弥散张量成像在创伤性脑损伤

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。
1. 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。
2. 控制与会者应该有没有神经或心理障碍的历史。
3. 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。
4. 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
1. 填写预扫描的文书工作。
2. 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。
3. 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
1. 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。
2. 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。
3. 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
1. 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。
2. 开始扫描使用优化的 DTI 脉冲序列。
  1. 一个 B0 图像被后天不是敏感的扩散方向。
  2. 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
1. 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。
2. 坐在电脑屏幕前的参与者和指导他们如何完成任务。
  1. 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。
3. 开始执行任务。
  1. 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。
  2. 目前 100 试验，具有一致的目标和半不一致目标的一半。
  3. 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
1. 听取汇报的参与者。
2. 支付的参与者。
数据分析
1. 预处理程序扩散数据。
  1. 目视检查数据，确保它不受工件。
  2. 执行的涡电流校正用专门的软件。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 在每个像素，各向异性扩散张量大小的比例计算法。
  7. 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。
2. 定义区域的利息 (率 ROI)。
  1. 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)。
  2. 注册每个个体主体高分辨率解剖图像到标准图集。
  3. 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。
3. 为每个主题从每个三个的 Roi 提取 FA 值。
4. 使用方差分析 (ANOVA)，两组间的 FA 值进行比较。
5. 计算参与者的一致性得分从蚂蚁和 FA 值之间的相关系数。

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。

Application 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。

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).

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。
1. 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。
2. 控制与会者应该有没有神经或心理障碍的历史。
3. 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。
4. 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
1. 填写预扫描的文书工作。
2. 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。
3. 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
1. 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。
2. 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。
3. 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
1. 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。
2. 开始扫描使用优化的 DTI 脉冲序列。
  1. 一个 B0 图像被后天不是敏感的扩散方向。
  2. 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
1. 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。
2. 坐在电脑屏幕前的参与者和指导他们如何完成任务。
  1. 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。
3. 开始执行任务。
  1. 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。
  2. 目前 100 试验，具有一致的目标和半不一致目标的一半。
  3. 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
1. 听取汇报的参与者。
2. 支付的参与者。
数据分析
1. 预处理程序扩散数据。
  1. 目视检查数据，确保它不受工件。
  2. 执行的涡电流校正用专门的软件。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 在每个像素，各向异性扩散张量大小的比例计算法。
  7. 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。
2. 定义区域的利息 (率 ROI)。
  1. 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)。
  2. 注册每个个体主体高分辨率解剖图像到标准图集。
  3. 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。
3. 为每个主题从每个三个的 Roi 提取 FA 值。
4. 使用方差分析 (ANOVA)，两组间的 FA 值进行比较。
5. 计算参与者的一致性得分从蚂蚁和 FA 值之间的相关系数。

跳至...

0:00

Overview

1:32

Experimental Design

5:20

Running the Experiment

8:11

Data Analysis and Results

10:46

Applications

12:01

Summary

此集合中的视频:

article

Now Playing

弥散张量成像在创伤性脑损伤

Neuropsychology

16.7K Views

article

裂脑

Neuropsychology

68.2K Views

article

电机的地图

Neuropsychology

27.5K Views

article

神经心理学的观点

Neuropsychology

12.0K Views

article

决策和爱荷华州赌博任务

Neuropsychology

32.4K Views

article

Executive Function in Autism Spectrum Disorder

Neuropsychology

17.7K Views

article

顺行性遗忘症

Neuropsychology

30.3K Views

article

生理相关的情感识别

Neuropsychology

16.2K Views

article

事件相关电位和古怪任务

Neuropsychology

27.4K Views

article

语言: 在语义错位 N400

Neuropsychology

19.6K Views

article

学习和记忆: 记得知道任务

Neuropsychology

17.1K Views

article

测量与基于体素的形态计量学的灰质分歧: 音乐的大脑

Neuropsychology

17.3K Views

article

解码听觉表象与磁模式分析

Neuropsychology

6.4K Views

article

功能磁共振成像视觉注意: 基于调查的对象的注意力控制

Neuropsychology

41.5K Views

article

利用经颅磁刺激在行动观察测量运动兴奋性

Neuropsychology

10.1K Views

版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有，本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。