Utilisation de l'IRM de diffusion dans les lésions cérébrales traumatiques

Source : Laboratoires de Jonas T. Kaplan et Sarah I. Gimbel — University of Southern California

Techniques d’imagerie cérébrale traditionnelle, à l’aide de MRI sont très bons à visualiser les structures bruts du cerveau. Une image de cerveau structurelle faite par l’IRM fournit un contraste élevé des frontières entre la matière grise et blanche et d’informations sur la taille et la forme des structures cérébrales. Cependant, ces images ne pas en détail la structure sous-jacente et l’intégrité des réseaux de matière blanche dans le cerveau, qui sont constitués de faisceaux d’axone qui interconnectent les régions cérébrales locales et éloignées.

Diffusion MRI utilise des séquences d’impulsions qui sont sensibles à la diffusion des molécules d’eau. En mesurant la direction de diffusion, il est possible de tirer des conclusions sur la structure des réseaux de la substance blanche du cerveau. Les molécules d’eau dans un axone sont limités dans leurs mouvements par la membrane cellulaire ; au lieu de passer au hasard dans toutes les directions avec une égale probabilité (mouvement isotrope), ils sont plus susceptibles de se déplacer dans certaines directions, en parallèle avec l’axone (mouvement anisotrope ; La figure 1). Par conséquent, des mesures de l’anisotropie de la diffusion sont censés reflètent les propriétés de la substance blanche tels que la densité de la fibre, l’épaisseur de l’axone et degré de myélinisation. Une mesure courante est fractionnaire anisotropie (FA). FA valeurs vont de 0, qui représente le mouvement complètement isotrope, à 1, ce qui reflète l’anisotropie maximale.

Figure 1 : Diffusion anisotropie. La direction de diffusion étant sans contrainte et aléatoire, mouvement est mesurée également dans toutes les directions. C’est isotrope diffusion (A). Lorsque les molécules d’eau sont contenus dans l’axone d’un neurone, la diffusion est anisotrope, tend à se produire plus fréquemment le long de la direction de l’axone (B). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Dans cette expérience, nous utiliserons tenseur de diffusion (DTI) d’imagerie pour mesurer l’intégrité de la substance blanche dans le traumatisme crânien (TCC). TBI se produit lorsqu’une force extérieure blesse le cerveau comme un coup porté à la tête ou un mouvement brusque comme le genre qui peut-être se produire dans un accident de voiture. Ce type de lésion cérébrale de forces mécaniques est associé aux blessures-lésions axonales diffuses de la substance blanche dans le cerveau. Parce que c’est une blessure qui affectent l’intégrité de la substance blanche, les techniques de neuroimagerie standard peuvent ne pas révéler les dégâts. Toutefois, les mesures de diffusion sont particulièrement sensibles à ces changements anatomiques. Suite à une étude par Kraus et al. ¹, on compare un groupe de contrôles sains à un groupe de personnes avec TBI et utilisation diffusion d’imagerie afin de mesurer l’effet des TCC sur la substance blanche cérébrale. En outre, nous allons tester la relation entre l’intégrité de la substance blanche et la fonction cognitive utilisant une tâche de l’attention. ² cette étude utilise une zone d’approche d’intérêt (ROI) en se concentrant sur trois parcelles de matière blanche : le splenium du corps calleux, l’antérieure corona radiata et le faisceau longitudinal supérieur (Figure 2).

Figure 2 : régions d’intérêt. La trois ROIs, définie dans l’atlas ICBM DTI-81, apparaissent ici en tranches horizontales à travers le cerveau. En vert est le splenium du corps calleux. Le splenium est la partie la plus postérieure du corps calleux. En bleu est l’antérieur corona radiata. Le faisceau longitudinal supérieur est indiqué en rouge. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

1. participant recrutement

1. Recruter des 20 participants de TBI modérée à sévère et 20 témoins appariés selon l’âge. Tous les participants doivent être âgés de plus de 18.
   1. Les patients TBI devraient ont subi un traumatisme crânien fermé qui a eu lieu il y a au moins 6 mois. TBI est diagnostiquée en évaluant plusieurs facteurs comme les changements dans la conscience, perte de conscience et perte de mémoire à partir avant ou après l’accident. Pour être considéré comme modérée à sévère, le patient doit ont connu une période de perte de conscience qui était supérieure à 30 min et/ou obtenu un score de moins de 13 sur l’échelle de Coma de Glasgow.
   2. Contrôle les participants ne devront avoir aucun antécédent de troubles neurologiques ou psychologiques.
   3. Tous les participants n’ait pas de métal dans leur corps. Il s’agit d’une exigence de sécurité importante due au champ magnétique élevé impliqué en IRM.
   4. Tous les participants ne devraient pas souffrir de claustrophobie, étant donné que l’IRM nécessite se trouvant dans le petit espace du scanner alésage.
2. L’analyse préalable des procédures
   1. Remplir la paperasse pré-scan.
   2. Lorsque les participants viennent pour leur examen par IRM, demandez-leur de première remplir un formulaire de grille métallique pour s’assurer qu’ils n’ont aucune contre-indications pour l’IRM, une forme de découvertes fortuites, donner son consentement pour leur analyse être regardé par un radiologue et un formulaire de consentement précisant les risques et les avantages de l’étude.
   3. Préparer les participants à aller dans le scanner, en supprimant tous les métaux de leur corps, y compris les ceintures, portefeuilles, téléphones, pinces à cheveux, pièces de monnaie et tous les bijoux.
3. Préparation de scanner
   1. Donner les bouchons d’oreille participant pour protéger leurs oreilles contre le bruit des téléphones scanner et oreille de porter afin de pouvoir entendre l’expérimentateur pendant le balayage et demandez-leur de s’allonger sur le lit avec leur tête dans la bobine.
   2. Donner au participant la balle d’urgence squeeze et indiquez-lui à le presser en cas d’urgence pendant l’analyse.
   3. Utilisation des coussinets en mousse pour garantir aux participants la tête dans la bobine pour éviter le mouvement excessif lors de l’analyse et rappeler le participant qu’il est très important de rester aussi immobile que possible lors de l’analyse, comme même le flou des mouvements plus petit les images.
4. Collecte de données
   1. Recueillir un balayage à haute résolution d’anatomique pondérées en T1. Cela sera utilisé pour enregistrer le cerveau du participant à l’espace atlas standard.
   2. Commencer la numérisation à l’aide d’une séquence d’impulsions optimisée pour DTI.
      1. Une image de B0 est acquise qui n’est pas sensible à la direction de la diffusion.
      2. Plusieurs images pondérées en diffusion sont acquis, chacun sensible à une direction différente de diffusion. Les indications plus acquises, plus finement nous serons en mesure de résoudre le tenseur de diffusion. Cependant, augmentation du nombre des directions augmente également le temps d’acquisition. Dans cette étude, nous ferons l’acquisition 64 différentes directions.
5. Tâche de l’attention
   1. En dehors du scanner MRI, ont tous les participants effectuent une version de la tâche l’Attention du réseau (ANT)³ pour évaluer leur capacité d’attention sélective.
   2. Accueillir le participant devant un écran d’ordinateur et les instruire sur la façon de remplir la tâche.
      1. Expliquer qu’une série de flèches apparaît sur l’écran. Tâche du participant est de répondre seulement à la flèche au centre et d’ignorer les autres. Si la flèche centrale est orientée à gauche, ils seront la touche « F » avec leur main gauche. Si la flèche centrale est pointant vers la droite, ils seront sur la touche de « J » avec leur main droite. Ils devraient répondre aussi rapidement et aussi exactement que possible.
   3. Commencer la tâche.
      1. Pour chaque tirage, présenter une rangée de cinq flèches sur l’écran. Chaque flèche peut être orienté à gauche ou à droite. Congruent essais, toutes les flèches pointent dans la direction même. Essais incongrues, les axes de flèche dans la direction opposée de l’accompagnement flèches. Chaque essai commence par une fixation Croix qui reste à l’écran pour une durée variable entre 400 et 1600 m puis les stimuli flèche apparaissent et restent à l’écran jusqu'à ce que le participant répond, ou pour un maximum de 1700, Mme le procès se termine par une fixation Croix qui reste sur l’écran jusqu'à ce qu’un total de procès durée de 4 s a été atteint.
      2. Actuellement 100 essais, moitié avec objectifs principaux congruentes et moitié incongrues.
      3. Calculer la différence de temps de réaction entre objectifs principaux incongrues et congruents. En règle générale, les temps de réaction est plus lente en réponse aux objectifs incongrues. Ceux qui est plus distraits par les flèches de flanquement auront une plus grande différence dans le temps de réaction entre cibles incongrues et congruents. Cette mesure de contrôle attentionnel sera testée contre des mesures d’intégrité de la substance blanche.
6. Procédures après expérience
   1. Debrief du participant.
   2. Payer le participant.
7. Analyse des données
   1. Pré-traiter les données de diffusion.
      1. Inspecter visuellement les données pour s’assurer qu’il est exempt des artefacts.
      2. Effectuer la correction des courants de Foucault avec des logiciels spécialisés.
      3. Pour chaque sujet, enregistrez chaque image diffusion directionnelle à l’image de B0 en utilisant une transformation affine de corps rigide linéaire. Cette étape permet de compenser tout mouvement qui s’est produit de balayage à balayage.
      4. Retirer le crâne et autres tissus non brain à partir des images à l’aide d’un logiciel automatisé. Cela fera en sorte que nous ne calculent pas tenseurs de voxels qui sont en dehors du cerveau.
      5. Combiner entre les multiples images de direction pour calculer le tenseur de diffusion à chaque voxel. Il existe plusieurs logiciels librement disponibles pour le traitement des données DTI qui permettra de calculer ces valeurs.
      6. Calculer FA à chaque voxel, la proportion de grandeur tensorielle en raison de la diffusion anisotrope.
      7. Enregistrer les images de diffusion à l’image haute résolution de T1 anatomique, puis à l’espace atlas standard permettant l’analyse de groupe et niveau.
   2. Définir des zones d’intérêt (ROI).
      1. Obtenir les trois masques de retour sur investissement d’un atlas standard matière blanche. Ici, nous utilisons l’atlas de la substance blanche ICBM-DTI-81 créé par le Consortium International pour Brain Mapping (Figure 2).
      2. Enregistrer une image anatomique haute définition de chaque sujet particulier à l’atlas standard.
      3. Déformer les masques ROI dans l’espace de cerveau individuel de chaque participant en utilisant les inscriptions effectuées à l’étape précédente.
   3. Extraire des valeurs de FA pour chaque sujet de chacun de la trois ROIs.
   4. Comparer les valeurs de FA entre les deux groupes à l’aide de l’analyse de Variance (ANOVA).
   5. Calculer la corrélation de Pearson entre les scores de congruence des participants de la fourmi et les valeurs de la FA.

Les valeurs de FA de la trois ROIs sont indiquées à la Figure 3. Anisotropie fractionnaire est significativement plus faible dans le groupe TBI dans des ROIs tous les trois, indiquant la présence de dommages généralisée de substance blanche chez ces individus. Cette perte non localisée de l’intégrité de la substance blanche est typique des TBI.

Figure 3 : réduit l’anisotropie dans les patients avec TBI et relation avec le contrôle attentionnel. (A) les valeurs de FA sont significativement plus faibles chez les patients TBI par rapport aux témoins sains dans tous les 3 ROIs. (B) FA dans l’antérieur de corona radiata est corrélée négativement avec effet de disproportion accrue dans la tâche de l’attention. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Notre mesure de contrôle attentionnel-réponse décalages temporels entre harmonie et incongrues cibles-corrélé négativement avec les valeurs de FA dans l’antérieur corona radiata (Figure 3). En d’autres termes, plus grandes différences dans les temps de réponse, indiquant le contrôle attentionnel plus pauvres, sont associés à une diminution FA. Ces résultats témoignent une relation entre l’intégrité de la substance blanche à cet endroit et de la performance sur cette tâche. Cette relation n’a pas été trouvée dans la deux autre ROIs. L’anterior corona radiata est associée de connexions avec le cortex cingulaire antérieur, une structure appelée à jouer un rôle important dans le contrôle attentionnel.

Parce que l’imagerie de diffusion peut révéler des différences dans la structure de la matière blanche qui ne sont souvent pas visibles avec l’imagerie traditionnelle de MRI, c’est un outil important pour comprendre la structure du cerveau et la fonction. Dans cette expérience, nous avons identifié un marqueur clinique pertinent pour traumatisme crânien qui peut être utilisé pour prédire les conséquences comportementales d’une telle blessure. DTI a été particulièrement utile dans l’étude du développement du cerveau, comme les changements dans la structure de la matière blanche sont retrouvent tout au long de la durée de vie de la petite enfance à l’âge adulte fin. Par exemple, vieillissement chez les aînés est associée à une diminution dans l’anisotropie fractionnaire.

Plus sophistiqué d’analyse d’images de diffusion permet la reconstruction et le traçage des tracts de la fibre dans le cerveau, un processus appelé tractography. Tractography utilise les informations directionnelles de voxels contigus pour retracer les faisceaux de fibres spécifiques qu’ils parcourent à travers le cerveau et peuvent aider à construire des modèles des interconnexions entre les structures cérébrales différentes. Cette technique peut être utilisée pour étudier les liens entre les régions du cerveau individuel d’intérêt, ou alternativement, pour analyser l’ensemble connectome ou complexe réseau structure, du cerveau.