Diffusions-Tensor-Bildgebung bei traumatischen Hirnverletzungen

Quelle: Laboratorien der Jonas T. Kaplan und der Sarah I. Gimbel-Universität von Südkalifornien

Traditionelle Gehirn bildgebende Verfahren mittels MRI sind sehr gut in die groben Strukturen des Gehirns zu visualisieren. Ein Bild eines strukturellen Gehirns mit MRI gemacht bietet hohen Kontrast der Grenzen zwischen grauen und weißen Substanz und Informationen über die Größe und Form der Gehirnstrukturen. Jedoch diese Bilder nicht detailliert, die zugrunde liegende Struktur und Integrität der weißen Substanz Netzwerke im Gehirn, die Axon-Bundles bestehen, die lokalen und entfernten Hirnregionen miteinander zu verbinden.

Verbreitung MRI verwendet Pulssequenzen, die empfindlich auf die Diffusion von Wassermolekülen. Durch die Messung der Richtung der Diffusion, ist es möglich, Rückschlüsse auf die Struktur der Netzwerke der weißen Substanz im Gehirn machen. Wasser-Moleküle in einem Axon werden durch die Zellmembran in ihren Bewegungen eingeschränkt; anstatt nach dem Zufallsprinzip in alle Richtungen mit gleicher Wahrscheinlichkeit (isotropes Bewegung), sind sie wahrscheinlicher, bewegen sich in bestimmte Richtungen parallel mit dem Axon (anisotrope Bewegung; ( Abbildung 1). Daher sind Maßnahmen der Diffusion Anisotropie gedacht, um Eigenschaften der weißen Substanz wie Faserdichte, Axon Dicke und Grad der Myelinisierung widerspiegeln. Eine gemeinsame Maßnahme ist fraktionale Anisotropie (FA). FA-Werte liegen zwischen 0, die völlig isotropen Bewegung darstellt, 1, was maximale Anisotropie.

Abbildung 1: Diffusion Anisotropie. Wenn die Richtung der Diffusion ungezwungene und zufällig ist, ist Bewegung gleichmäßig in alle Richtungen gemessen. Dies ist isotrop Diffusion (A). Wenn Wasser-Moleküle in das Axon einer Nervenzelle enthalten sind, die Verbreitung ist anisotrop, tendenziell häufiger entlang der Richtung des Axons (B) auftreten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

In diesem Experiment verwenden Diffusion Tensor imaging (DTI) wir zur weißen Substanz Integrität Messen im Schädel-Hirn-Trauma (SHT). TBI tritt auf, wenn eine externe Kraft verletzt das Gehirn wie ein Schlag auf den Kopf oder eine plötzliche Bewegung wie die Art, die bei einem Autounfall auftreten können. Diese Art von Hirnverletzungen von mechanischen Kräften ist diffus axonale Schädigung-Schäden an weißen Substanz im Gehirn zugeordnet. Denn das ist eine Verletzung, die Auswirkungen auf die Integrität der weißen Substanz können standard bildgebende Verfahren den Schaden nicht verraten. Besonders empfindlich auf diese anatomischen Veränderungen sind jedoch Maßnahmen der Diffusion. Nach einer Studie von Kraus Et Al. ¹, vergleichen wir eine Gruppe von gesunden Kontrollpersonen zu einer Gruppe von Menschen mit TBI und Nutzung Diffusion imaging, die Wirkung von TBI auf zerebrale weiße Angelegenheit zu messen. Darüber hinaus testen wir die Beziehung zwischen weißen Substanz Integrität und kognitive Funktion mit Hilfe einer Aufmerksamkeit Aufgabe. ² dieser Studie nutzt eine Region von Interesse (ROI) Ansatz mit Schwerpunkt auf drei Trakte der weißen Substanz: die Splenium des Corpus Callosum, die vorderen Corona Radiata und überlegene longitudinal Fasciculus (Abbildung 2).

Abbildung 2: Regionen von Interesse. Die drei ROIs, aus dem Atlas ICBM DTI-81 definiert sehen Sie hier in horizontale Scheiben durch das Gehirn. Grün ist das Splenium des Corpus Callosum. Das Splenium ist am hinteren Teil des Corpus Callosum. Blau ist die vordere Corona Radiata. Die überlegene longitudinal Fasciculus wird in rot angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

1. Teilnehmer Rekrutierung

1. 20 Teilnehmer mit mittelschwerer bis schwerer TBI und 20 Alter abgestimmten Kontrollen zu rekrutieren. Alle Teilnehmer sollten über 18 Jahre alt sein.
   1. TBI Patienten sollte eine geschlossene Kopfverletzungen erlebt haben, die vor mindestens 6 Monaten aufgetreten sind. TBI wird durch verschiedene Faktoren wie z. B. Änderungen im Bewusstsein, Verlust des Bewusstseins und Verlust des Gedächtnisses von Bewertung, vor oder nach dem Unfall diagnostiziert. Um als mäßig bis schwer eingestuft werden, muss der Patient einen Zeitraum von Bewusstlosigkeit erlebt haben, die größer als 30 min, und/oder erhalten einen Wert von weniger als 13 auf die Glasgow-Koma-Skala.
   2. Kontrolle-Teilnehmer sollten keine Geschichte der neurologische oder psychische Störungen haben.
   3. Alle Teilnehmer sollten nicht Metall in ihrem Körper haben. Dies ist eine wichtige Voraussetzung aufgrund des hohen Magnetfeldes MRI beteiligt.
   4. Alle Teilnehmer sollten nicht unter Klaustrophobie leiden, da die MRT benötigt liegt in dem kleinen Raum des Scanners trug.
2. Pre-Scan-Verfahren
   1. Prescan Schreibarbeit.
   2. Wenn Teilnehmer für ihre MRT-Untersuchung kommen, haben sie Erstbefüllung ein Metallsieb Formular zu stellen sicher, dass sie keine Kontraindikationen zur MRT, eine Zufallsbefunde Form Zustimmung für ihre Scan von einem Radiologen und eine Einverständniserklärung über die Risiken und Vorteile der Studie betrachtet werden.
   3. Bereiten Sie die Teilnehmer in den Scanner zu gehen, indem Sie ihren Körper, einschließlich Gürtel, Brieftaschen, Handys, Haarspangen, Münzen und Schmuck aus Metall entfernen.
3. Scanner-Vorbereitung
   1. Geben Sie die Teilnehmer Ohrstöpsel schützen ihre Ohren vor dem Lärm der Scanner und Ohr Handys zu tragen, so dass sie den Experimentator während des Scans hören, und Sie liegen auf dem Bett mit ihrem Kopf in der Spule.
   2. Geben Sie die Teilnehmer den Notfall Squeeze-Ball und weisen sie es im Notfall während des Scans zu quetschen.
   3. Einsatz-Schaumstoff-Pads, die Teilnehmer zu sichern den Kopf in der Spule zu vermeiden übermäßige Bewegung während des Scans, und erinnern die Teilnehmer, dass es sehr wichtig, während des Scans als auch die kleinsten Bewegungsunschärfe möglichst ruhig bleiben die Bilder.
4. Erhebung von Daten
   1. Sammeln Sie einen hochauflösenden T1-gewichteten anatomischen Scan. Dies wird für die Registrierung des Teilnehmers Gehirn auf den standard Atlas-Raum verwendet werden.
   2. Starten Sie den Scanvorgang mit einer Pulsfolge für DTI optimiert.
      1. Ein B0 Bild wird erworben, die nicht empfindlich auf Verbreitung Richtung.
      2. Diffusionsgewichtete Mehrfachbilder sind erworbene, jeweils sensibel auf eine andere Richtung der Diffusion. Die weitere Wegbeschreibung erworben, werden wir je feiner die Diffusion Tensor auflösen. Allerdings erhöht die Anzahl der Richtungen auch Erfassungszeit. In dieser Studie so erwerben wir 64 verschiedene Richtungen.
5. Aufmerksamkeit-Aufgabe
   1. Außerhalb der MRI-Scanner haben Sie alle Teilnehmer eine Version der Aufmerksamkeit Netzwerk Aufgabe (ANT)³ ihre selektive Aufmerksamkeit Fähigkeit beurteilt durchzuführen.
   2. Sitz des Teilnehmers vor einem Computerbildschirm, und weisen sie auf, wie um den Vorgang abzuschließen.
      1. Erklären Sie, dass eine Reihe von Pfeilen auf dem Bildschirm angezeigt wird. Aufgabe des Teilnehmers ist reagieren nur auf den Pfeil in der Mitte und die anderen ignorieren. Wenn der zentrale Pfeil nach links zeigt, werden sie die "F" mit der linken Hand drücken. Wenn der zentrale Pfeil rechts ist, werden sie die "J" mit der rechten Hand drücken. Sie sollte so schnell und so genau wie möglich antworten.
   3. Beginnen Sie den Vorgang.
      1. Auf jeden Versuch eine Reihe von fünf Pfeile auf dem Bildschirm zu präsentieren. Jeder Pfeil kann links oder rechts. Kongruente Studien zeigen alle Pfeile in die gleiche Richtung. Auf inkongruente Prüfungen, die Mittelpunkte der Pfeil in die entgegengesetzte Richtung von der flankierenden Pfeile. Jeder Prozess beginnt mit einer Fixierung Kreuz, das auf dem Bildschirm für eine Variable Dauer zwischen 400 und 1600 Frau bleibt dann der Pfeil Reize erscheinen und auf dem Bildschirm bleiben, bis der Teilnehmer antwortet, oder für maximal 1700 Frau die Studie schließt mit einer Fixierung Kreuz, bleibt auf dem Bildschirm bis insgesamt Testversion Dauer des 4 s erreicht wurde.
      2. 100 Studien, die Hälfte mit deckungsgleich und halb inkongruente Ziele zu präsentieren.
      3. Berechnen Sie die Differenz in Reaktionszeit inkongruent und deckungsgleiche Ziele. Reaktionszeit ist in der Regel langsamer als Reaktion auf inkongruente Ziele. Menschen, die durch die flankierenden Pfeile mehr abgelenkt sind haben eine größere Differenz in Reaktionszeit zwischen inkongruent und deckungsgleiche Ziele. Diese Maßnahme der Aufmerksamkeitskontrolle wird gegen Maßnahmen der weißen Substanz Integrität geprüft werden.
6. Nach dem Experiment Verfahren
   1. Nachbesprechung des Teilnehmers.
   2. Zahlen des Teilnehmers.
7. Datenanalyse
   1. Vor verarbeiten Sie der Verbreitung Daten.
      1. Überprüfen Sie die Daten um sicherzustellen, dass sie frei von Artefakten ist.
      2. Durchführen Sie Wirbelstrom-Korrektur mit spezialisierter Software.
      3. Registrieren Sie für jedes Thema jedes der Bilder auf das B0-Bild mithilfe einer linearen Starrkörper affinen Transformation gerichtete Diffusion. Dieser Schritt wird jede Bewegung ausgleichen, die Scan-Scan aufgetreten sind.
      4. Entfernen Sie der Schädel und andere Hirngewebe aus den Bildern, die mit automatisierten Software. Dadurch wird sichergestellt, dass wir nicht Tensoren für Voxel berechnen, die außerhalb des Gehirns sind.
      5. Unter den mehreren Richtung Bildern zur Berechnung des Diffusion Tensors in jedem Voxel kombinieren. Es gibt mehrere frei verfügbare Software-Pakete für die Verarbeitung von DTI-Daten, mit die diese Werte berechnet werden.
      6. FA in jedem Voxel, der Anteil der Tensor Größenordnung durch anisotrope Diffusion zu berechnen.
      7. Registrieren Sie die Verbreitung Bilder auf das hochauflösende anatomische T1-Bild und dann auf den standard Atlas Raum auf Konzernebene Analyse zu ermöglichen.
   2. Regionen von Interesse (ROI) zu definieren.
      1. Erhalten Sie die drei ROI-Masken aus einem Atlas standard weißen Substanz. Hier verwenden wir den ICBM-DTI-81 weißen Substanz Atlas erstellt von International Consortium for Brain Mapping (Abbildung 2).
      2. Jedes einzelne Thema hochauflösende anatomische Bild zum standard Atlas zu registrieren.
      3. Verzerren Sie die ROI-Masken in jeder Teilnehmer individuelle Gehirn Raum über die Anmeldungen, die im vorherigen Schritt durchgeführt.
   3. FA-Werte für jedes Fach aus jedem der drei ROIs zu extrahieren.
   4. Vergleichen Sie die FA-Werte zwischen den beiden Gruppen mit Hilfe der Varianzanalyse (ANOVA).
   5. Die Pearson-Korrelation zwischen TeilnehmerInnen Kongruenz Partituren aus der Ameise und der FA-Werte zu berechnen.

Die FA-Werte aus den drei ROIs sind in Abbildung 3dargestellt. Fraktionale Anisotropie war signifikant niedriger in der SHT-Gruppe in allen drei ROIs, auf das Vorhandensein von weit verbreiteten weißen Substanz Schäden an Personen. Diese nicht-lokalisierte Verlust der Integrität der weißen Substanz ist typisch für TBI.

Abbildung 3: reduziert Anisotropie bei Patienten mit SHT und Beziehungen Aufmerksamkeitskontrolle. (A) FA-Werte sind deutlich niedriger bei TBI Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollen in allen 3 ROIs. (B) FA in der vorderen Corona Radiata korreliert negativ mit erhöhten Inkongruenz-Effekt bei der Aufgabe, Aufmerksamkeit. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Unser Maßstab für Aufmerksamkeits Regelverhalten Zeitunterschiede zwischen kongruente und inkongruente Ziele korreliert negativ mit FA-Werte in der vorderen Corona Radiata (Abbildung 3). Das heißt, sind größere Unterschiede in der Antwortzeit, Angabe ärmeren Aufmerksamkeitskontrolle, verminderte FA zugeordnet. Diese Ergebnisse beweisen eine Beziehung zwischen Integrität der weißen Substanz in dieser Lage und Leistung auf diese Aufgabe. Diese Beziehung wurde nicht in die anderen zwei ROIs gefunden. Die vorderen Corona Radiata ist mit Verbindungen zu den anterioren cingulären Cortex, eine Struktur, die bekanntermaßen eine wichtige Rolle in Aufmerksamkeitskontrolle verbunden.

Da Diffusionsbildgebung Unterschiede in der weißen Substanz Struktur, die oft nicht mit traditionellen MRT-Bildgebung sichtbar sind zeigen kann, ist es ein wichtiges Instrument für das Verständnis der Gehirnstruktur und -Funktion. In diesem Experiment haben wir einen klinisch relevanten Marker für Schädel-Hirn-Verletzung, die verwendet werden, um vorherzusagen, die Verhaltensstörungen Folgen einer solchen Verletzung identifiziert. DTI ist besonders nützlich in der Studie der Entwicklung des Gehirns, gewesen, da Veränderungen der weißen Substanz Struktur während der gesamten Lebensdauer von der frühen Kindheit bis späten Erwachsenenalter befinden. Beispielsweise ist die Alterung in den älteren Erwachsenen verbunden mit einem Rückgang in fraktionale Anisotropie.

Differenziertere Analyse der Verbreitung Bilder kann für den Wiederaufbau und die Rückverfolgung von Faser Traktate im Gehirn, auch als Traktographie bezeichnet. Traktographie nutzt die Richtungsinformationen in zusammenhängenden Voxel um spezielle Faserbündel zu verfolgen, während sie durch das Gehirn zu durchlaufen und dazu beitragen können, die verschiedenen Verbindungen zwischen Gehirnstrukturen Modellerstellung. Diese Technik kann verwendet werden, um die Verbindungen zwischen den einzelnen Gehirnregionen von Interesse zu studieren, oder alternativ um zu analysieren, das gesamte Connectome oder komplexe Netzwerk Struktur, des Gehirns.

1. 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).
2. 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).
3. 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).