Advanced Diffusion Imaging im Hippocampus von Ratten mit leichter traumatischer Hirnverletzung

Mit diesem Diffusions-Bildgebungsprotokoll ist es möglich, mikrostrukturelle Veränderungen im Hippocampus einer Ratte mit einer leichten traumatischen Hirnverletzung zu untersuchen, die sonst im anatomischen MRT nicht sichtbar sind. Diese Technik kann Veränderungen im Gehirn nach einem leichten und diffusen Trauma erkennen, das mit CT oder anatomischem MRT nicht erkannt werden kann. Diese Technik erleichtert die Überwachung des Genesungsprozesses nach einer leichten schädelischen Hirnverletzung auf objektive und quantitative Weise.

Diese Diffusions-Bildgebungs- und Analysetechnik kann auch bei anderen Erkrankungen des Gehirns wie Demenz und Multiple Sklerose angewendet werden, nicht nur in präklinischen Studien, sondern auch beim Menschen. In diesem Protokoll ist es wichtig, dass die Qualität der Diffusionsscans und Korrekturschritte hoch ist, daher wird eine Anleitung von erfahrenen Technikern und Analysten vorgeschlagen. Legen Sie das Tier auf ein 37-Grad-Celsius-Heizkissen, nachdem Sie eine mangelnde Reaktion auf Zehenkniff in einer 12 Wochen alten, weiblichen Wistar H Ratte bestätigt haben und einen Katheter in eine seitliche Schwanzvene einlegen.

Injizieren Sie 100 Mikroliter 2%Lidocain lokal in die rasierte und desinfizierte Kopfhaut und machen Sie einen Mittellinienschnitt, um den Schädel freizulegen. Verwenden Sie eine kleine Schere, um überschüssige Membranen zu entfernen und reiben Sie eine Baumwollknospe über den Schädel, bis das Periostnicht nicht mehr vorhanden ist, dann verwenden Sie einen Tropfen Gewebekleber, um einen 10-Millimeter-Durchmesser, drei Millimeter dicke, metallische Scheibe etwa 1/3 vor und 2/3 hinter dem Bregma zu befestigen. Für traumatische Hirnverletzung sukzessionen, legen Sie die Ratte auf ein maßgeschneidertes Bett mit einer Schaumstoffmatratze einer bestimmten Federkonstante und legen Sie die Ratte direkt unter ein transparentes Kunststoffrohr mit einem 450-Gramm Messinggewicht mit dem Helm so horizontal wie möglich.

Ziehen Sie das Gewicht bis zu einem Meter. Mit einem zweiten Experimentator vorhanden, lassen Sie das Gewicht und lassen Sie den zweiten Experimentator bewegen sie die Ratte weg aus dem Rohr unmittelbar nach dem Aufprall, um eine zweite Verletzung zu verhindern. Ziehen Sie den Helm vorsichtig aus dem Schädel und verwenden Sie eine Gaze, um Blutungen einzudämmen.

Schließen Sie die Haut mit einer Naht und wenden Sie lokale Analgesie Gel auf den Schnitt. Legen Sie die Ratte auf das Bett eines CT-Scanners und verabreichen Sie einen allgemeinen, niedrig dosierten CT-Scan, um Schädelfrakturen auszuschließen, und legen Sie die Ratte dann in einen sauberen Käfig auf einem 37-Grad-Celsius-Heizkissen mit Überwachung bis zur vollen Rekontobenz, bevor Sie das Tier in seinen Käfig zurückführen. Bestätigen Sie vor und einen Tag nach der Traumainduktion eine fehlende Reaktion auf Zehenkniff im Versuchstier und legen Sie das Tier auf dem MR-Scannerbett in eine kopfgleiche, anfällige Position.

Schieben Sie die Quadratur-Volumenspule über den Kopf und bringen Sie das Scannerbett in die Scannerbohrung. Um eine korrekte Positionierung zu gewährleisten, erhalten Sie einen standardmäßigen 3-Ebenen-Scout-Scan. Wenn der Scan abgeschlossen ist, laden Sie den Scan in die Bildanzeige und stellen Sie sicher, dass der Kopf gerade liegt und das Gehirn in der Mitte des Magneten und der Spule positioniert ist.

Erfassen Sie T2-gewichtete Bilder mit den Standardeinstellungen, mit Ausnahme des Felds, der Ansicht und der Matrixgröße, die auf eine höhere In-Plane-Auflösung von 109 mal 109 Mikrometern angepasst werden sollte. Öffnen Sie den Geometrie-Editor und platzieren Sie das Slice-Paket in der richtigen Position, einschließlich des Bulbus des Gehirns und des Kleinhirns, und laden Sie drei neue Echo-planare, diffusionsgewichtete Spin-Echo-Sequenzen aus dem B_diffusion-Ordner in das Scan-Steuerprotokoll. Erfassen Sie diffusionsgewichtete Bilder mit den Standardeinstellungen, und öffnen Sie die Registerkarte Scan bearbeiten.

Legen Sie die Slice-Ausrichtung auf axial und die Anzahl der Slices auf 25 fest, um eine Schnittdicke von 500 Mikrometern und einen inneren Scheibenabstand von 600 Mikrometern zu erreichen, und ändern Sie die Ausleserichtung nach links nach rechts. Passen Sie auf der Registerkarte Geometrie die geometrischen Parameter an, und passen Sie das Sichtfeld und die Matrixgröße auf 105 mal 105 an, um eine Auflösung von 333 mal 333 Mikrometern zu gewährleisten. Klicken Sie auf die Registerkarte Diffusion in der Registerkarte Forschung für jede der drei Diffusionsschalen, und passen Sie die Anzahl der Diffusionsrichtungen auf 32 für die erste Schale, 46 für die zweite Schale und 64 für die dritte Schale an.

Ändern Sie die Anzahl der B0-Bilder in fünf für die erste Shell, fünf für die zweite Shell und sieben für die dritte Shell, und passen Sie die Verlaufsrichtungen mit benutzerdefinierten Verlaufsrichtungsdateien an. Passen Sie den B-Wert pro Richtung auf 800 Sekunden pro Millimeter quadratisch für die erste Schale, 1, 500 Sekunden pro Millimeter für die zweite Schale und 2 000 Sekunden pro Millimeter quadratisch für die dritte Schale an, öffnen Sie dann den Geometrie-Editor und platzieren Sie das Sichtfeld zwischen dem Bulbus und dem Kleinhirn, das nur das Großhirn enthält, um das Artefakt und die Scanzeit zu reduzieren. Nach Abschluss des Scanprotokolls das Tier vom Scannerbett in einen sauberen Käfig mit einem 37-Grad-Celsius-Heizkissen mit Überwachung bis zur vollen Recumbency übertragen.

Für die Diffusions-MRT-Bildverarbeitung laden Sie die Bilder in MRtrix3 und führen Sie Rauschkorrektur und Gibbs-Ringkorrektur auf die diffusionsgewichteten Bilder im Softwareprogramm durch. Konvertieren Sie die korrigierten, diffusionsgewichteten Bilder im T2-Bild in das NIFTI-Format wie angegeben. Um korrekturierte Echo-Planare-Bildgebungs-, Bewegungs- und Wirbelstromverzerrungen durchzuführen, wählen Sie im Plug-In-Menü von ExploreDTI Korrektur für Subjektbewegung EC/EPI-Verzerrungen aus und wählen Sie die vorverarbeitete Diffusionsdatendatei aus.

Um die Diffusions-Tensor-Bildgebungsmetriken für jede Ratte zu berechnen, klicken Sie auf Plug-Ins und Exportieren von Material nach NIFTI, wählen Sie dann die parametrischen Karten des Diffusions-Tensor-Bildgebungsmodells aus und exportieren Sie die parametrischen Karten für die Integritätsmodelle Kurtose und White Matter Tract. Um eine Maskendatei für den Hippocampus jeder Ratte zu erstellen, laden Sie das fraktionelle Anisotropiebild der Ratte in den MRtrix-Viewer und klicken Sie auf die Plus-Schaltfläche, um eine neue Interessenregion zu erstellen. Um die Diffusionsmetriken des Hippocampus der Ratte zu extrahieren, importieren Sie die erstellte Maskendatei in die AMIDE-Software und öffnen Sie die parametrischen Karten und das Maskenbild der Ratte.

Um den Interessenbereich der Maskendatei in AMIDE hinzuzufügen, wählen Sie das Maskendateibild aus, klicken Sie auf Bearbeiten, Bereich von Interesse hinzufügen und 3D-Isocontour, und geben Sie dem Interessenbereich einen aussagekräftigen Namen. Klicken Sie auf den im Maskenbild angezeigten Bereich und bestätigen Sie, dass dieser Band nur Voxel mit einem Wert von einem enthalten soll. Um die Mittelwerte der Diffusionsmetriken im Hippocampus zu berechnen, klicken Sie auf Extras und Region Of Interest Statistics berechnen, und geben Sie die Bilder und die zu enthaltende Interessenregion an.

Nachdem Sie auf Ausführen geklickt haben, wird ein Popupfenster mit den berechneten Werten angezeigt, das für weitere statistische Analysen verwendet werden kann. In diesem repräsentativen Experiment gab es keine Hinweise auf eine Schädelfraktur, wie sie durch CT-Bildgebung beurteilt wurden, und die T2-Bilder zeigten einen Tag nach dem Trauma keine Anomalien an der Kontusionsstelle. Um die Qualität des nicht starren Co-Registrierungsschritts zwischen dem T2-Bild und dem Diffusionsdatensatz zu untersuchen, wurde der farbcodierten fraktionierten Anisotropiekarte eine Überlagerung des T2-Bildes hinzugefügt.

Die parametrischen Karten für fraktionierte Anisotropie, mittlere Diffusivität, axiale Diffusivität und radiale Diffusivität könnten dann berechnet werden. Innerhalb des Interessenbereichs konnte auch die Berechnung der Mittelwerte für die axialen, mittleren und radialen Kurtosewerte sowie der Werte für die axonale Wasserfraktion, die axiale und radiale extraaxonale Diffusivität und die Tortuosität der Integrität des weißen Materietraktes durchgeführt werden. In diesem repräsentativen Experiment ergab die Analyse der Diffusions-Tensor-Bildgebungsmetriken einen signifikanten Anstieg der fraktionierten Anisotropiewerte und eine Abnahme der Diffusivitätswerte nach Auswirkungen in der gruppe der leichten traumatischen Hirnverletzungen.

Diffusionskurtose-Metriken zeigten auch eine signifikante Abnahme der radialen Kurtose nach dem Aufprall, während keine Veränderungen in der axialen oder mittleren Kurtose beobachtet wurden. Mit Hilfe des Integritätsmodells für den weißen Materietrakt zeigte die radiale extra-axonale Diffusivität eine signifikante Abnahme und die Tortuosität zeigte einen Tag nach dem Aufprall einen signifikanten Anstieg der leichten traumatischen Hirnverletzungsgruppe. Während der Bildanalyse ist es wichtig zu überprüfen, ob das Datenformat von MRtrix ordnungsgemäß konvertiert und in ExploreDTI importiert wurde und ob jeder Korrekturschritt korrekt ausgeführt wurde.

Anstelle einer ROI-basierten Analyse kann eine Voxel-by-Voxel-Analyse angewendet werden, um Veränderungen des gesamten Gehirns zu untersuchen. Diese Technik ist im Bereich der Neuroimaging sehr wertvoll und kann auch auf andere Hirnerkrankungen angewendet werden, zum Beispiel Demenz und Multiple Sklerose.