The goal of this protocol is to obtain high-quality diffusion weighted magnetic resonance imaging (DWI) of the rat spinal cord for noninvasive characterization of tissue microstructure. This protocol describes optimizations of the MRI sequence, radiofrequency coil, and analysis methods to enable DWI images free from artifacts.
Magnetic resonance imaging (MRI) is the state of the art approach for assessing the status of the spinal cord noninvasively, and can be used as a diagnostic and prognostic tool in cases of disease or injury. Diffusion weighted imaging (DWI), is sensitive to the thermal motion of water molecules and allows for inferences of tissue microstructure. This report describes a protocol to acquire and analyze DWI of the rat cervical spinal cord on a small-bore animal system. It demonstrates an imaging setup for the live anesthetized animal and recommends a DWI acquisition protocol for high-quality imaging, which includes stabilization of the cord and control of respiratory motion. Measurements with diffusion weighting along different directions and magnitudes (b-values) are used. Finally, several mathematical models of the resulting signal are used to derive maps of the diffusion processes within the spinal cord tissue that provide insight into the normal cord and can be used to monitor injury or disease processes noninvasively.
La resonancia magnética (RM) es una herramienta no invasiva que proporciona una ventana en el cerebro y la médula espinal en la salud y la enfermedad. RM ha revolucionado el diagnóstico clínico, pero también es una herramienta valiosa para la investigación de laboratorio. Los modelos animales de lesión o enfermedad neurológica proporcionan una plataforma para entender la fisiopatología y acelerar el descubrimiento de terapias. En este informe, demuestran la aplicación de la resonancia magnética a un modelo de rata de lesión de la médula espinal para investigar posibles biomarcadores de daño microestructural 1 utilizando imágenes de tensor de difusión (DTI). El potencial descubrimiento de biomarcadores de imagen le ayudará en el diagnóstico y manejo de pacientes con lesión de la médula espinal. Estos marcadores pueden desempeñar un papel en el descubrimiento de terapias en modelos preclínicos y permitir la observación o el pronóstico en su traducción a la práctica clínica.
DTI es una forma especializada de la RM que mide el movimiento microscópico demoléculas de agua (es decir de difusión). DTI ha sido particularmente ventajosa en el sistema nervioso debido a la presencia de los axones donde la difusión es desproporcionadamente más rápido a lo largo de los axones que perpendicular a ellos, lo que proporciona información con respecto a su orientación y composición microestructural. Índices escalares derivados de DTI, incluyendo una medida de la difusión general dentro del tejido, la difusividad (MD), y una medida de la dependencia de la orientación de la difusión decir, la anisotropía fraccional (FA) 2,3, han visto aplicaciones extensas en la caracterización de la microestructura del sistema nervioso, tanto en la salud y la enfermedad 4. Estas métricas han revelado características microscópicas de tejidos que son invisibles a través de la mayoría de los otros métodos de resonancia magnética. Los esfuerzos previos demostraron que DTI detecta cambios microestructurales remotos dentro de la médula cervical siguiente torácica SCI en ratas 1. Los cambios DTI remotos desde la lesión probablemente reflejan cómo todo el res de la médula espinalestanques a lesiones, y son potencialmente un marcador de lesión secundaria.
Imagine la médula espinal de ratas in vivo presenta varios desafíos únicos. Más notablemente, la médula espinal se ve afectada por el movimiento respiratorio y requiere una cuidadosa atención a minimizar el movimiento utilizando varios métodos. En estudios anteriores, los dispositivos de inmovilización eliminan el movimiento de la columna vertebral durante el escaneado 5. Para imágenes de la médula cervical, utilizamos la restricción física en la forma de un soporte de cabeza y bares del oído, que atenúa, pero no elimina el movimiento causado por la respiración. Además, utilizamos un esquema de gating respiratorio personalizado para sincronizar la adquisición de imágenes con el ciclo respiratorio de una manera eficiente. Estas modificaciones permiten la eliminación de los artefactos causados por el movimiento de otra forma a granel a gran escala causada por la respiración 6. DWI es muy sensible al movimiento microscópico, incluyendo el flujo de CSF y la pulsación de sangre, y estas fuentes más pequeñas de movimiento contamination También se alivian por el régimen de control del movimiento respiratorio. Además, la médula espinal tiene una pequeña área en sección transversal y representa sólo una fracción del campo de vista. Para imágenes de la columna cervical, en el que la médula espinal está situado profundo dentro del cuerpo del animal, se necesita una bobina de radiofrecuencia cilíndrica con penetración de la señal adecuada a la imagen de la médula espinal cervical con alta resolución. Una reducción en el campo de visión se logra por la supresión volumen exterior (OVS), que también sirve para cancelar, o echarse a perder, la señal de los tejidos fuera de la médula espinal. Este método, llamado gradientes alerón o supresión volumen exterior, también sirve para reducir la contaminación de movimiento residual animal, flujo del LCR, o pulsación de sangre dentro de estos tejidos.
La disposición de la médula espinal también puede ser explotado para simplificar el protocolo de formación de imágenes. Los axones de la médula espinal en la materia blanca (WM) son casi todos orientados paralelos al eje principal de la médula espinal. Thnosotros, mientras DWI del cerebro requiere mediciones a lo largo de al menos 6 direcciones para asegurar que los resultados no dependen de la posición dentro del imán (un proceso llamado tensor de difusión), las mediciones en la médula espinal pueden ser adquiridos sólo a lo largo de 2 direcciones paralela y perpendicular al cable de 7,8, en lo sucesivo, longitudinal y transversal, respectivamente. Por lo tanto, la difusividad y otros parámetros se miden a lo largo de las 2 direcciones por separado y permiten inferencias en la microestructura del tejido tanto en la salud y la enfermedad o lesión.
Las técnicas descritas aquí pueden proporcionar difusión de alta calidad imágenes ponderadas de la médula espinal de ratas in vivo. La calidad de la imagen depende de muchos factores, pero la médula espinal tiene varios problemas únicos que son importantes.
El movimiento es un problema importante que si no se corrige, se traducirá en imágenes inutilizables. Por lo tanto, se requiere una monitorización cuidadosa durante la sesión de MRI. Si se observan defectos de la imagen en la exploración inicial que sean consistentes con el movimiento, detenga la adquisición y adoptar medidas para eliminar los artefactos, ya que estos son difíciles de eliminar en el post-procesamiento. Asegúrese de que el equipo respiratorio recibe una señal fuerte y regular a partir de la unidad de monitorización respiratoria. Puede necesitar ser ajustado para la tensión correcta que proporciona una señal consistente, pero no restringir la respiración del animal El cinturón de la respiración. Mantener el nivel adecuado de anestesia en todo momento; 1,5-2,0% isofluorano se ha utilizado en nuestra experience. Asimismo, la reducción en el movimiento general del animal y la columna vertebral es otro aspecto importante para proporcionar imágenes libres de artefactos. A diferencia de la médula espinal humana, que experimenta movimiento significativo causado por la pulsación CSF relacionado con el ciclo cardíaco, la pulsación de LCR en el roedor es predominantemente asociado con el ciclo respiratorio 18. Mientras que es difícil de eliminar completamente todo el movimiento en el cable, es particularmente importante reducir el movimiento a la medida de lo posible, que se logra a menudo a través de ensayo y error. Además, las ratas con diversas lesiones o trastornos neurológicos pueden tener tasas respiratorias anormales u otras complicaciones fisiológicas que pueden requerir la adaptación de los procedimientos descritos en el presente documento.
Las modificaciones a la secuencia de pulsos para control del movimiento respiratorio, junto con los procedimientos de reconstrucción de imagen adaptados para este propósito, minimizar los efectos de la distorsión causada por campos magnéticos no homogéneos que no pueden ser removcado por los ajustes realizados en el sistema de resonancia magnética.
Del mismo modo, la calidad de la imagen depende de la duración de tiempo de formación de imágenes. En nuestro ejemplo, limitar el número de ponderación de difusión a lo largo de sólo dos direcciones permitió una reducción en el tiempo total de formación de imágenes. Una limitación de este enfoque es que ya no es compatible con el análisis completo tensor (DTI), que es la norma para muchos otros estudios. Alternativamente, usando un menor número de promedios y más direcciones de difusión o valores b puede permitir una mejor caracterización manteniendo el mismo tiempo de adquisición. Estudios anteriores han demostrado que el enfoque 2-dirección proporciona información consistente con el enfoque de 6 dirección (DTI) 19, pero se debe tener cuidado para asegurar que los cortes (y direcciones de difusión) están orientados precisamente a lo largo y perpendicular al cordón. Sin embargo, la adquisición de múltiples valores b permite una mejor caracterización y ajuste matemático de curtosis y se recomienda el uso de un único b-Value. Además, la secuencia completa se repitió con una dirección de codificación de fase inversa que reduce los efectos de los artefactos de susceptibilidad de campo magnético, y mejora la calidad general de la imagen a través de promediado. Por último, la resolución de imagen utilizado en nuestro protocolo proporciona una clara separación de la materia blanca y gris. Las imágenes con una resolución más alta son posibles, aunque esto viene a menudo a expensas de los tiempos de exploración más largos o la posibilidad de más artefactos.
Mejoras en bobinas de radiofrecuencia, las secuencias de pulsos, y los métodos de post-procesamiento tendrán el efecto de mejora de formación de imágenes de la médula espinal en futuras adaptaciones de este método. Por ejemplo, bobinas de superficie pueden ser beneficiosos para mejorar la calidad de imagen similar a la observada en ratones. 20 Estas medidas tienen una alta probabilidad de ser útiles como biomarcadores para el diagnóstico clínico y el tratamiento de las lesiones de la médula espinal.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Kyle Stehlik, Natasha Wilkins, y Matt Runquist para la asistencia experimental. Financiado por la Fundación Craig H. Neilsen Fondo de Investigación y la Iniciativa de Educación, un componente de la Promoción de una dotación más saludable Wisconsin en el Colegio Médico de Wisconsin, y.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Small animal imaging RF coil | Doty | SAIP400-H-38-S | |
Respiratory gating system | SA Instruments | 1030 | |
MR scanner | Bruker | Biospec 94/30 USR |