Summary

Расширенный диффузии изображений в гиппокампе крыс с мягкой травматического повреждения головного мозга

Published: August 14, 2019
doi:

Summary

Общая цель этой процедуры заключается в получении количественной микроструктурной информации гиппокампа у крысы с легкой черепно-мозговой травмой. Это делается с использованием передового диффузионного взвешенного протокола магнитно-резонансной томографии и анализа параметрических диффузионных карт.

Abstract

Легкая черепно-мозговая травма (mTBI) является наиболее распространенным типом приобретенных черепно-мозговой травмы. Поскольку пациенты с черепно-мозговой травмой демонстрируют огромную изменчивость и неоднородность (возраст, пол, тип травмы, другие возможные патологии и т.д.), модели животных играют ключевую роль в распутывании факторов, которые являются ограничениями в клинических исследованиях. Они обеспечивают стандартизированную и контролируемую обстановку для изучения биологических механизмов травми и ремонта после ТБИ. Однако не все модели животных эффективно имитируют диффузную и тонкую природу mTBI. Например, широко используемые контролируемые корковые воздействия (CCI) и боковой жидкости ударных травм (LFPI) модели используют краниотомии подвергать мозг и вызвать широкое координационного травмы, которые обычно не видели в mTBI. Таким образом, эти экспериментальные модели не являются действительными для имитации mTBI. Таким образом, соответствующая модель должна использоваться для исследования mTBI. Модель падения веса Marmarou для крыс причиняет подобные микроструктурные изменения и познавательные ухудшения как у пациентов которые выдерживают слабую травму; поэтому эта модель была выбрана для этого протокола. Обычные компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии (МРТ) обычно не показывают никаких повреждений после легкой травмы, потому что mTBI вызывает часто только тонкие и диффузные травмы. С диффузией взвешенных МРТ, можно исследовать микроструктурные свойства ткани мозга, которые могут обеспечить более глубокое понимание микроскопических изменений после легкой травмы. Таким образом, цель этого исследования заключается в получении количественной информации о выбранном регионе интересов (т.е. гиппокамп) для последующей прогрессии заболевания после получения легкой и диффузной черепно-мозговой травмы.

Introduction

Травматическая черепно-мозговая травма (TBI) получила больше внимания в последние годы, как стало ясно, что эти травмы головного мозга может привести к пожизненной когнитивных, физических, эмоциональных и социальных последствий1. Несмотря на это повышение осведомленности, мягкий TBI (mTBI, или сотрясение мозга) по-прежнему часто занижены и недиагностированы. MTBI был назван молчаливой эпидемии, и лица с историей mTBI показывают более высокие показатели злоупотребления психоактивными веществами или психических проблем2. Несколько пациентов с mTBI выходят на недиагностированные каждый год из-за диффузного и тонкого характера травм, которые часто не видны на обычной компьютерной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ). Отсутствие радиологических доказательств повреждения головного мозга привело к разработке более передовых методов визуализации,таких как диффузионная МРТ, которые более чувствительны к микроструктурным изменениям 3.

Диффузия МРТ позволяет in vivo отображение микроструктуры, и этотметод МРТ был широко использован в исследованиях TBI 4,5,6. От диффузии тензора, дробная анизотропия (FA) и средняя диффузорность (MD) вычисляются для количественной оценки изменений в микроструктурной организации после травмы. Недавние обзоры в mTBI пациентов сообщают об увеличении ВС и уменьшается в MD после травмы, которая может свидетельствовать о аксональной опухоль7. Противоположность, увеличения в MD и уменьшениях в FA также найдены и предложены для того чтобы underlie нарушения в parenchymalструктуре следуя за образованием отека, аксональной дегенерацией, или misalignment волокна/нарушением 8. Эти смешанные выводы могут быть частично объяснены значительной клинической неоднородностью mTBI, вызванной различными типами воздействия и тяжести (например, ускорение вращения, тупая травма силы, травма взрыва или комбинация первого). Однако в настоящее время нет четкого консенсуса в отношении лежащей в основе патологии и биологической/клеточной основы, лежащей в основе изменений в микроструктурной организации.

Модели животных обеспечивают стандартизированную и контролируемую настройку для более детального изучения биологических механизмов травми и ремонта после TBI. Несколько экспериментальных моделей для TBI были разработаны и представляют различные аспекты человека TBI (например, координационный против диффузной травмы или травмы, вызванные вращательных сил)9,10. Обычно используемые модели животных включают контролируемое воздействие корковой (CCI) и боковой жидкости ударных травм (LFPI) модели11,12. Хотя экспериментальные параметры могут быть хорошо контролируемыми, эти модели используют краниотомию для разоблачения мозга. Краниотомии или переломы черепа обычно не видели в mTBI; поэтому эти экспериментальные модели не являются действительными для имитации mTBI. Модель ускорения удара, разработанная Marmarou et al.13, использует вес, который сбрасывается с определенной высоты на голову крысы, которая защищена шлемом. Эта модель животных вызывает аналогичные микроструктурные изменения и когнитивные нарушения, как видно у пациентов, которые поддерживают легкую травму. Таким образом, это Marmarou падение веса модель подходит для исследования изображений биомаркеров для диффузных mTBI14,15.

Этот отчет демонстрирует применение передовой диффузии МРТ в модели крыс mTBI с использованием модели падения веса Marmarou. Первый показано, как вызвать легкую и диффузную травму, и анализ с использованием диффузии тензоризображения (DTI) модель затем предоставляется. Специфическая биологическая информация получена с использованием более продвинутых моделей диффузии (т.е., диффузионная визуализация куртоза (DKI) и модель целостности тракта белого вещества (WMTI). В частности, легкая травма наносится и микроструктурные изменения затем оцениваются в гиппокампе с помощью обычных T2-взвешенных МРТ и передовых диффузионной визуализации протокола.

Protocol

Протокол был одобрен Комитетом по этике животных ВГентского университета (ECD 15/44Aanv), и все эксперименты проводились в соответствии с руководящими принципами Европейской комиссии (Directive 2010/63/EU). 1. Подготовка животных и шлем крепления Взвесить самку крысы Wistar H (возраст…

Representative Results

В исследовании, все TBI крыс (n No 10) выжили воздействия и смогли оправиться от удара и анестезии в течение 15 минут после отрыва от анестезии23. На КТ изображения, не было никаких доказательств переломов черепа и T2 изображения не показывают каких-либо отклонений, таких как кровот…

Discussion

Поскольку mTBI часто является результатом диффузной и тонкой травмы, которая не показывает никаких отклонений на КТ и обычных МРТ, оценка микроструктурных повреждений после легкой травмы остается проблемой. Поэтому, более передовые методы визуализации необходимы для визуализации в пол…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы хотели бы поблагодарить Исследовательский фонд – Фландрии (FWO) за поддержку этой работы (Грант номер: G027815N).

Materials

Induction of trauma
0.9% NaCl physiologic solution B Braun 394496
brass weight 450g custom made custom made diamter 18mm and 210 mm height
catheter Terumo Versatus-W 26G
ethilon II Ethicon EH7824 FS-3, 4-0, 3/8, 16mm
Matrass Foam to Size Type E
Plexiglas tube ISPA Plastics 416564 M1 PMMA XT GOO tube 25×19 mm (inner diamter 19 mm, minimal length of 1.50 m)
Preclinical CT scanner Molecubes X-cube
Steel helmet custom made custom made diameter 10 mm and 3 mm thickness
Vetbond Tissue Adhesive 3M 1469SB
Vetergesic (buprenorphin) EcuPhar VETERG20 0.05 mk/kg
Xylocaine 2% gel AstraZeneca Xylocaine 2% gel
Xylocaine (lidocain 2%) Aspen/AstraZeneca Xylocaine 2% gel 100 μl injection
Diffusion MRI
Preclinical MRI acquisition software Bruker Biospin MRI GmbH Z400_PV51_CENTOS55 ParaVision 5.1 MRI software
Preclinical MRI scanner Bruker Biospin MRI GmbH PharmaScan 70/16 7T MRI scanner
Quadrature volume coil Bruker Biospin MRI GmbH RF RES 300 1H 075/040 QSN TR Model No: 1P T13161C3
Small animal physiological monitoring unit Rapid Biomedical EKGHR02-0571-043C01 Unit for respiratory monitoring
Water-based heating unit Thermo Fisher Scientific Haake S 5P Model No: 1523051
Anaesthesia
Anaesthesia movable unit Veterenary technics BDO – Medipass, Ijmuiden
isoflurane: Isoflo Zoetis B506
Oxygen generator Veterenary technics 7F-3 BDO – Medipass, Ijmuiden
Diffusion image processing
Amide http://amide.sourceforge.net Version 1.0.5. Medical Imaging Data Examiner Toolbox (Loening AM, Gambhir SS, " AMIDE: A Free Software Tool for Multimodality Medical Image Analysis", Molecular Imaging, 2(3):131-137, 2003)
ExploreDTI http://www.exploredti.com Version 4.8.6 Toolbox for (pre-)processing and analysis of diffusion weighted MR images (Leemans A, Jeurissen B, Sijbers J, and Jones DK. ExploreDTI: a graphical toolbox for processing, analyzing, and visualizing diffusion MR data. In: 17th Annual Meeting of Intl Soc Mag Reson Med, p. 3537, Hawaii, USA, 2009)
MRtrix3 http://www.mrtrix.org Version 3.0_RC3-86-g4b523b41 Toolbox for (pre-)processing and analysis of diffusion weighted MR images

Referencias

  1. Carroll, L. J., et al. Systematic Review of the Prognosis After Mild Traumatic Brain Injury in Adults. Cognitive, Psychiatric, and Mortality Outcomes: Results of the International Collaboration on Mild Traumatic Brain Injury Prognosis. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 95 (3), S152-S173 (2014).
  2. Buck, P. W. Mild Traumatic Brain Injury: A Silent Epidemic in Our Practices. Health & Social Work. 36 (4), 299-302 (2011).
  3. Bodanapally, U. K., Sours, C., Zhuo, J., Shanmuganathan, K. Imaging of Traumatic Brain Injury. Radiologic Clinics of North America. 53 (4), 695-715 (2015).
  4. Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophysical Journal. 66 (1), 259-267 (1994).
  5. Hulkower, M. B., Poliak, D. B., Rosenbaum, S. B., Zimmerman, M. E., Lipton, M. L. A Decade of DTI in Traumatic Brain Injury: 10 Years and 100 Articles Later. American Journal of Neuroradiology. 34 (11), 2064-2074 (2013).
  6. Hutchinson, E. B., Schwerin, S. C., Avram, A. V., Juliano, S. L., Pierpaoli, C. Diffusion MRI and the detection of alterations following traumatic brain injury. Journal of Neuroscience Research. 96 (4), 612-625 (2018).
  7. Wallace, E. J., Mathias, J. L., Ward, L. Diffusion tensor imaging changes following mild, moderate and severe adult traumatic brain injury: a meta-analysis. Brain Imaging and Behavior. , 1-15 (2018).
  8. Rutgers, D. R., et al. White Matter Abnormalities in Mild Traumatic Brain Injury: A Diffusion Tensor Imaging Study. American Journal of Neuroradiology. 29 (3), 514-519 (2008).
  9. Bondi, C. O., et al. Found in translation: Understanding the biology and behavior of experimental traumatic brain injury. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 58, 123-146 (2015).
  10. Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: Translational challenges and strategies. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
  11. Osier, N. D., Dixon, C. E. The Controlled Cortical Impact Model: Applications, Considerations for Researchers, and Future Directions. Frontiers in Neurology. 7 (AUG), (2016).
  12. Lyeth, B. G. Historical Review of the Fluid-Percussion TBI Model. Frontiers in Neurology. 7 (DEC), 1-7 (2016).
  13. Marmarou, A., Foda, M. A. A. -. E., van den Brink, W., Campbell, J., Kita, H., Demetriadou, K. A new model of diffuse brain injury in rats. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
  14. Heim, L. R., et al. The Invisibility of Mild Traumatic Brain Injury: Impaired Cognitive Performance as a Silent Symptom. Journal of Neurotrauma. 34 (17), 2518-2528 (2017).
  15. Zohar, O., Rubovitch, V., Milman, A., Schreiber, S., Pick, C. G. Behavioral consequences of minimal traumatic brain injury in mice. Acta Neurobiol Exp (Wars. 71 (1), 36-45 (2011).
  16. Pierpaoli, C., Basser, P. J. Toward a quantitative assessment of diffusion anisotropy. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 36 (6), 893-906 (1996).
  17. Jensen, J. H., Helpern, J. A. MRI quantification of non-Gaussian water diffusion by kurtosis analysis. NMR in Biomedicine. 23 (7), 698-710 (2010).
  18. Fieremans, E., Jens, H., Jensen, J. A. H. White matter characterization with diffusional kurtosis imaging. NeuroImage. 58, 177-188 (2011).
  19. Leemans, A. . Explore DTI. , (2019).
  20. Loening, A. M., Gambhir, S. S. AMIDE: A Free Software Tool for Multimodality Medical Image Analysis. Molecular Imaging. 2 (3), 131-137 (2003).
  21. Veraart, J., et al. Denoising of diffusion MRI using random matrix theory. NeuroImage. 142, 394-406 (2016).
  22. Veraart, J., Fieremans, E., Novikov, D. S. Diffusion MRI noise mapping using random matrix theory. Magnetic Resonance in Medicine. 76 (5), 1582-1593 (2016).
  23. Braeckman, K., et al. Dynamic changes in hippocampal diffusion and kurtosis metrics following experimental mTBI correlate with glial reactivity. NeuroImage: Clinical. 21 (August 2018), 101669 (2019).
  24. Jones, D. K., Knösche, T. R., Turner, R. White matter integrity, fiber count, and other fallacies: The do’s and don’ts of diffusion MRI. NeuroImage. 73, 239-254 (2013).
  25. . Matlab code DKI and WMTI model Available from: https://github.com/NYU-DiffusionMRI/Diffusion-Kurtosis-Imaging (2019)

Play Video

Citar este artículo
Braeckman, K., Descamps, B., Vanhove, C. Advanced Diffusion Imaging in The Hippocampus of Rats with Mild Traumatic Brain Injury. J. Vis. Exp. (150), e60012, doi:10.3791/60012 (2019).

View Video