הדמיה מתקדמת דיפוזיה בהיפוקמפוס של חולדות עם פגיעה מוחית טראומטית מתון
Summary
המטרה הכוללת של הליך זה היא להשיג מידע מיקרוקונסטרוקטיבי כמותי של ההיפוקמפוס בחולדה עם פציעה מוחית טראומטית מתון. פעולה זו מתבצעת באמצעות מתקדם דיפוזיה-משוקלל תהודה מגנטית פרוטוקול הדמיה האזור של הריבית ניתוח מבוססי מפות דיפוזיה פרמטרית.
Abstract
פגיעה מוחית טראומטית קלה (mTBI) היא הסוג הנפוץ ביותר של פציעה במוח נרכש. מאז חולים עם פגיעה מוחית טראומטית מראים שינויים עצומים ו טרוגניות (גיל, מין, סוג של טראומה, פתווגיות אפשריות אחרות, וכו ‘), מודלים בעלי חיים לשחק תפקיד מפתח בגורמים להתיר כי הם מגבלות במחקר קליני. הם מספקים הגדרה סטנדרטית ומבוקרת כדי לחקור את המנגנונים הביולוגיים של פציעה ותיקון לאחר TBI. עם זאת, לא כל המודלים בעלי חיים לחקות את האופי מפוזר ועדין של mTBI ביעילות. לדוגמה, ההשפעה הנפוצה בשימוש בקליפת המוח (CCI) ופציעה לרוחב הקשה של נוזלים (LFPI) מודלים לעשות שימוש בפתיחת גולגולת כדי לחשוף את מוחו ולגרום לטראומה מוקד נרחב, אשר אינם נראים בדרך כלל ב mTBI. לכן, מודלים ניסיוניים אלה אינם תקפים כדי לחקות mTBI. לכן, מודל המתאים צריך לשמש כדי לחקור mTBI. ירידה משקל Marmarou מודל לחולדות גורמת שינויים מיקרובניים דומים ליקויים קוגניטיביים כפי שנראה בחולים הסובלים טראומה קלה; לפיכך, מודל זה נבחר עבור פרוטוקול זה. טומוגרפיה ממוחשבת קונבנציונאלי הדמיה תהודה מגנטית (MRI) סריקות בדרך כלל לא להראות נזק בעקבות פציעה קלה, כי mTBI מעורר לעתים קרובות רק פציעות מעודן ומפוזר. עם MRI משוקלל הדיפוזיה, ניתן לחקור תכונות microקונסטרוקטיבית של רקמת המוח, אשר יכול לספק תובנה יותר לשינויים מיקרוסקופיים בעקבות טראומה קלה. לכן, המטרה של מחקר זה היא להשיג מידע כמותי של האזור הנבחר של הריבית (כלומר, ההיפוקמפוס) לעקוב אחר התקדמות המחלה לאחר קבלת מתון ומפוזר פציעה במוח.
Introduction
פגיעה מוחית טראומטית (TBI) צברה יותר תשומת לב בשנים האחרונות, כפי שהוא הפך להיות ברור כי פציעות המוח האלה יכולים לגרום לחיים קוגניטיבית, פיזית, רגשית, והשלכות חברתיות1. למרות המודעות ההולכת וגוברת, TBI מתון (mTBI, או זעזוע מוח) הוא עדיין לעתים קרובות לא דיווחו ולא אובחן. MTBI כבר המכונה מגיפה שקט, ואנשים עם היסטוריה של mTBI להראות שיעורי גבוה יותר של שימוש בסמים או בעיות פסיכיאטריות2. מספר חולים עם mTBI ללכת לא מאובחנים כל שנה בשל האופי מפוזר ועדין של הפציעות, אשר לעתים קרובות אינם גלויים על טומוגרפיה ממוחשבת קונבנציונאלי (CT) או תהודה מגנטית (MRI) סריקות. חוסר הראיות הרדיולוגי של פגיעה במוח הוביל לפיתוח של טכניקות דימות מתקדמות יותר כמו MRI דיפוזיה, אשר רגישים יותר לשינויים microמבבניים3.
Mri דיפוזיה מאפשר ב vivo מיפוי של המיקרו מבנה, וטכניקה זו mri שימש בהרחבה במחקרים tbi4,5,6. מתוך דיפוזיה הטנסור, אנאיזוטרופיה החלקי (FA) והטשטוש הממוצע (MD) מחושבים על שינוי בכמת בארגון המיקרו-מבני שלאחר הפציעה. ביקורות אחרונות ב mtbi דו ח מטופלים מגביר ב-FA ופוחתת ב-MD בעקבות פציעה, אשר יכול להיות מעיד על נפיחות סיבי7. בניגוד לכך, העליות ב-MD וירידות ב-FA מצויים גם הם הציעו שיבושים בלתי מנוצלים במבנה של מסגרת הבאה בעקבות היווצרות בצקת, ניוון סיבי, או חוסר יישור סיבים/הפרעה8. ממצאים מעורבים אלה ניתן להסביר חלקית על ידי טרוגניות קליני משמעותי של mTBI נגרמת על ידי סוגים שונים של השפעה וחומרה (למשל, סיבוב האצת, טראומה בכוח קהה, הפיצוץ פציעה או שילוב של לשעבר). עם זאת, כרגע אין קונצנזוס ברור לגבי הפתולוגיה הבסיסית בסיס ביולוגי/הסלולר השינויים ההצמדה בארגון מיקרוקונסטרוקטיבי.
דגמי בעלי חיים מספקים הגדרה סטנדרטית ומבוקרת לחקירת מנגנונים ביולוגיים של פציעה ותיקון לאחר TBI בפירוט רב יותר. מספר דגמים ניסיוניים עבור tbi פותחו ומייצגים היבטים שונים של האדם tbi (למשל, מוקד לעומת טראומה או טראומה הנגרמת על ידי כוחות הסיבוב)9,10. בשימוש נפוץ מודלים בעלי חיים כוללים את ההשפעה הנשלטת בקליפת הגוף (CCI) ופציעה הקשה נוזל לרוחב (lfpi) מודלים11,12. למרות שהפרמטרים הניסיוניים יכולים להיות מבוקרים היטב, מודלים אלה עושים שימוש בפתיחת גולגולת כדי לחשוף את המוח. כריתת הגולגולת או שברי הגולגלות אינם נראים בדרך כלל ב mTBI; לכן, מודלים ניסיוניים אלה אינם תקפים כדי לחקות mTBI. האצת מודל ההשפעה שפותחה על ידי Marmarou ואח ‘13 עושה שימוש במשקל כי הוא ירד מגובה מסוים על ראשו של העכברוש, אשר מוגן על ידי קסדה. מודל זה בעלי חיים גורם דומה שינויים מיקרובניים וליקויים קוגניטיביים כפי שנראה בחולים הסובלים טראומה קלה. לכן, מודל זה marmarou ירידה במשקל מתאים לחקור בסמנים הדמיה לפזר mtbi14,15.
דו ח זה מדגים את היישום של MRI מתקדם דיפוזיה במודל עכברוש mTBI באמצעות משקל מרארו להוריד את הדגם. הראשון המוצג הוא איך לגרום טראומה קלה ומפוזר, ניתוח באמצעות דיפוזיה הדמיה טנסור (DTI) מודל מסופק אז. מידע ביולוגי ספציפי מתקבל עם שימוש במודלים דיפוזיה מתקדמות יותר [i.e., דיפוזיה קורטוזיס דימות (DKI) ושלמות מערכת החומר הלבן (WMTI) מודל]. באופן ספציפי, טראומה קלה נגרם ושינויים זעירים מוערכים לאחר מכן בהיפוקמפוס באמצעות MRI קונבנציונאלי משוקלל-T2 ופרוטוקול דימות מתקדם דיפוזיה.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאז mTBI לעתים קרובות היא תוצאה של פציעה מפוזר ועדינה שאינה מראה חריגות ב-CT ו סריקות MRI קונבנציונאלי, הערכה של נזק microstructural בניים לאחר טראומה קלה נשאר אתגר. לכן, יש צורך בטכניקות דימות מתקדמות יותר כדי להמחיש את המידה המלאה של הטראומה. היישום של הדמיה תהודה מגנטית במחקר TBI צברה עניין רב יותר במ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות לקרן המחקר-פלנדרס (FWO) לתמיכה בעבודה זו (מספר מענק: 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 |
References
- 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).
- Buck, P. W. Mild Traumatic Brain Injury: A Silent Epidemic in Our Practices. Health & Social Work. 36 (4), 299-302 (2011).
- Bodanapally, U. K., Sours, C., Zhuo, J., Shanmuganathan, K. Imaging of Traumatic Brain Injury. Radiologic Clinics of North America. 53 (4), 695-715 (2015).
- Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophysical Journal. 66 (1), 259-267 (1994).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Osier, N. D., Dixon, C. E. The Controlled Cortical Impact Model: Applications, Considerations for Researchers, and Future Directions. Frontiers in Neurology. 7 (AUG), (2016).
- Lyeth, B. G. Historical Review of the Fluid-Percussion TBI Model. Frontiers in Neurology. 7 (DEC), 1-7 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jensen, J. H., Helpern, J. A. MRI quantification of non-Gaussian water diffusion by kurtosis analysis. NMR in Biomedicine. 23 (7), 698-710 (2010).
- Fieremans, E., Jens, H., Jensen, J. A. H. White matter characterization with diffusional kurtosis imaging. NeuroImage. 58, 177-188 (2011).
- Leemans, A. . Explore DTI. , (2019).
- Loening, A. M., Gambhir, S. S. AMIDE: A Free Software Tool for Multimodality Medical Image Analysis. Molecular Imaging. 2 (3), 131-137 (2003).
- Veraart, J., et al. Denoising of diffusion MRI using random matrix theory. NeuroImage. 142, 394-406 (2016).
- Veraart, J., Fieremans, E., Novikov, D. S. Diffusion MRI noise mapping using random matrix theory. Magnetic Resonance in Medicine. 76 (5), 1582-1593 (2016).
- 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).
- 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).
- . Matlab code DKI and WMTI model Available from: https://github.com/NYU-DiffusionMRI/Diffusion-Kurtosis-Imaging (2019)
