外傷性脳損傷の拡散テンソル画像を用いた

ソース: ジョナス ・ t. カプラン サラ I. ギンベル所-南カリフォルニア大学

MRI を用いた伝統的な脳イメージング、脳の総構造の可視化で非常に良いです。MRI は、構造的な脳画像は、グレーと白の問題とサイズに関する情報との間の境界線の高コントラストと脳構造の形状を提供します。ただし、基になる構造とローカルおよび遠い脳領域を相互接続する軸索の束から成っている、脳の白質ネットワークの整合性、これらの画像は細部しません。

拡散 MRI は、水分子の拡散に敏感なパルス シーケンスを使用します。拡散の方向を測定することによって脳の白質ネットワークの構造についての推論をすることが可能です。軸索内の水分が細胞膜; によって彼らの動きに制限されます。等しい確率 (等方性運動) であらゆる方向にランダムに移動する代わりに、彼らは軸索 (異方性運動と並行して特定の方向に移動する可能性が高い図 1)。したがって、拡散異方性の測定は、白質繊維の密度、軸索の太さ、髄鞘化の程度などのプロパティを反映と考えられます。1 つの一般的な指標は、小数の異方性 (FA) です。1、完全に等方性の動きを表す 0 から FA 値の範囲は、最大異方性を反映しています。

図 1: 拡散異方性。拡散の方向が制約のないランダムな動き、すべての方向に均等に測定します。これは、等方性拡散 (A)。水の分子は、ニューロンの軸索に含まれる、拡散が異方性、(B) 軸索の方向に沿ってより頻繁に発生する傾向があります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

この実験では外傷性脳損傷 (TBI) で白質病変を測定するのに拡散テンソル画像 (DTI) を使用します私たち。TBI は、外部の力は、頭や突然の動きが車の事故で発生する種のように打撃を与えるなど、脳を傷つけるときに発生します。機械力による脳損傷のこのタイプは、脳全体の白質にびまん性軸索損傷損傷に関連付けられます。白質の整合性に影響を与える傷害、標準ニューロ イメージング技術は可能性があります被害を明らかにしません。ただし、拡散の措置は、特にこれらの解剖学的変化に敏感です。・ クラウスらによる研究に続きます。¹、我々 は TBI と大脳白質の脳外傷の効果を測定する使用拡散イメージングを持つ人々 のグループに健常者のグループを比較します。さらに、我々 は白質病変と注意課題を用いた認知機能との関係をテストします。²本研究では 3 つの白質の広大に焦点を当て利益 (率 ROI) アプローチの地域: 上縦束 (図 2)、前方コロナ ラジアタ脳梁の梁。

図 2: 関心領域。ICBM DTI 81 アトラスから定義されている 3 つの Roi は、脳を介して水平スライスにここで表示されます。緑脳梁膨大です。梁は脳梁の後部の一部です。前方コロナ ラジアタは、青。上縦束は、赤で表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

1. 参加者募集

1. 中等度から重度の TBI と 20 人の参加者と 20 の年齢をマッチさせたコントロールを採用します。すべての参加者は、18 歳以上にする必要があります。
   1. TBI の患者は、少なくとも 6 ヶ月前に発生した閉鎖性頭部外傷を経験している必要があります。TBI は前に、または事故後、意識、意識の損失から記憶喪失の変更などいくつかの要因を評価することによって診断されます。中等度から重度として分類される患者は 30 分以上および/またはグラスゴー昏睡尺度で 13 未満の得点意識消失の期間を経験している必要があります。
   2. コントロール群は神経学的または精神的な障害の歴史もないはずです。
   3. すべての参加者は、自分の体で金属をなりません。これによる高磁場 MRI に関わる重要な安全要件です。
   4. すべての参加者が閉所恐怖症に苦しむ、MRI スキャナーの小さなスペースで横になっている必要があるためにの穴はありません。
2. スキャン前の手順
   1. スキャン前書類を記入します。
   2. 参加者は、自分の MRI スキャンのために来るとき、それら最初彼らは MRI、放射線科医とリスクと研究の利点について詳述した同意書で見られる彼らのスキャンのために同意を与える偶発的所見フォーム、カウンター表示がない確認する金属スクリーン フォーム記入があります。
   3. ベルト、財布、携帯電話、ヘアー クリップ、コイン、アクセサリー類をすべてを含む、自分の体からすべての金属を取り除くことでスキャナーに行く参加者を準備します。
3. スキャナーの準備
   1. スキャンの際、実験者を聞いていてコイルに頭をベッドに横になることがあるので、着用するスキャナーと耳の携帯電話の騒音から耳を守る参加者耳栓を与えます。
   2. 参加者緊急スクイズ ボールを与えるし、スキャン中に緊急の場合それを圧迫するように指示します。
   3. 参加者を保護するパッドを使用の画像、スキャン中に過剰な運動を避けるために、参加者を思い出させる、スキャン中にまだ可能な限り最小の動きブラーもご滞在に非常に重要であるコイルの頭します。
4. データ コレクション
   1. 高解像度 T1 強調の解剖学的なスキャンを収集します。これは標準的なアトラス スペースに参加者の脳を登録するために使用されます。
   2. DTI に最適パルス シーケンスを使用してスキャンを開始します。
      1. 拡散方向に敏感ではない 1 つの B0 イメージを取得します。
      2. 複数の拡散強調画像は、取得、各方向拡散の違いに敏感です。取得より多くの方向より細かく我々 は拡散テンソルを解決することになります。ただし、方向の数を増やすと、アクイジション時間も増えます。本研究では、64 の異なる方向を取得します。
5. 注意タスク
   1. MRI スキャナー外選択的注意能力評価に注意ネットワーク タスク (ANT)³のバージョンを実行して、すべての参加者があります。
   2. コンピューター画面の前で参加者の座席、タスクを完了する方法を教えます。
      1. 一連の矢印が画面に表示されることを説明します。参加者のタスクは中心部に矢印にのみ応答し、他の人を無視します。中央の矢印は左を指して場合、彼らは、左手で「F」キーを押すでしょう。中央の矢印が右を向いている場合、彼らは、右手で「J」キーを押すでしょう。彼らは、迅速かつ正確に可能な限り応じるべきです。
   3. タスクを開始します。
      1. 各試験の 5 つの矢印の行を画面に提示します。左または右、それぞれの矢印を指すことができます。合同試験で矢印のすべては同じ方向にポイントします。不適合の試験で中央の矢印は並ぶ矢印から反対の方向でポイントします。個々 の試験から始まる固定矢印刺激が表示され、参加者が応答するか最大 1700 さん裁判の最後に試験合計まで画面にそのままクロス固定 4 s の期間に到達したまで画面上に残るし、400 や 1600 さん間の可変期間の画面に残っている間。
      2. 100 回の試行、合同ターゲットと半分の不一致ターゲットと半分を提示します。
      3. 克服できるように目標と合同目標反応時間の差を計算します。通常、反応時間、克服できるようにターゲットの応答低下します。不適合と合同のターゲットの反応時間に大きな違いを持って並ぶ矢印によりを取られる人。注意制御の今回の措置は、白質病変の措置に対してテストされます。
6. 後の実験手順
   1. 参加者の感想を聞きます。
   2. 参加者に支払います。
7. データ分析
   1. 拡散データを前処理します。
      1. 成果物から自由であることを確認するデータを目視で確認します。
      2. 専用ソフトウェアによる渦電流補正を実行します。
      3. 各科目における線形剛体アフィン変換を使用して B0、指向性拡散画像のそれぞれを登録します。この手順は、スキャンするに発生したモーションを補正されます。
      4. 自動化されたソフトウェアを使用して画像から頭蓋骨や他の非脳組織を削除します。我々 は脳外にあるボクセルのテンソルを計算しないようになります。
      5. 各ボクセルで拡散テンソルを計算する複数の方向の画像を組み合わせます。これらの値を計算する DTI データを処理するためのいくつかの自由に利用できるソフトウェア パッケージがあります。
      6. 各ボクセルによる異方性拡散テンソルの大きさの割合で FA を計算します。
      7. 高解像度の解剖学的 T1 画像にし、グループ レベルでの解析を可能にする、標準的なアトラス空間に拡散画像を登録します。
   2. 利益 (率 ROI) の領域を定義します。
      1. 標準的な白質アトラスから 3 つの投資収益率のマスクを取得します。ここでは、我々 は脳のマッピング (図 2) の国際コンソーシアムによって作成される ICBM DTI 81 白質アトラスを使用します。
      2. 標準的なアトラスを個 々 の被験者の高解像度の解剖学的画像を登録します。
      3. ROI マスクを実行前の手順で登録を使用して各参加者の個々 の脳領域にワープします。
   3. 3 ・ ロワのそれぞれから各科目の FA の値を抽出します。
   4. 分散分析 (ANOVA) を使用して 2 つのグループ間の FA の値を比較します。
   5. ピアソン相関アリから参加者の適合性スコアと FA の値を計算します。

3 ・ ロワから FA の値は、図 3のとおりです。小数の異方性は人々 の広範な白質損傷の存在を示すすべての 3 ・ ロワの TBI 群で有意に低かった。この非ローカライズされた白質の整合性の損失は TBI の典型的です。

図 3: 脳外傷患者と注意制御との関係における異方性の減少します。(A) FA 値がすべて 3 ・ ロワで健常者と比較して TBI 患者で有意に低かったです。(B) 前のコロナ ラジアタで FA 否定的注意課題における増加融解効果と関連付けています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

注意制御応答時間合同と違い不一致否定的に FA 値目標相関で前方コロナ ラジアタ (図 3) を測定します。つまり、貧しいの注意制御を示す応答時間の大きい違いは減らされた FA に関連付けられます。これらの結果は、この場所で白質病変とこのタスクのパフォーマンスの関係を証拠します。この関係は、他の 2 つの Roi では見つかりませんでした。前方コロナ ラジアタは、前帯状皮質、注意制御の重要な部分を再生する知られている構造体への接続に関連付けられます。

拡散イメージングすることができます伝統的な mri と表示されていない多くの場合白質構造に違いを明らかにするため、脳の構造と機能を理解するための重要なツールです。この実験ではそのような傷害の行動の結果を予測するために使用が外傷性脳損傷の臨床的に関連するマーカーを同定しました。DTI は、以降の成人期を通して幼児期から生涯白質構造の変化があると脳の発達の研究で特に有用されています。たとえば、高齢者の高齢化は、小数の異方性の減少に関連付けられます。

拡散画像のより高度な解析は、復興と繊維広大脳神経線維として知られているプロセスでトレースします。ラクトは、脳をスキャンし、脳の構造の間でさまざまな相互接続のモデルを構築するのにことができます特定のファイバー束をトレースするのに連続したボクセルの方向の情報を使用します。研究の関心は、個々 の脳領域間の接続にこの手法を使用できます。 またはまたは分析全体コネクトームまたは複雑なネットワーク構造を脳の。

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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).