Usando difusão tensor imagem em lesão cerebral traumática

Fonte: Laboratórios de Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel - Universidade do Sul da Califórnia

Técnicas tradicionais de imagem cerebral usando ressonância magnética são muito boas em visualizar as estruturas brutas do cérebro. Uma imagem estrutural do cérebro feita com ressonância magnética fornece alto contraste das bordas entre matéria cinza e branca, e informações sobre o tamanho e a forma das estruturas cerebrais. No entanto, essas imagens não detalham a estrutura subjacente e a integridade das redes de matéria branca no cérebro, que consistem em feixes de axônio que interligam regiões cerebrais locais e distantes.

A ressonância magnética de difusão usa sequências de pulso sensíveis à difusão de moléculas de água. Medindo a direção da difusão, é possível fazer inferências sobre a estrutura das redes de matéria branca no cérebro. Moléculas de água dentro de um axônio são restringidas em seus movimentos pela membrana celular; em vez de se moverem aleatoriamente em todas as direções com igual probabilidade (movimento isotrótrópico), eles são mais propensos a se mover em determinadas direções, em paralelo com o axônio (movimento anisotrótrópico; Figura 1). Portanto, acredita-se que medidas de anisotropia de difusão refletem propriedades da matéria branca, como densidade de fibras, espessura do axônio e grau de mielinação. Uma medida comum é a anisotropia fracionária (FA). Os valores da FA variam de 0, que representa movimento totalmente isotrópica, a 1, refletindo anisotropia máxima.

Figura 1: Anisotropia difusa. Quando a direção da difusão é desconstreada e aleatória, o movimento é medido em todas as direções igualmente. Esta é difusão isotrópica (A). Quando moléculas de água são contidas dentro do axônio de um neurônio, a difusão é anisotropica,tende a ocorrer com mais frequência ao longo da direção do axônio (B). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Neste experimento usaremos imagens tensor de difusão (DTI) para medir a integridade da matéria branca em lesão cerebral traumática (TBI). TBI ocorre quando uma força externa fere o cérebro, como um golpe na cabeça ou um movimento repentino como o que pode ocorrer em um acidente de carro. Este tipo de lesão cerebral de forças mecânicas está associada com danos difusos de lesão axonal à matéria branca em todo o cérebro. Por ser uma lesão que afeta a integridade da matéria branca, as técnicas padrão de neuroimagem podem não revelar o dano. No entanto, as medidas de difusão são especialmente sensíveis a essas mudanças anatômicas. Após um estudo de Kraus et al. ¹, comparamos um grupo de controles saudáveis a um grupo de pessoas com TCE e usamos imagens de difusão para medir o efeito do TBI na matéria branca cerebral. Além disso, testaremos a relação entre integridade da matéria branca e função cognitiva usando uma tarefa de atenção. ² Este estudo utiliza uma abordagem de região de interesse (ROI) com foco em três tratos de matéria branca: o esplenio do caloso corpus, a radia de coroa anterior e o fasciculus longitudinal superior(Figura 2).

Figura 2: Regiões de interesse. Os três ROIs, definidos a partir do atlas ICBM DTI-81, são mostrados aqui em fatias horizontais através do cérebro. Em verde está o espálnio do corpus calosum. O baço é a parte mais posterior do corpo caloso. Em azul está a coroa anterior radiata. O fasciculus longitudinal superior é mostrado em vermelho. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

1. Recrutamento de participantes

1. Recrute 20 participantes com TCE moderado a grave e 20 controles de idade compatível. Todos os participantes devem ter mais de 18 anos.
   1. Pacientes com TCE deveriam ter sofrido um ferimento na cabeça fechado que ocorreu há pelo menos 6 meses. O TCE é diagnosticado avaliando vários fatores, como alterações na consciência, perda de consciência e perda de memória de antes ou depois do acidente. Para ser classificado como moderado a grave, o paciente deve ter experimentado um período de perda de consciência superior a 30 minutos, e/ou obteve um escore inferior a 13 na Escala de Coma de Glasgow.
   2. Os participantes do controle não devem ter histórico de distúrbios neurológicos ou psicológicos.
   3. Todos os participantes não devem ter metal em seu corpo. Este é um importante requisito de segurança devido ao alto campo magnético envolvido na ressonância magnética.
   4. Todos os participantes não devem sofrer de claustrofobia, uma vez que a ressonância magnética requer estar no pequeno espaço do furo do scanner.
2. Procedimentos de pré-digitalização
   1. Preencha a papelada pré-digitalizada.
   2. Quando os participantes vierem para a ressonância magnética, primeiro preencha um formulário de tela metálica para garantir que não tenham contraindicações para ressonância magnética, um formulário de achados incidentais que dá consentimento para que sua varredura seja examinada por um radiologista e um formulário de consentimento detalhando os riscos e benefícios do estudo.
   3. Prepare os participantes para ir ao scanner removendo todo o metal de seu corpo, incluindo cintos, carteiras, telefones, grampos de cabelo, moedas e todas as joias.
3. Preparação do scanner
   1. Dê aos participantes protetores de ouvido para proteger seus ouvidos do ruído do scanner e dos fones de ouvido para que eles possam ouvir o experimentador durante a varredura, e tê-los deitados na cama com a cabeça na bobina.
   2. Dê ao participante a bola de aperto de emergência e instrua-os a espremê-la em caso de emergência durante a varredura.
   3. Use almofadas de espuma para fixar a cabeça dos participantes na bobina para evitar o excesso de movimento durante a varredura, e lembre ao participante que é muito importante ficar o mais quieto possível durante a varredura, pois até mesmo os menores movimentos desfocam as imagens.
4. Recolha de dados
   1. Colete uma varredura anatômica de alta resolução com peso T1. Isso será usado para cadastrar o cérebro do participante no espaço padrão atlas.
   2. Comece a digitalizar usando uma sequência de pulso otimizada para DTI.
      1. Uma imagem B0 é adquirida que não é sensível à direção de difusão.
      2. Várias imagens ponderadas por difusão são adquiridas, cada uma sensível a uma direção diferente de difusão. Quanto mais direções adquiridas, mais finamente poderemos resolver o tensor de difusão. No entanto, o aumento do número de direções também aumenta o tempo de aquisição. Neste estudo, adquiriremos 64 direções diferentes.
5. Tarefa de atenção
   1. Fora do scanner de ressonância magnética, todos os participantes realizem uma versão da Tarefa de Rede de Atenção (ANT)³ para avaliar sua capacidade de atenção seletiva.
   2. Sente o participante em frente a uma tela de computador e instrua-os sobre como completar a tarefa.
      1. Explique que uma série de setas aparecerão na tela. A tarefa do participante é responder apenas à seta no centro, e ignorar as outras. Se a seta central estiver apontando para a esquerda, pressionarão a tecla 'F' com a mão esquerda. Se a seta central estiver apontando para a direita, pressionarão a tecla 'J' com a mão direita. Eles devem responder o mais rápido e com precisão possível.
   3. Comece a tarefa.
      1. Em cada teste, apresente uma linha de cinco setas na tela. Cada seta pode estar apontando para a esquerda ou para a direita. Em julgamentos congruentes, todas as setas apontam na mesma direção. Em ensaios incongruentes, a seta central aponta na direção oposta das flechas de flanqueamento. Cada ensaio começa com uma cruz de fixação que permanece na tela por uma duração variável entre 400 e 1600 ms. Em seguida, os estímulos de seta aparecem e permanecem na tela até que o participante responda, ou por um máximo de 1700 ms. O julgamento termina com uma cruz de fixação que permanece na tela até que uma duração total de teste de 4s tenha sido alcançada.
      2. Apresentar 100 ensaios, metade com alvos congruentes e meio alvos incongruentes.
      3. Calcule a diferença no tempo de reação entre alvos incongruentes e alvos congruentes. Normalmente, o tempo de reação é mais lento em resposta a alvos incongruentes. As pessoas que estão mais distraídas com as flechas de flanqueamento terão uma diferença maior no tempo de reação entre alvos incongruentes e congruentes. Esta medida de controle de atenção será testada contra medidas de integridade da matéria branca.
6. Procedimentos pós-experimento
   1. Interrogue o participante.
   2. Pague o participante.
7. Análise de dados
   1. Pré-processe os dados de difusão.
      1. Inspecione visualmente os dados para ter certeza de que estão livres de artefatos.
      2. Realize a correção de corrente de eddy com software especializado.
      3. Para cada sujeito, registre cada uma das imagens de difusão direcional na imagem B0 usando uma transformação linear de afinidade corpo rígido. Esta etapa compensará qualquer movimento que ocorreu desde a varredura até a varredura.
      4. Remova o crânio e outros tecidos não cerebrais das imagens usando software automatizado. Isso garantirá que não calculemos tensores para voxels que estão fora do cérebro.
      5. Combine entre as imagens de várias direções para calcular o tensor de difusão em cada voxel. Existem vários pacotes de software disponíveis livremente para processar dados DTI que calcularão esses valores.
      6. Calcule fa em cada voxel, a proporção de magnitude tensor devido à difusão anisotropica.
      7. Registre as imagens de difusão na imagem Anatômica T1 de alta resolução e, em seguida, no espaço padrão do atlas para permitir a análise em nível de grupo.
   2. Definir regiões de interesse (ROI).
      1. Obtenha as três máscaras roi de um atlas de matéria branca padrão. Aqui, utilizamos o atlas de matéria branca ICBM-DTI-81 criado pelo Consórcio Internacional de Mapeamento Cerebral(Figura 2).
      2. Registre a imagem anatômica de alta resolução de cada indivíduo no atlas padrão.
      3. Deforme as máscaras do ROI no espaço cerebral individual de cada participante usando os registros realizados na etapa anterior.
   3. Extrair valores fa para cada sujeito de cada um dos três ROIs.
   4. Compare os valores de FA entre os dois grupos utilizando Análise de Variância (ANOVA).
   5. Calcular a correlação de Pearson entre os escores de congruência dos participantes da ANT e os valores da FA.

Os valores fa dos três ROIs são mostrados na Figura 3. A anisotropia fracionária foi significativamente menor no grupo TBI nos três ROIs, indicando a presença de danos generalizados da matéria branca nesses indivíduos. Esta perda não localizada da integridade da matéria branca é típica da TBI.

Figura 3: Anisotropia reduzida em pacientes com TCE e relação com controle de atenção. (A) Os valores de FA são significativamente menores em pacientes com TCE em comparação com controles saudáveis em todos os 3 ROIs. (B) Fa na radia da coroa anterior correlaciona-se negativamente com o aumento do efeito de incongruência na tarefa de atenção. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nossa medida de diferenças de tempo de controle-resposta atencionais entre alvos congruentes e incongruentes correlacionados negativamente com os valores fa na radia anterior da coroa(Figura 3). Em outras palavras, maiores diferenças no tempo de resposta, indicando menor controle de atenção, estão associadas à diminuição da FA. Esses resultados evidenciam uma relação entre a integridade da matéria branca neste local e o desempenho nesta tarefa. Essa relação não foi encontrada nos outros dois ROIs. A radiada corona anterior está associada a conexões com o córtex cingulado anterior, uma estrutura conhecida por desempenhar um papel importante no controle da atenção.

Como a imagem de difusão pode revelar diferenças na estrutura da matéria branca que muitas vezes não são visíveis com a ressonância magnética tradicional, é uma ferramenta importante para entender a estrutura e a função do cérebro. Neste experimento identificamos um marcador clinicamente relevante para lesão cerebral traumática que pode ser usado para prever as consequências comportamentais de tal lesão. O DTI tem sido especialmente útil no estudo do desenvolvimento cerebral, uma vez que mudanças na estrutura da matéria branca são encontradas ao longo da vida útil desde a primeira infância até o final da vida adulta. Por exemplo, o envelhecimento em idosos está associado a um declínio na anisotropia fracionária.

Uma análise mais sofisticada das imagens de difusão permite a reconstrução e rastreamento de tratos de fibras no cérebro, um processo conhecido como tractografia. A tractografia usa as informações direcionais em voxels contíguos para rastrear feixes específicos de fibras à medida que atravessam o cérebro e podem ajudar a construir modelos das várias interconexões entre as estruturas cerebrais. Essa técnica pode ser usada para estudar as conexões entre regiões cerebrais individuais de interesse, ou alternativamente para analisar toda a estrutura de rede conectada, ou complexa, do cérebro.

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).