JoVE Logo

Sign In

שימוש בהדמיית טנזור דיפוזיה בפגיעה מוחית טראומטית

Overview

מקור: מעבדות של ג'ונאס ט. קפלן ושרה גימבל – אוניברסיטת דרום קליפורניה

טכניקות הדמיה מוחית מסורתיות באמצעות MRI טובות מאוד בהדמיית המבנים הגסים של המוח. תמונת מוח מבנית עם MRI מספקת ניגודיות גבוהה של הגבולות בין חומר אפור ללבן, ומידע על הגודל והצורה של מבני המוח. עם זאת, תמונות אלה אינן מפרטות את המבנה והשלמות הבסיסיים של רשתות חומר לבן במוח, המורכבות מחבילות אקסון המקשרות אזורים מקומיים ורחוקים במוח.

MRI דיפוזיה משתמש רצפי פעימות רגישים לפיזור של מולקולות מים. על ידי מדידת כיוון הדיפוזיה, ניתן להסיק מסקנות לגבי המבנה של רשתות חומר לבן במוח. מולקולות מים בתוך אקסון מוגבלות בתנועותיהן על ידי קרום התא; במקום לנוע באופן אקראי לכל כיוון בהסתברות שווה (תנועה איזוטרופית), הם נוטים יותר לנוע בכיוונים מסוימים, במקביל לאקסון (תנועה אניזוטרופית; איור 1). לכן, מדדים של אניזוטרופיה דיפוזיה נחשבים לשקף תכונות של החומר הלבן כגון צפיפות סיבים, עובי אקסון, ומידת המיאלינציה. מדד נפוץ אחד הוא אניזוטרופיה חלקית (FA). ערכי FA נעים בין 0, המייצג תנועה איזוטרופית לחלוטין, ל- 1, המשקף אניזוטרופיה מרבית.

Figure 1
איור 1: אניזוטרופיה של דיפוזיה. כאשר כיוון הדיפוזיה אינו מוגבל ואקראי, התנועה נמדדת בכל הכיוונים באופן שווה. זוהי דיפוזיה איזוטרופית (A). כאשר מולקולות מים כלולות בתוך האקסון של נוירון, דיפוזיה היא אניזוטרופית, נוטה להתרחש בתדירות גבוהה יותר לאורך כיוון האקסון (B). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

בניסוי זה נשתמש בהדמיית טנזור דיפוזיה (DTI) כדי למדוד את שלמות החומר הלבן בפגיעה מוחית טראומטית (TBI). TBI מתרחש כאשר כוח חיצוני פוגע במוח, כגון מכה בראש או תנועה פתאומית כמו זו שעלולה להתרחש בתאונת דרכים. סוג זה של פגיעה מוחית מכוחות מכניים קשורה לנזק לפגיעה אקסונית מפוזרת בחומר הלבן ברחבי המוח. מכיוון שמדובר בפגיעה המשפיעה על שלמות החומר הלבן, טכניקות הדמיה מוחית סטנדרטיות עשויות שלא לחשוף את הנזק. עם זאת, מדדים של דיפוזיה רגישים במיוחד לשינויים אנטומיים אלה. בעקבות מחקר של קראוס ואח' . 1,אנו משווים קבוצה של פקדים בריאים לקבוצה של אנשים עם TBI ומשתמשים בהדמיית דיפוזיה כדי למדוד את ההשפעה של TBI על החומר הלבן המוחי. יתר על כן, נבחן את הקשר בין שלמות החומר הלבן לתפקוד הקוגניטיבי באמצעות משימת קשב. 2 מחקר זה משתמש בגישה מעניינת (ROI) המתמקדת בשלושה דרכי חומר לבן: התזה של הקורפוס קאלוסום, הרדיאטורה של הקורונה, והפשקולוס האורך המעולה(איור 2).

Figure 2
איור 2: אזורי עניין. שלושת ההנסרות, המוגדרות מהאטלס ICBM DTI-81, מוצגות כאן בפרוסות אופקיות דרך המוח. בירוק הוא הספלניום של קורפוס קאלוסום. הספלניום הוא החלק האחורי ביותר של קורפוס קאלוסום. בכחול יש את הרדיאטורה של הקורונה. הפשקולוס האורך העליון מוצג באדום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Procedure

1. גיוס משתתפים

  1. גייסו 20 משתתפים עם TBI בינוני עד חמור, ו-20 בקרות תואמות גיל. כל המשתתפים צריכים להיות מעל גיל 18.
    1. חולי TBI היו צריכים לחוות פגיעת ראש סגורה שהתרחשה לפחות לפני 6 חודשים. TBI מאובחנת על ידי הערכת מספר גורמים כגון שינויים בתודעה, אובדן הכרה ואובדן זיכרון מלפני או אחרי התאונה. כדי להיות מסווג בינוני עד חמור, החולה חייב היה לחוות תקופה של אובדן הכרה שהיה גדול מ 30 דקות, ו / או קיבל ציון של פחות מ 13 בסולם התרדמת גלזגו.
    2. למשתתפי הבקרה לא צריכה להיות היסטוריה של הפרעות נוירולוגיות או פסיכולוגיות.
    3. כל המשתתפים לא צריכים להיות מתכת בגוף שלהם. זוהי דרישת בטיחות חשובה בשל השדה המגנטי הגבוה המעורב ב- MRI.
    4. כל המשתתפים לא צריכים לסבול קלסטרופוביה, שכן MRI דורש שוכב בחלל הקטן של הסורק נשא.
  2. הליכי טרום סריקה
    1. מלא ניירת סריקה מראש.
    2. כאשר המשתתפים מגיעים לסריקת ה-MRI שלהם, יש להם תחילה למלא טופס מסך מתכת כדי לוודא שאין להם אינדיקציות נגד עבור MRI, טופס ממצאים מקרי נותן הסכמה לסריקה שלהם להיבדק על ידי רדיולוג, טופס הסכמה המפרט את הסיכונים ואת היתרונות של המחקר.
    3. הכן את המשתתפים להיכנס לסורק על ידי הסרת כל המתכת מגופם, כולל חגורות, ארנקים, טלפונים, קליפסים לשיער, מטבעות וכל התכשיטים.
  3. הכנת סורק
    1. תן את אטמי האוזניים של המשתתף כדי להגן על אוזניהם מפני הרעש של הסורק וטלפוני האוזן ללבוש כדי שיוכלו לשמוע את הנסיין במהלך הסריקה, ויש להם לשכב על המיטה עם הראש שלהם ב סליל.
    2. תן למשתתף את כדור סחיטה חירום והנחה אותם לסחוט אותו במקרה חירום במהלך הסריקה.
    3. השתמש רפידות קצף כדי לאבטח את הראש של המשתתפים ב סליל כדי למנוע תנועה עודפת במהלך הסריקה, ולהזכיר למשתתף כי חשוב מאוד להישאר בשקט ככל האפשר במהלך הסריקה, כמו אפילו התנועות הקטנות ביותר לטשטש את התמונות.
  4. איסוף נתונים
    1. לאסוף סריקה אנטומית T1 ברזולוציה גבוהה משוקלל. זה ישמש לרישום המוח של המשתתף לחלל האטלס הסטנדרטי.
    2. התחל לסרוק באמצעות רצף דופק הממוטב ל- DTI.
      1. תמונת B0 אחת נרכשת שאינה רגישה לכיוון דיפוזיה.
      2. תמונות מרובות משוקללות דיפוזיה נרכשות, כל אחת רגישה לכיוון אחר של דיפוזיה. ככל שנרכשו יותר כיוונים, כך נוכל לפתור את טנזור הדיפוזיה. עם זאת, הגדלת מספר הכיוונים גם מגדילה את זמן הרכישה. במחקר זה, נרכוש 64 כיוונים שונים.
  5. משימת תשומת לב
    1. מחוץ לסורק MRI, מנע מכל המשתתפים לבצע גירסה של משימת רשת הקשב (ANT)3 כדי להעריך את יכולת הקשב הסלקטיבית שלהם.
    2. הושיב את המשתתף מול מסך המחשב והנחה אותו כיצד להשלים את המשימה.
      1. הסבר שסדרת חצים תופיע על המסך. המשימה של המשתתף היא להגיב רק לחץ במרכז, ולהתעלם מהאחרים. אם החץ המרכזי מצביע שמאלה, הם ילחצו על מקש 'F' ביד שמאל. אם החץ המרכזי מצביע ימינה, הם ילחצו על מקש 'J' ביד ימין. הם צריכים להגיב במהירות ובדייקות ככל האפשר.
    3. התחל את המשימה.
      1. בכל ניסיון, הצג שורה של חמישה חצים על המסך. כל חץ יכול להצביע שמאלה או ימינה. בניסויים מתכנסים, כל החצים מצביעים לאותו כיוון. במבחנים לא עקביים, החץ המרכזי מצביע בכיוון ההפוך מהחצים האגפים. כל ניסוי מתחיל בצלב קיבעון שנשאר על המסך למשך משתנה בין 400 ל- 1600 ms. לאחר מכן גירויי החץ מופיעים ונשארים על המסך עד שהמשתתף מגיב, או לכל היותר 1700 אלפיות שני. המשפט מסתיים עם צלב קיבעון שנשאר על המסך עד שמשך ניסיון כולל של 4s הגיע.
      2. הצג 100 ניסויים, חצי עם מטרות תואמות וחצי מטרות לא תואמות.
      3. חשב את ההבדל בזמן התגובה בין מטרות לא עקביות לבין מטרות עקביות. בדרך כלל, זמן התגובה איטי יותר בתגובה למטרות לא עקביות. אנשים שיותר מוסחים על ידי החצים האגפים יהיה הבדל גדול יותר בזמן התגובה בין מטרות לא עקביות והתאמה. מדד זה של שליטה קשב תיבחן כנגד מדדים של שלמות החומר הלבן.
  6. נהלים שלאחר הניסוי
    1. לתחקר את המשתתף.
    2. שלם למשתתף.
  7. ניתוח נתונים
    1. קדם-עיבוד נתוני הדיפוזיה.
      1. בדוק חזותית את הנתונים כדי לוודא שהם נקיים מחפצים.
      2. בצע תיקון זרם-eddy עם תוכנה מיוחדת.
      3. עבור כל נושא, רשום כל אחת מתמונות הדיפוזיה הכיוונית לתמונת B0 באמצעות טרנספורמציה ליניארית נוקשה של גוף. שלב זה יפצה על כל תנועה שהתרחשה מסריקה לסריקה.
      4. הסר את הגולגולת ורקמות אחרות שאינן מוח מהתמונות באמצעות תוכנה אוטומטית. זה יבטיח שלא נחשב טנסטורים עבור voxels כי הם מחוץ למוח.
      5. שלבו בין תמונות הכיוונים המרובים כדי לחשב את טנזור הדיפוזיה בכל ווקסל. קיימות מספר חבילות תוכנה זמינות באופן חופשי לעיבוד נתוני DTI שיחשבו ערכים אלה.
      6. חשב FA בכל voxel, שיעור של גודל טנזור עקב דיפוזיה אניזוטרופית.
      7. רשום את תמונות הדיפוזיה לתמונת T1 האנטומית ברזולוציה גבוהה ולאחר מכן למרחב האטלס הסטנדרטי כדי לאפשר ניתוח ברמת הקבוצה.
    2. הגדר אזורי עניין (ROI).
      1. השג את שלוש מסכות ה-ROI מאטלס חומר לבן סטנדרטי. כאן, אנו משתמשים אטלס החומר הלבן ICBM-DTI-81 שנוצר על ידי הקונסורציום הבינלאומי למיפוי המוח(איור 2).
      2. רשום את התמונה האנטומית ברזולוציה גבוהה של כל נושא לאטלס הסטנדרטי.
      3. עיוות מסכות ה-ROI למרחב המוח הבודד של כל משתתף באמצעות הרישומים שבוצעו בשלב הקודם.
    3. חלץ ערכי FA עבור כל נושא מכל אחד משלושת ההנסרות.
    4. השווה את ערכי ה- FA בין שתי הקבוצות באמצעות ניתוח השונות (ANOVA).
    5. חשב את מתאם פירסון בין ציוני הגיוס של המשתתפים מתוך ערכי ה- ANT וה- FA.

Results

ערכי ה-FA משלושת ההנסועות מוצגים באיור 3. אניזוטרופיה חלקית הייתה נמוכה משמעותית בקבוצת TBI בכל שלושת ROIs, המציין את נוכחותו של נזק חומר לבן נרחב אצל אותם אנשים. אובדן לא מקומי זה של שלמות החומר הלבן אופייני ל- TBI.

Figure 3
איור 3: הפחתת אניזוטרופיה בחולים עם TBI ומערכת יחסים עם שליטה בקשב. (א) ערכי FA נמוכים משמעותית בחולי TBI בהשוואה לבקרות בריאות בכל 3 ההבחזות. (ב) FA ברדיאטורת הקורונה הנעה, תואם באופן שלילי את אפקט חוסר ההתאמה המוגבר במשימת הקשב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

מדדי תשומת הלב שלנו לגבי הבדלי זמן שליטה-תגובה בין יעדים תואמים לבין יעדים לא תואמים - מתואמים באופן שלילי עם ערכי FA ברדיאטור הקורונה האווירית(איור 3). במילים אחרות, הבדלים גדולים יותר בזמן התגובה, המצביעים על בקרת קשב ירודה יותר, קשורים ל- FA מופחת. תוצאות אלה מעידות על קשר בין שלמות החומר הלבן במיקום זה לבין ביצועים במשימה זו. קשר גומלין זה לא נמצא בשני ההשערות האחרות. הרדיאטורה הקדמית של הקורונה קשורה לקשרים לקליפת המוח הקדמית, מבנה הידוע כממלא תפקיד חשוב בשליטה בקשב.

Application and Summary

מכיוון שהדמיית דיפוזיה יכולה לחשוף הבדלים במבנה החומר הלבן שלעתים קרובות אינם נראים עם הדמיית MRI מסורתית, זהו כלי חשוב להבנת מבנה המוח ותפקודו. בניסוי זה זיהינו סמן רלוונטי קלינית לפגיעה מוחית טראומטית שעשוי לשמש לחיזוי ההשלכות ההתנהגותיות של פגיעה כזו. DTI היה שימושי במיוחד בחקר התפתחות המוח, כמו שינויים במבנה החומר הלבן נמצאים לאורך כל תוחלת החיים מילדות מוקדמת עד בגרות מאוחרת. לדוגמה, הזדקנות אצל מבוגרים קשורה לירידה ב anisotropy שברים.

ניתוח מתוחכם יותר של תמונות דיפוזיה מאפשר שחזור ומעקב אחר דרכי סיבים במוח, תהליך המכונה המתיחה. המתיחה משתמשת במידע הכיווני ב voxels רציף כדי לעקוב אחר חבילות סיבים ספציפיים כפי שהם חוצים את המוח והוא יכול לעזור לבנות מודלים של חיבורים שונים בין מבני המוח. טכניקה זו יכולה לשמש כדי לחקור את הקשרים בין אזורי מוח בודדים של עניין, או לחילופין לנתח את כל קונקטום, או מבנה רשת מורכב, של המוח.

References

  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).

Tags

Diffusion Tensor ImagingDTITraumatic Brain InjuryWhite Matter NetworksAxon BundlesCortical And Subcortical Gray MatterExternal ForceRepetitive InteractionsSevere InjuryCognition DeficitsAttentional DomainDistractedSlower Reaction TimeWhite Matter IntegrityPatients With TBIHealthy Control IndividualsCognitive FunctionSelective Attention TaskImaging Data AnalysisDiffusion ValuesRegions Of InterestAttentional Control

Skip to...

0:00

Overview

1:32

Experimental Design

5:20

Running the Experiment

8:11

Data Analysis and Results

10:46

Applications

12:01

Summary

Videos from this collection:

article

Now Playing

שימוש בהדמיית טנזור דיפוזיה בפגיעה מוחית טראומטית

Neuropsychology

16.8K Views

article

המוח המפוצל

Neuropsychology

68.3K Views

article

מפות מנוע

Neuropsychology

27.5K Views

article

פרספקטיבות על נוירופסיכולוגיה

Neuropsychology

12.0K Views

article

קבלת החלטות ומשימת ההימורים באיווה

Neuropsychology

32.5K Views

article

תפקוד מבצעי בהפרעת ספקטרום האוטיזם

Neuropsychology

17.7K Views

article

אמנזיה אנטרוגרדית

Neuropsychology

30.3K Views

article

קורלציה פיזיולוגית של הכרה רגשית

Neuropsychology

16.2K Views

article

פוטנציאלים הקשורים לאירועים והמשימה המוזרה

Neuropsychology

27.5K Views

article

שפה: N400 באי התאמה סמנטית

Neuropsychology

19.6K Views

article

למידה וזיכרון: משימת הזיכרון-לדעת

Neuropsychology

17.2K Views

article

מדידת הבדלי חומר אפור עם מורפומטריה מבוססת ווקסל: המוח המוזיקלי

Neuropsychology

17.3K Views

article

פענוח תמונות שמיעתיות עם ניתוח תבניות רב-תכליתיות

Neuropsychology

6.4K Views

article

תשומת לב חזותית: חקירת fMRI של בקרת קשב מבוססת אובייקט

Neuropsychology

41.8K Views

article

שימוש ב- TMS למדידת עירור מוטורי במהלך תצפית פעולה

Neuropsychology

10.1K Views

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Research

Education

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved