Utilizzo dell'imaging con tensore di diffusione nelle lesioni cerebrali traumatiche

Fonte: Laboratori di Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel—University of Southern California

Le tradizionali tecniche di imaging cerebrale che utilizzano la risonanza magnetica sono molto brave a visualizzare le strutture grossolane del cervello. Un'immagine cerebrale strutturale realizzata con la risonanza magnetica fornisce un elevato contrasto dei confini tra materia grigia e bianca e informazioni sulle dimensioni e la forma delle strutture cerebrali. Tuttavia, queste immagini non descrivono in dettaglio la struttura sottostante e l'integrità delle reti di materia bianca nel cervello, che consistono in fasci di assoni che interconnettono regioni cerebrali locali e distanti.

La risonanza magnetica a diffusione utilizza sequenze di impulsi sensibili alla diffusione di molecole d'acqua. Misurando la direzione di diffusione, è possibile fare inferenze sulla struttura delle reti di materia bianca nel cervello. Le molecole d'acqua all'interno di un assone sono vincolate nei loro movimenti dalla membrana cellulare; invece di muoversi casualmente in ogni direzione con uguale probabilità (movimento isotropo), è più probabile che si muovano in determinate direzioni, in parallelo con l'assone (movimento anisotropico; Figura 1). Pertanto, si ritiene che le misure di anisotropia di diffusione riflettano le proprietà della sostanza bianca come la densità delle fibre, lo spessore degli assoni e il grado di mielinizzazione. Una misura comune è l'anisotropia frazionaria (FA). I valori di FA vanno da 0, che rappresenta il movimento completamente isotropo, a 1, riflettendo l'anisotropia massima.

Figura 1: Anisotropia di diffusione. Quando la direzione di diffusione è libera e casuale, il movimento viene misurato in tutte le direzioni allo stesso modo. Questa è la diffusione isotropa (A). Quando le molecole d'acqua sono contenute all'interno dell'assone di un neurone, la diffusione è anisotropa, tendendo a verificarsi più frequentemente lungo la direzione dell'assone (B). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

In questo esperimento useremo l'imaging del tensore di diffusione (DTI) per misurare l'integrità della sostanza bianca nella lesione cerebrale traumatica (TBI). Il TBI si verifica quando una forza esterna ferisce il cervello, come un colpo alla testa o un movimento improvviso come quello che potrebbe verificarsi in un incidente d'auto. Questo tipo di lesione cerebrale da forze meccaniche è associato a lesioni assonali diffuse-danno alla sostanza bianca in tutto il cervello. Poiché si tratta di una lesione che colpisce l'integrità della sostanza bianca, le tecniche di neuroimaging standard potrebbero non rivelare il danno. Tuttavia, le misure di diffusione sono particolarmente sensibili a questi cambiamenti anatomici. A seguito di uno studio di Kraus et al. ¹, confrontiamo un gruppo di controlli sani con un gruppo di persone con TBI e utilizziamo l'imaging a diffusione per misurare l'effetto del TBI sulla sostanza bianca cerebrale. Inoltre, testeremo la relazione tra integrità della sostanza bianca e funzione cognitiva utilizzando un compito di attenzione. ² Questo studio utilizza un approccio di regione di interesse (ROI) incentrato su tre tratti di sostanza bianca: lo splenio del corpo calloso, la corona radiata anteriore e il fascicolo longitudinale superiore (Figura 2).

Figura 2: Regioni di interesse. I tre ROI, definiti dall'atlante ICBM DTI-81, sono mostrati qui in sezioni orizzontali attraverso il cervello. In verde è lo splenio del corpo calloso. Lo splenio è la parte più posteriore del corpo calloso. In blu è la corona radiata anteriore. Il fascicolo longitudinale superiore è mostrato in rosso. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

1. Reclutamento dei partecipanti

1. Reclutare 20 partecipanti con TBI da moderato a grave e 20 controlli abbinati all'età. Tutti i partecipanti devono avere più di 18 anni.
   1. I pazienti con TBI dovrebbero aver subito un trauma cranico chiuso che si è verificato almeno 6 mesi fa. Il TBI viene diagnosticato valutando diversi fattori come i cambiamenti di coscienza, la perdita di coscienza e la perdita di memoria prima o dopo l'incidente. Per essere classificato come da moderato a grave, il paziente deve aver sperimentato un periodo di perdita di coscienza superiore a 30 minuti e / o ottenuto un punteggio inferiore a 13 sulla glasgow Coma Scale.
   2. I partecipanti al controllo non dovrebbero avere una storia di disturbi neurologici o psicologici.
   3. Tutti i partecipanti non dovrebbero avere metallo nel loro corpo. Questo è un importante requisito di sicurezza a causa dell'elevato campo magnetico coinvolto nella risonanza magnetica.
   4. Tutti i partecipanti non dovrebbero soffrire di claustrofobia, poiché la risonanza magnetica richiede di sdraiarsi nel piccolo spazio del foro dello scanner.
2. Procedure di pre-scansione
   1. Compila i documenti pre-scansione.
   2. Quando i partecipanti arrivano per la loro risonanza magnetica, fai prima compilare un modulo di schermo metallico per assicurarsi che non abbiano controindicazioni per la risonanza magnetica, un modulo di risultati incidentali che dà il consenso affinché la loro scansione venga esaminata da un radiologo e un modulo di consenso che dettaglia i rischi e i benefici dello studio.
   3. Prepara i partecipanti ad andare nello scanner rimuovendo tutto il metallo dal loro corpo, tra cui cinture, portafogli, telefoni, fermagli per capelli, monete e tutti i gioielli.
3. Preparazione dello scanner
   1. Dare ai partecipanti tappi per le orecchie per proteggere le orecchie dal rumore dello scanner e dei telefoni auricolari da indossare in modo che possano sentire lo sperimentatore durante la scansione e farli sdraiare sul letto con la testa nella bobina.
   2. Dare al partecipante la palla di spremimento di emergenza e istruirlo a spremerlo in caso di emergenza durante la scansione.
   3. Utilizzare cuscinetti di schiuma per fissare la testa dei partecipanti nella bobina per evitare movimenti eccessivi durante la scansione e ricordare al partecipante che è molto importante rimanere il più fermo possibile durante la scansione, poiché anche i più piccoli movimenti offuscano le immagini.
4. Raccolta dei dati
   1. Raccogliere una scansione anatomica ponderata T1 ad alta risoluzione. Questo sarà usato per registrare il cervello del partecipante nello spazio standard dell'atlante.
   2. Inizia la scansione utilizzando una sequenza di impulsi ottimizzata per DTI.
      1. Viene acquisita un'immagine B0 che non è sensibile alla direzione di diffusione.
      2. Vengono acquisite più immagini ponderate per la diffusione, ognuna sensibile a una diversa direzione di diffusione. Più direzioni acquisite, più finemente saremo in grado di risolvere il tensore di diffusione. Tuttavia, l'aumento del numero di direzioni aumenta anche il tempo di acquisizione. In questo studio, acquisiremo 64 direzioni diverse.
5. Compito di attenzione
   1. Al di fuori dello scanner MRI, tutti i partecipanti eseguono una versione dell'Attention Network Task (ANT)³ per valutare la loro capacità di attenzione selettiva.
   2. Siediti il partecipante davanti allo schermo di un computer e istruisci su come completare l'attività.
      1. Spiega che sullo schermo verrà visualizzata una serie di frecce. Il compito del partecipante è quello di rispondere solo alla freccia al centro e di ignorare gli altri. Se la freccia centrale punta a sinistra, premeranno il tasto "F" con la mano sinistra. Se la freccia centrale punta a destra, premeranno il tasto "J" con la mano destra. Dovrebbero rispondere nel modo più rapido e accurato possibile.
   3. Inizia l'attività.
      1. In ogni prova, presenta una fila di cinque frecce sullo schermo. Ogni freccia può puntare a sinistra o a destra. Nelle prove congruenti, tutte le frecce puntano nella stessa direzione. Nelle prove incongruenti, la freccia centrale punta nella direzione opposta rispetto alle frecce di fiancheggiamento. Ogni prova inizia con una croce di fissazione che rimane sullo schermo per una durata variabile tra 400 e 1600 ms. Quindi gli stimoli freccia appaiono e rimangono sullo schermo fino a quando il partecipante non risponde, o per un massimo di 1700 ms. Il processo si conclude con una croce di fissazione che rimane sullo schermo fino a quando non è stata raggiunta una durata totale della prova di 4 secondi.
      2. Presentano 100 studi, metà con obiettivi congruenti e metà obiettivi incongruenti.
      3. Calcola la differenza nel tempo di reazione tra target incongruenti e target congruenti. In genere, il tempo di reazione è più lento in risposta a bersagli incongruenti. Le persone che sono più distratte dalle frecce di fiancheggiamento avranno una maggiore differenza nel tempo di reazione tra bersagli incongruenti e congruenti. Questa misura di controllo attenzionale sarà testata rispetto alle misure di integrità della sostanza bianca.
6. Procedure post-esperimento
   1. Debriefing del partecipante.
   2. Paga il partecipante.
7. Analisi dei dati
   1. Pre-elaborare i dati di diffusione.
      1. Ispezionare visivamente i dati per assicurarsi che siano privi di artefatti.
      2. Esegui la correzione a correnti parassiche con un software specializzato.
      3. Per ogni soggetto, registrare ciascuna delle immagini di diffusione direzionale nell'immagine B0 utilizzando una trasformazione affine lineare a corpo rigido. Questo passaggio compenserà qualsiasi movimento che si è verificato dalla scansione alla scansione.
      4. Rimuovere il cranio e altri tessuti non cerebrali dalle immagini utilizzando un software automatizzato. Ciò garantirà che non calcoliamo tensori per voxel che si trovano al di fuori del cervello.
      5. Combina tra le immagini a direzione multipla per calcolare il tensore di diffusione in ogni voxel. Esistono diversi pacchetti software disponibili gratuitamente per l'elaborazione dei dati DTI che calcoleranno questi valori.
      6. Calcola FA ad ogni voxel, la proporzione di magnitudine tensoriale dovuta alla diffusione anisotropica.
      7. Registrare le immagini di diffusione nell'immagine anatomica T1 ad alta risoluzione e quindi nello spazio atlante standard per consentire l'analisi a livello di gruppo.
   2. Definire le regioni di interesse (ROI).
      1. Ottenere le tre maschere ROI da un atlante standard della sostanza bianca. Qui, usiamo l'atlante della sostanza bianca ICBM-DTI-81 creato dall'International Consortium for Brain Mapping (Figura 2).
      2. Registra l'immagine anatomica ad alta risoluzione di ogni singolo soggetto nell'atlante standard.
      3. Deforma le maschere ROI nello spazio cerebrale individuale di ciascun partecipante utilizzando le registrazioni eseguite nel passaggio precedente.
   3. Estrarre i valori FA per ciascun soggetto da ciascuno dei tre ROI.
   4. Confrontare i valori FA tra i due gruppi utilizzando l'analisi della varianza (ANOVA).
   5. Calcolare la correlazione di Pearson tra i punteggi di congruenza dei partecipanti dai valori ANT e FA.

I valori FA dei tre ROI sono mostrati nella Figura 3. L'anisotropia frazionaria era significativamente più bassa nel gruppo TBI in tutti e tre i ROI, indicando la presenza di danni diffusi alla sostanza bianca in quegli individui. Questa perdita non localizzata di integrità della sostanza bianca è tipica del TBI.

Figura 3: Riduzione dell'anisotropia nei pazienti con TBI e relazione con il controllo attenzionale. (A) I valori di FA sono significativamente più bassi nei pazienti con TBI rispetto ai controlli sani in tutti e 3 i ROI. (B) La FA nella radiata della corona anteriore è correlata negativamente con un aumento dell'effetto di incongruenza nel compito di attenzione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La nostra misura delle differenze di tempo di controllo-risposta attenzionale tra bersagli congruenti e incongruenti è correlata negativamente con i valori FA nella corona radiata anteriore (Figura 3). In altre parole, maggiori differenze nel tempo di risposta, che indicano un controllo attenzionele più scarso, sono associate a una diminuzione della FA. Questi risultati evidenziano una relazione tra l'integrità della sostanza bianca in questa posizione e le prestazioni in questo compito. Questa relazione non è stata trovata negli altri due ROI. La corona radiata anteriore è associata a connessioni alla corteccia cingolata anteriore, una struttura nota per svolgere un ruolo importante nel controllo attenzionale.

Poiché l'imaging a diffusione può rivelare differenze nella struttura della sostanza bianca che spesso non sono visibili con l'imaging MRI tradizionale, è uno strumento importante per comprendere la struttura e la funzione del cervello. In questo esperimento abbiamo identificato un marcatore clinicamente rilevante per la lesione cerebrale traumatica che può essere utilizzato per prevedere le conseguenze comportamentali di tale lesione. La DTI è stata particolarmente utile nello studio dello sviluppo del cervello, poiché i cambiamenti nella struttura della sostanza bianca si trovano per tutta la durata della vita dalla prima infanzia fino alla tarda età adulta. Ad esempio, l'invecchiamento negli anziani è associato a un declino dell'anisotropia frazionata.

Un'analisi più sofisticata delle immagini di diffusione consente la ricostruzione e il tracciamento dei tratti di fibre nel cervello, un processo noto come trattografia. La trattografia utilizza le informazioni direzionali in voxel contigui per tracciare specifici fasci di fibre mentre attraversano il cervello e può aiutare a costruire modelli delle varie interconnessioni tra le strutture cerebrali. Questa tecnica può essere utilizzata per studiare le connessioni tra le singole regioni cerebrali di interesse, o in alternativa per analizzare l'intero connettoma, o struttura di rete complessa, del cervello.

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).