanere il più fermo possibile durante la scansione, poiché anche i più piccoli movimenti offuscano le immagini.
Raccolta dei dati
1. Raccogliere una scansione anatomica ponderata T1 ad alta risoluzione. Questo sarà usato per registrare il cervello del partecipante nello spazio standard dell'atlante.
2. Inizia la scansione utilizzando una sequenza di impulsi ottimizzata per DTI.
  1. Viene acquisita un'immagine B0 che non è sensibile alla direzione di diffusione.
  2. Vengono acquisite più immagini ponderate per la diffusione, ognuna sensibile a una diversa direzione di diffusione. Più direzioni acquisite, più finemente saremo in grado di risolvere il tensore di diffusione. Tuttavia, l'aumento del numero di direzioni aumenta anche il tempo di acquisizione. In questo studio, acquisiremo 64 direzioni diverse.
Compito di attenzione
1. Al di fuori dello scanner MRI, tutti i partecipanti eseguono una versione dell'Attention Network Task (ANT)³ per valutare la loro capacità di attenzione selettiva.
2. Siediti il partecipante davanti allo schermo di un computer e istruisci su come completare l'attività.
  1. Spiega che sullo schermo verrà visualizzata una serie di frecce. Il compito del partecipante è quello di rispondere solo alla freccia al centro e di ignorare gli altri. Se la freccia centrale punta a sinistra, premeranno il tasto "F" con la mano sinistra. Se la freccia centrale punta a destra, premeranno il tasto "J" con la mano destra. Dovrebbero rispondere nel modo più rapido e accurato possibile.
3. Inizia l'attività.
  1. In ogni prova, presenta una fila di cinque frecce sullo schermo. Ogni freccia può puntare a sinistra o a destra. Nelle prove congruenti, tutte le frecce puntano nella stessa direzione. Nelle prove incongruenti, la freccia centrale punta nella direzione opposta rispetto alle frecce di fiancheggiamento. Ogni prova inizia con una croce di fissazione che rimane sullo schermo per una durata variabile tra 400 e 1600 ms. Quindi gli stimoli freccia appaiono e rimangono sullo schermo fino a quando il partecipante non risponde, o per un massimo di 1700 ms. Il processo si conclude con una croce di fissazione che rimane sullo schermo fino a quando non è stata raggiunta una durata totale della prova di 4 secondi.
  2. Presentano 100 studi, metà con obiettivi congruenti e metà obiettivi incongruenti.
  3. Calcola la differenza nel tempo di reazione tra target incongruenti e target congruenti. In genere, il tempo di reazione è più lento in risposta a bersagli incongruenti. Le persone che sono più distratte dalle frecce di fiancheggiamento avranno una maggiore differenza nel tempo di reazione tra bersagli incongruenti e congruenti. Questa misura di controllo attenzionale sarà testata rispetto alle misure di integrità della sostanza bianca.
Procedure post-esperimento
1. Debriefing del partecipante.
2. Paga il partecipante.
Analisi dei dati
1. Pre-elaborare i dati di diffusione.
  1. Ispezionare visivamente i dati per assicurarsi che siano privi di artefatti.
  2. Esegui la correzione a correnti parassiche con un software specializzato.
  3. Per ogni soggetto, registrare ciascuna delle immagini di diffusione direzionale nell'immagine B0 utilizzando una trasformazione affine lineare a corpo rigido. Questo passaggio compenserà qualsiasi movimento che si è verificato dalla scansione alla scansione.
  4. Rimuovere il cranio e altri tessuti non cerebrali dalle immagini utilizzando un software automatizzato. Ciò garantirà che non calcoliamo tensori per voxel che si trovano al di fuori del cervello.
  5. Combina tra le immagini a direzione multipla per calcolare il tensore di diffusione in ogni voxel. Esistono diversi pacchetti software disponibili gratuitamente per l'elaborazione dei dati DTI che calcoleranno questi valori.
  6. Calcola FA ad ogni voxel, la proporzione di magnitudine tensoriale dovuta alla diffusione anisotropica.
  7. Registrare le immagini di diffusione nell'immagine anatomica T1 ad alta risoluzione e quindi nello spazio atlante standard per consentire l'analisi a livello di gruppo.
2. Definire le regioni di interesse (ROI).
  1. Ottenere le tre maschere ROI da un atlante standard della sostanza bianca. Qui, usiamo l'atlante della sostanza bianca ICBM-DTI-81 creato dall'International Consortium for Brain Mapping (Figura 2).
  2. Registra l'immagine anatomica ad alta risoluzione di ogni singolo soggetto nell'atlante standard.
  3. Deforma le maschere ROI nello spazio cerebrale individuale di ciascun partecipante utilizzando le registrazioni eseguite nel passaggio precedente.
3. Estrarre i valori FA per ciascun soggetto da ciascuno dei tre ROI.
4. Confrontare i valori FA tra i due gruppi utilizzando l'analisi della varianza (ANOVA).
5. Calcolare la correlazione di Pearson tra i punteggi di congruenza dei partecipanti dai valori ANT e FA.

Diffusion Tensor Imaging - DTI - è una tecnica all'interno della risonanza magnetica che si basa sulla diffusione di molecole d'acqua per studiare l'integrità delle reti di sostanza bianca - i fasci di assoni che collegano la materia grigia corticale e sottocorticale - nel cervello.

Queste strutture interconnesse possono essere danneggiate quando una forza esterna, come un pallone da calcio, entra in contatto con la testa durante una partita. Tali interazioni ripetitive possono portare a lesioni più gravi, denominate lesioni cerebrali traumatiche, TBI in breve.

Nel corso del tempo, il danno alla sostanza bianca cerebrale è spesso associato a deficit cognitivi, in particolare nel dominio attenzionale. Ad esempio, un giocatore con TBI potrebbe essere più distratto da un tifoso sugli spalti e più lento a reagire alla squadra avversaria.

Sulla base del lavoro precedente svolto da Kraus e colleghi, questo video dimostra come misurare l'integrità della sostanza bianca utilizzando DTI in pazienti con TBI rispetto a individui sani di controllo.

Esamineremo anche la funzione cognitiva utilizzando un compito di attenzione selettiva, spiegheremo come analizzare i dati di imaging e interpreteremo la relazione tra i valori di diffusione in regioni di interesse definite e il controllo attenzionale.

In questo esperimento, due gruppi di partecipanti – pazienti con diagnosi di TBI da moderata a grave e individui di controllo sani – vengono scansionati utilizzando un protocollo DTI e quindi testati su un compito di attenzione.

Per prima cosa, discutiamo alcuni principi alla base del DTI: la tecnica è sensibile alla diffusione di molecole d'acqua, che sono sempre in movimento, per lo più in parallelo alla grande quantità di fasci assonali. Questo tipo di movimento è noto come diffusione anisotropica.

Insieme al percorso del flusso d'acqua, la quantità di diffusione può essere misurata per calcolare il tensore, essenzialmente illustrato come un ellissoide con una direzione. Questo valore viene quantificato in base alla lunghezza relativa alla sua larghezza utilizzando un metodo chiamato anisotropia frazionaria, abbreviato in FA.

Più specificamente, i valori fa possono variare da 0 - isotropo o movimento uguale - a 1, che riflette la maggior quantità di anisotropia.

La precisione è massimizzata su tutti i voxel acquisendo immagini di diffusione durante una scansione MRI in molte direzioni diverse che corrispondono agli spostamenti nel campo magnetico applicato. Questa maggiore risoluzione si verifica a scapito del tempo.

Sapendo questo, una variabile critica dipendente è costituita dai valori FA per tre regioni di interesse, o ROI: la corona radiata anteriore, lo splenio del corpo calloso e il fascicolo longitudinale superiore.

Rispetto ai controlli normali, i valori fa dovrebbero essere ridotti negli individui con TBI, poiché la loro sostanza bianca dovrebbe essere compromessa in modo non localizzato, con conseguente minore anisotropia in tutti i ROI.

Tuttavia, una regione, la corona radiata anteriore, è associata a connessioni alla corteccia cingolata anteriore, che svolge un ruolo importante nel controllo dell'attenzione.

Per esplorare ulteriormente questa relazione funzionale tra integrità e comportamento della sostanza bianca, tutti i partecipanti vengono testati sull'Attention Network Task sviluppato da Fan e colleghi.

In questo paradigma, ai partecipanti viene chiesto di focalizzare la loro attenzione, prima verso una croce di fissazione che appare per una durata variabile tra 400 e 1600 ms, seguita da due diversi tipi di frecce: una centrale e due gruppi fiancheggianti che possono variare nella direzione in cui puntano.

Nella metà delle prove, tutte le frecce puntano nella stessa direzione; questi sono considerati congruenti. Per l'altra metà, la freccia centrale punta nella direzione opposta a quelle di fiancheggiamento, e questi casi sono indicati come incongruenti. Ai partecipanti viene chiesto di classificare le frecce effettuando le pressioni dei tasti associate il più rapidamente possibile quando viene visualizzato ogni nuovo set.

Qui, la differenza nei tempi di reazione tra i tipi di prova viene calcolata come un'altra variabile dipendente. Ci si aspetta che gli individui che sono più distratti dalle frecce laterali abbiano un punteggio di differenza più grande, il che indica uno scarso controllo dell'attenzione.

Si prevede quindi che questa misura sia correlata negativamente con i valori di FA, in particolare nella regione correlata alla capacità di attenzione - la corona radiata anteriore - e non le altre, mostrando così il significato funzionale di particolari tratti di sostanza bianca.

Prima dell'esperimento, reclutare 20 pazienti adulti a cui è stato diagnosticato un TBI da moderato a grave negli ultimi 6 mesi e controlli di pari età, che non hanno una storia di disturbi neurologici o psicologici.

Ai fini di questa dimostrazione, testare un paziente documentato come con perdita di coscienza per più di 30 minuti o un punteggio di < 13 sulla Glasgow Coma Scale.

Il giorno della loro scansione, salutali e assicurati che non soffrano di claustrofobia o abbiano alcun metallo nel loro corpo; anche farli compilare i moduli di consenso necessari che dettagliano i rischi e i benefici dello studio.

Dopo aver ottenuto il consenso, preparare il paziente ad entrare nella stanza di scansione. Per informazioni più dettagliate sulle procedure di pre-scansione, fare riferimento a un altro progetto di risonanza magnetica in questa raccolta.

Con il paziente ora nel foro dello scanner, prima raccogli una scansione anatomica ad alta risoluzione. Quindi, avviare una sequenza di impulsi ottimizzata per DTI acquisendo un'immagine B_0, non sensibile alla direzione di diffusione, nonché più immagini ponderate per la diffusione in 64 direzioni diverse.

Quando la sequenza è completa, scortare il paziente fuori dallo scanner e in una stanza sperimentale con un computer per eseguire la fase successiva, un compito di rete di attenzione.

Spiega le istruzioni per l'attività: vedranno una serie di cinque frecce sullo schermo e dovrebbero concentrarsi solo su quella centrale. Per garantire risposte rapide e precise, invitali a mettere le mani sulla tastiera, con l'indice sinistro sul tasto 'F' e quello destro sulla 'J'.

Durante le prove in cui la freccia centrale punta a sinistra, chiedi loro di premere "F". Altrimenti, quando è rivolto a destra, premi "J".

Consentire al paziente di completare 100 studi: ricorda che ognuno inizia con una croce di fissazione che rimane sullo schermo per una durata variabile da 400 a 1600 ms, dopo di che appaiono le frecce, e quella centrale sarà incongruente o congruente.

Si noti che le frecce rimangono sullo schermo fino a quando il paziente non risponde, o per un massimo di 1700 ms se non premono nessuno dei due tasti. Si noti inoltre che ogni prova termina con una croce di fissazione che rimane visibile per una durata totale della prova di 4 s.

Alla fine del compito di attenzione, informa il paziente per concludere lo studio e compensarlo per la sua partecipazione.

Dopo aver ottenuto lo scanner e i dati comportamentali, i file di diffusione grezzi devono prima essere convertiti in immagini tensoriali.

Per iniziare la pre-elaborazione, eseguire la correzione della distorsione per le correnti parassi parasfiche, che si verificano comunemente nei dati grezzi a seguito della modifica del campo magnetico durante l'acquisizione.

Per compensare il movimento, applicate una trasformazione affine lineare a corpo rigido, che registra ciascuna delle immagini di diffusione direzionale al riferimento B_0.

Inoltre, isolare il cervello dal cranio e da altri tessuti non neurali per garantire che i tensori non siano calcolati per i voxel al di fuori del cervello.

Ora, combina tutte le 64 immagini direzionali per calcolare il tensore di diffusione a ciascun voxel e produrre i valori FA corrispondenti sullo sfondo.

Successivamente, registrare le immagini di diffusione alla scansione anatomica ad alta risoluzione e quindi a uno spazio atlante standard per consentire l'analisi a livello di gruppo.

Una volta completata la pre-elaborazione, utilizzare un atlante della sostanza bianca per identificare tre ROI: la corona radiata anteriore, lo splenio del corpo calloso e il fascicolo longitudinale superiore.

Infine, registra l'immagine anatomica di ciascun partecipante nell'atlante standard e utilizzala per deformare le maschere ROI nello spazio cerebrale di ciascun partecipante.

Per rappresentare graficamente i dati, confrontare i valori FA estratti per gruppo, tracciando ciascun ROI separatamente. Si noti che i valori di FA erano significativamente più bassi nel gruppo TBI in tutti e tre i ROI, indicando un danno diffuso della sostanza bianca in quei pazienti.

Per incorporare i dati comportamentali, tracciare le differenze nei tempi di reazione tra studi incongruenti e congruenti rispetto ai valori FA per tutti i soggetti. Eseguire un'analisi di correlazione Pearson su questi risultati complessivi, sempre in modo indipendente per ciascun ROI.

Questa volta, solo una delle regioni – la corona radiata anteriore – ha mostrato una correlazione significativa, nella direzione negativa. Cioè, alti valori di FA erano associati a tempi di reazione rapidi, mentre una bassa anisotropia corrispondeva a tempi di risposta più lunghi. Questi risultati suggeriscono un legame funzionale tra il collegamento della sostanza bianca e il controllo dell'attenzione.

Ora che hai familiarità con come mettere in relazione struttura e funzione usando DTI e un compito di controllo attenzionale, diamo un'occhiata a come i ricercatori stanno usando approcci simili per studiare altre popolazioni con connettività compromessa o come un modo per proteggerlo.

Mentre l'invecchiamento normale è associato al declino cognitivo, i cambiamenti non sono necessariamente diffusi. Piuttosto, sembrano essere correlati a funzioni specifiche che corrispondono all'integrità della sostanza bianca e ai valori FA ridotti, specialmente nella corteccia prefrontale. Pertanto, l'imaging a diffusione potrebbe essere utilizzato come metodo per la diagnosi precoce dei cambiamenti legati all'età nella funzione esecutiva.

Utilizzando i dati raccolti da DTI, i ricercatori possono utilizzare una tecnica 3D chiamata trattografia a fibre e ricostruire tratti di sostanza bianca in tutto il cervello. Questa procedura di modellazione è utile in molti domini, tra cui la neurochirurgia.

Se, ad esempio, i chirurghi hanno bisogno di rimuovere un tumore, possono pianificare esattamente dove si trovano i tratti della sostanza bianca in prossimità di strutture critiche ed evitare conseguenze dannose.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'imaging del tensore di diffusione. Ora dovresti avere una buona comprensione di come progettare e condurre un esperimento DTI, nonché di come analizzare e interpretare specifici modelli di diffusione con implicazioni cognitive legate alla lesione cerebrale traumatica.

Grazie per l'attenzione!

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Results

I valori FA dei tre ROI sono mostrati nella Figura 3. L'anisotropia frazionaria era significativamente più bassa nel gruppo TBI in tutti e tre i ROI, indicando la presenza di danni diffusi alla sostanza bianca in quegli individui. Questa perdita non localizzata di integrità della sostanza bianca è tipica del TBI.

Figura 3: Riduzione dell'anisotropia nei pazienti con TBI e relazione con il controllo attenzionale. (A) I valori di FA sono significativamente più bassi nei pazienti con TBI rispetto ai controlli sani in tutti e 3 i ROI. (B) La FA nella radiata della corona anteriore è correlata negativamente con un aumento dell'effetto di incongruenza nel compito di attenzione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La nostra misura delle differenze di tempo di controllo-risposta attenzionale tra bersagli congruenti e incongruenti è correlata negativamente con i valori FA nella corona radiata anteriore (Figura 3). In altre parole, maggiori differenze nel tempo di risposta, che indicano un controllo attenzionele più scarso, sono associate a una diminuzione della FA. Questi risultati evidenziano una relazione tra l'integrità della sostanza bianca in questa posizione e le prestazioni in questo compito. Questa relazione non è stata trovata negli altri due ROI. La corona radiata anteriore è associata a connessioni alla corteccia cingolata anteriore, una struttura nota per svolgere un ruolo importante nel controllo attenzionale.

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Applications and Summary

Poiché l'imaging a diffusione può rivelare differenze nella struttura della sostanza bianca che spesso non sono visibili con l'imaging MRI tradizionale, è uno strumento importante per comprendere la struttura e la funzione del cervello. In questo esperimento abbiamo identificato un marcatore clinicamente rilevante per la lesione cerebrale traumatica che può essere utilizzato per prevedere le conseguenze comportamentali di tale lesione. La DTI è stata particolarmente utile nello studio dello sviluppo del cervello, poiché i cambiamenti nella struttura della sostanza bianca si trovano per tutta la durata della vita dalla prima infanzia fino alla tarda età adulta. Ad esempio, l'invecchiamento negli anziani è associato a un declino dell'anisotropia frazionata.

Un'analisi più sofisticata delle immagini di diffusione consente la ricostruzione e il tracciamento dei tratti di fibre nel cervello, un processo noto come trattografia. La trattografia utilizza le informazioni direzionali in voxel contigui per tracciare specifici fasci di fibre mentre attraversano il cervello e può aiutare a costruire modelli delle varie interconnessioni tra le strutture cerebrali. Questa tecnica può essere utilizzata per studiare le connessioni tra le singole regioni cerebrali di interesse, o in alternativa per analizzare l'intero connettoma, o struttura di rete complessa, del cervello.

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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).

Transcript

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Diffusion Tensor Imaging - DTI - è una tecnica all'interno della risonanza magnetica che si basa sulla diffusione di molecole d'acqua per studiare l'integrità delle reti di sostanza bianca - i fasci di assoni che collegano la materia grigia corticale e sottocorticale - nel cervello.

Queste strutture interconnesse possono essere danneggiate quando una forza esterna, come un pallone da calcio, entra in contatto con la testa durante una partita. Tali interazioni ripetitive possono portare a lesioni più gravi, denominate lesioni cerebrali traumatiche, TBI in breve.

Nel corso del tempo, il danno alla sostanza bianca cerebrale è spesso associato a deficit cognitivi, in particolare nel dominio attenzionale. Ad esempio, un giocatore con TBI potrebbe essere più distratto da un tifoso sugli spalti e più lento a reagire alla squadra avversaria.

Sulla base del lavoro precedente svolto da Kraus e colleghi, questo video dimostra come misurare l'integrità della sostanza bianca utilizzando DTI in pazienti con TBI rispetto a individui sani di controllo.

Esamineremo anche la funzione cognitiva utilizzando un compito di attenzione selettiva, spiegheremo come analizzare i dati di imaging e interpreteremo la relazione tra i valori di diffusione in regioni di interesse definite e il controllo attenzionale.

In questo esperimento, due gruppi di partecipanti – pazienti con diagnosi di TBI da moderata a grave e individui di controllo sani – vengono scansionati utilizzando un protocollo DTI e quindi testati su un compito di attenzione.

Per prima cosa, discutiamo alcuni principi alla base del DTI: la tecnica è sensibile alla diffusione di molecole d'acqua, che sono sempre in movimento, per lo più in parallelo alla grande quantità di fasci assonali. Questo tipo di movimento è noto come diffusione anisotropica.

Insieme al percorso del flusso d'acqua, la quantità di diffusione può essere misurata per calcolare il tensore, essenzialmente illustrato come un ellissoide con una direzione. Questo valore viene quantificato in base alla lunghezza relativa alla sua larghezza utilizzando un metodo chiamato anisotropia frazionaria, abbreviato in FA.

Più specificamente, i valori fa possono variare da 0 - isotropo o movimento uguale - a 1, che riflette la maggior quantità di anisotropia.

La precisione è massimizzata su tutti i voxel acquisendo immagini di diffusione durante una scansione MRI in molte direzioni diverse che corrispondono agli spostamenti nel campo magnetico applicato. Questa maggiore risoluzione si verifica a scapito del tempo.

Sapendo questo, una variabile critica dipendente è costituita dai valori FA per tre regioni di interesse, o ROI: la corona radiata anteriore, lo splenio del corpo calloso e il fascicolo longitudinale superiore.

Rispetto ai controlli normali, i valori fa dovrebbero essere ridotti negli individui con TBI, poiché la loro sostanza bianca dovrebbe essere compromessa in modo non localizzato, con conseguente minore anisotropia in tutti i ROI.

Tuttavia, una regione, la corona radiata anteriore, è associata a connessioni alla corteccia cingolata anteriore, che svolge un ruolo importante nel controllo dell'attenzione.

Per esplorare ulteriormente questa relazione funzionale tra integrità e comportamento della sostanza bianca, tutti i partecipanti vengono testati sull'Attention Network Task sviluppato da Fan e colleghi.

In questo paradigma, ai partecipanti viene chiesto di focalizzare la loro attenzione, prima verso una croce di fissazione che appare per una durata variabile tra 400 e 1600 ms, seguita da due diversi tipi di frecce: una centrale e due gruppi fiancheggianti che possono variare nella direzione in cui puntano.

Nella metà delle prove, tutte le frecce puntano nella stessa direzione; questi sono considerati congruenti. Per l'altra metà, la freccia centrale punta nella direzione opposta a quelle di fiancheggiamento, e questi casi sono indicati come incongruenti. Ai partecipanti viene chiesto di classificare le frecce effettuando le pressioni dei tasti associate il più rapidamente possibile quando viene visualizzato ogni nuovo set.

Qui, la differenza nei tempi di reazione tra i tipi di prova viene calcolata come un'altra variabile dipendente. Ci si aspetta che gli individui che sono più distratti dalle frecce laterali abbiano un punteggio di differenza più grande, il che indica uno scarso controllo dell'attenzione.

Si prevede quindi che questa misura sia correlata negativamente con i valori di FA, in particolare nella regione correlata alla capacità di attenzione - la corona radiata anteriore - e non le altre, mostrando così il significato funzionale di particolari tratti di sostanza bianca.

Prima dell'esperimento, reclutare 20 pazienti adulti a cui è stato diagnosticato un TBI da moderato a grave negli ultimi 6 mesi e controlli di pari età, che non hanno una storia di disturbi neurologici o psicologici.

Ai fini di questa dimostrazione, testare un paziente documentato come con perdita di coscienza per più di 30 minuti o un punteggio di

Il giorno della loro scansione, salutali e assicurati che non soffrano di claustrofobia o abbiano alcun metallo nel loro corpo; anche farli compilare i moduli di consenso necessari che dettagliano i rischi e i benefici dello studio.

Dopo aver ottenuto il consenso, preparare il paziente ad entrare nella stanza di scansione. Per informazioni più dettagliate sulle procedure di pre-scansione, fare riferimento a un altro progetto di risonanza magnetica in questa raccolta.

Con il paziente ora nel foro dello scanner, prima raccogli una scansione anatomica ad alta risoluzione. Quindi, avviare una sequenza di impulsi ottimizzata per DTI acquisendo un'immagine B0, non sensibile alla direzione di diffusione, nonché più immagini ponderate per la diffusione in 64 direzioni diverse.

Quando la sequenza è completa, scortare il paziente fuori dallo scanner e in una stanza sperimentale con un computer per eseguire la fase successiva, un compito di rete di attenzione.

Spiega le istruzioni per l'attività: vedranno una serie di cinque frecce sullo schermo e dovrebbero concentrarsi solo su quella centrale. Per garantire risposte rapide e precise, invitali a mettere le mani sulla tastiera, con l'indice sinistro sul tasto 'F' e quello destro sulla 'J'.

Durante le prove in cui la freccia centrale punta a sinistra, chiedi loro di premere "F". Altrimenti, quando è rivolto a destra, premi "J".

Consentire al paziente di completare 100 studi: ricorda che ognuno inizia con una croce di fissazione che rimane sullo schermo per una durata variabile da 400 a 1600 ms, dopo di che appaiono le frecce, e quella centrale sarà incongruente o congruente.

Si noti che le frecce rimangono sullo schermo fino a quando il paziente non risponde, o per un massimo di 1700 ms se non premono nessuno dei due tasti. Si noti inoltre che ogni prova termina con una croce di fissazione che rimane visibile per una durata totale della prova di 4 s.

Alla fine del compito di attenzione, informa il paziente per concludere lo studio e compensarlo per la sua partecipazione.

Dopo aver ottenuto lo scanner e i dati comportamentali, i file di diffusione grezzi devono prima essere convertiti in immagini tensoriali.

Per iniziare la pre-elaborazione, eseguire la correzione della distorsione per le correnti parassi parasfiche, che si verificano comunemente nei dati grezzi a seguito della modifica del campo magnetico durante l'acquisizione.

Per compensare il movimento, applicate una trasformazione affine lineare a corpo rigido, che registra ciascuna delle immagini di diffusione direzionale al riferimento B0.

Inoltre, isolare il cervello dal cranio e da altri tessuti non neurali per garantire che i tensori non siano calcolati per i voxel al di fuori del cervello.

Ora, combina tutte le 64 immagini direzionali per calcolare il tensore di diffusione a ciascun voxel e produrre i valori FA corrispondenti sullo sfondo.

Successivamente, registrare le immagini di diffusione alla scansione anatomica ad alta risoluzione e quindi a uno spazio atlante standard per consentire l'analisi a livello di gruppo.

Una volta completata la pre-elaborazione, utilizzare un atlante della sostanza bianca per identificare tre ROI: la corona radiata anteriore, lo splenio del corpo calloso e il fascicolo longitudinale superiore.

Infine, registra l'immagine anatomica di ciascun partecipante nell'atlante standard e utilizzala per deformare le maschere ROI nello spazio cerebrale di ciascun partecipante.

Per rappresentare graficamente i dati, confrontare i valori FA estratti per gruppo, tracciando ciascun ROI separatamente. Si noti che i valori di FA erano significativamente più bassi nel gruppo TBI in tutti e tre i ROI, indicando un danno diffuso della sostanza bianca in quei pazienti.

Per incorporare i dati comportamentali, tracciare le differenze nei tempi di reazione tra studi incongruenti e congruenti rispetto ai valori FA per tutti i soggetti. Eseguire un'analisi di correlazione Pearson su questi risultati complessivi, sempre in modo indipendente per ciascun ROI.

Questa volta, solo una delle regioni – la corona radiata anteriore – ha mostrato una correlazione significativa, nella direzione negativa. Cioè, alti valori di FA erano associati a tempi di reazione rapidi, mentre una bassa anisotropia corrispondeva a tempi di risposta più lunghi. Questi risultati suggeriscono un legame funzionale tra il collegamento della sostanza bianca e il controllo dell'attenzione.

Ora che hai familiarità con come mettere in relazione struttura e funzione usando DTI e un compito di controllo attenzionale, diamo un'occhiata a come i ricercatori stanno usando approcci simili per studiare altre popolazioni con connettività compromessa o come un modo per proteggerlo.

Mentre l'invecchiamento normale è associato al declino cognitivo, i cambiamenti non sono necessariamente diffusi. Piuttosto, sembrano essere correlati a funzioni specifiche che corrispondono all'integrità della sostanza bianca e ai valori FA ridotti, specialmente nella corteccia prefrontale. Pertanto, l'imaging a diffusione potrebbe essere utilizzato come metodo per la diagnosi precoce dei cambiamenti legati all'età nella funzione esecutiva.

Utilizzando i dati raccolti da DTI, i ricercatori possono utilizzare una tecnica 3D chiamata trattografia a fibre e ricostruire tratti di sostanza bianca in tutto il cervello. Questa procedura di modellazione è utile in molti domini, tra cui la neurochirurgia.

Se, ad esempio, i chirurghi hanno bisogno di rimuovere un tumore, possono pianificare esattamente dove si trovano i tratti della sostanza bianca in prossimità di strutture critiche ed evitare conseguenze dannose.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'imaging del tensore di diffusione. Ora dovresti avere una buona comprensione di come progettare e condurre un esperimento DTI, nonché di come analizzare e interpretare specifici modelli di diffusione con implicazioni cognitive legate alla lesione cerebrale traumatica.

Grazie per l'attenzione!

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