Hranice v lidské neurovědě

Úvod

Vědomí je vzrušení a uvědomění si prostředí a sebe sama, čehož se dosahuje působením vzestupného retikulárního aktivačního systému (ARAS) na mozkový kmen a mozková kůra (Daube, 1986; Paus, 2000; Zeman, 2001; Gosseries et al., 2011). ARAS se skládá z několika neuronových obvodů spojujících mozkový kmen s kůrou. Tato neuronová spojení mají původ hlavně v retikulární formaci (RF) mozkového kmene a promítají se prostřednictvím synaptických relé v intralaminárním jádru thalamu do mozkové kůry (Daube, 1986; Paus, 2000; Zeman, 2001; Afifi a Bergman, 2005; Gosseries et al., 2011). Kromě toho je do systému ARAS zahrnuto také několik jader mozkového kmene (locus coeruleus, dorzální raphe, střední raphe, pedunkulopontinové jádro, parabrachiální jádro), nespecifická thalamová jádra, hypotalamus a bazální přední mozek (Aston-Jones et al., 2001 ; Parvizi a Damasio, 2003; Fuller et al., 2011). Důkladné vyhodnocení ARAS je důležité pro diagnostiku a léčbu pacientů s poruchou vědomí, jako jsou pacienti ve vegetativním stavu nebo pacienti s minimálním vědomím (Zeman, 2001; Gosseries et al., 2011).

Při studiích ARAS v lidském mozku byly použity konvenční MRI mozku, funkční neuroimagingové techniky, elektrofyziologické metody a MR spektroskopie (Parvizi a Damasio, 2003; Schiff, 2006; Tshibanda et al., 2009, 2010; Gawryluk et al. ., 2010). Protože však ARAS nelze jasně rozlišit od sousedních nervových struktur, přesná identifikace a odhad ARAS v lidském mozku mohou být při použití těchto metod problematické. Naproti tomu difúzní tenzorové zobrazování (DTI) umožňuje hodnocení bílé hmoty díky své schopnosti zobrazovat charakteristiky difúze vody (Mori et al., 1999). V normální bílé hmotě mají molekuly vody relativní volnost pohybu rovnoběžně s trakty nervových vláken. Jejich pohyby jsou však omezeny napříč trakty, což vede k difúzní anizotropii bílé hmoty. Proto byla pro hodnocení rozsahu změny vláken v bílé hmotě použita difúzní anizotropie (Chang et al., 2010; Puig et al., 2010). Několik nedávných studií se pokusilo prokázat užitečnost DTI pro hodnocení lézí u pacientů s poruchou vědomí a konektivitou specifických jader ARAS v lidském mozku (Voss et al., 2006; Perlbarg et al., 2009; Tollard et al., 2009; Tshibanda et al., 2009; Fernandez-Espejo et al., 2010, 2011; Newcombe et al., 2010; Edlow et al., 2012). O celé rekonstrukci a odhadu ARAS v lidském mozku je však známo jen málo (Edlow et al., 2012).

V současné studii jsme se pomocí DTI pokusili rekonstruovat spodní jedinou složku ARAS z pontinového RF do intralaminárních jader thalamu v normálním lidském mozku.

Materiály a metody

Subjekty

Dvacet šest normálních zdravých subjektů (14 mužů, 12 žen; průměrný věk, 31,85 ± 9,80 let; rozmezí, 20–50) bez anamnézy neurologického onemocnění byli přijati pro tuto studii. Všechny subjekty se této studie účastnily jako dobrovolníci a před podstoupením skenování DTI poskytly písemný souhlas. Studie byla schválena institucionální kontrolní komisí naší nemocnice.

Difuzní tenzorový obraz

Data DTI byla získána pomocí 6kanálové hlavové cívky na 1,5-T Philips Gyroscan Intera ( Philips, Best, Nizozemsko) s jednorázovým echo-planárním zobrazením. Pro každý z 32 nekolineárních difuzních senzitivních gradientů jsme získali 67 sousedících řezů rovnoběžných s přední komisurní-zadní komisurní linií. Parametry zobrazování byly následující: akviziční matice = 96 × 96, rekonstruovaná na matici = 128 × 128, zorné pole = 221 mm × 221 mm, TR = 10 726 ms, TE = 76 ms, redukční faktor paralelního zobrazování (faktor SENSE) = 2, faktor EPI = 49 a b = 1000 s / mm2, NEX = 1 a tloušťka řezu 2,3 mm (získaná velikost izotropního voxelu 2,3 mm × 2,3 mm × 2,3 mm).

Pravděpodobnostní vlákno Sledování

Analýza difuzně vážených zobrazovacích dat byla provedena pomocí Oxfordského centra pro funkční magnetickou rezonanci mozku (FMRIB), softwarová knihovna (FSL; www.fmrib.ox.ac.uk/fsl). Afinní vícerozměrná dvojrozměrná registrace byla použita pro korekci efektu pohybu hlavy a zkreslení obrazu v důsledku vířivých proudů. Sledování vláken bylo provedeno pomocí pravděpodobnostní traktografické metody založené na modelu s více vlákny a aplikováno v současné studii využívající traktografické rutiny implementované v FMRIB Diffusion (5 000 zjednodušených vzorků, délky kroků 0,5 mm, prahové hodnoty zakřivení = 0,2) (Smith et al., 2004 ).Mezi výhody pravděpodobnostní traktografie, která byla použita v této studii, patří větší odolnost proti šumu a schopnost detekovat dráhy s ostřejšími úhly a rozlišovat křížení vláken (Behrens et al., 2007; Winston et al., 2011).

Cesta ARAS byla určena výběrem vláken procházejících oblastmi zájmu semen (ROI) a cílovými (ukončení) ROI. Semenná ROI byla umístěna na RF mostu na úrovni vstupní zóny trigeminálního nervu (Daube, 1986; Afifi a Bergman, 2005). Byla provedena analýza mediálního lemnisku a rubrospinálního traktu, aby se potvrdila hranice RF na mostě (obrázek 1A). Pro analýzu mediálního lemnisku byly ROI semen umístěny na anteromediální dřeň a cílová ROI byla umístěna do somatosenzorické kůry (Hong et al., 2010). Pro analýzu rubrospinálního traktu byly ROI semen umístěny na červené jádro a cílová ROI byla umístěna do kontralaterální dorsolaterální oblasti míchy (oblast Monakow) (Nathan a Smith, 1982; Kwon et al., 2011). Cílová ROI byla dána na intralaminární jádra thalamu na úrovni komisurální roviny (Morel, 2007). Při definování intralaminárních jader thalamu jsme odkazovali na atlas mozku (Morel, 2007) (obrázek 1A). Z 5 000 vzorků generovaných z očkovacího voxelu byly výsledky kontaktu vizualizovány při prahové hodnotě minimálně 1 proudící skrz každý voxel pro analýzu. Byly měřeny hodnoty frakční anizotropie (FA), průměrné difuzivity (MD) a počtu traktů spodní jednotlivé složky ARAS.

Statistická analýza

K analýze dat byl použit software SPSS (v.15.0; SPSS, Chicago, IL, USA). Pro stanovení rozdílu v hodnotách DTI parametrů ARAS mezi pravou a levou hemisférou byl použit párový t-test. Ke stanovení korelace mezi parametry DTI ARAS a věkem byl použit Pearsonův korelační test. Výsledky byly považovány za významné, když hodnota p byla < 0,05.

Výsledky

Rekonstruovali jsme spodní jednu složku ARAS mezi pontinem RF a intralaminární jádra thalamu. Rekonstruovaná složka ARAS pocházela z pontinního RF, vystoupala mezencefalickým tegmentem těsně za červeným jádrem a poté u všech subjektů skončila na intralaminárních jádrech thalamu na úrovni komisurální roviny (obrázek 1B).

Diskuse

V současné studii jsme pomocí DTI rekonstruovali jednu z hlavních cest ARAS, dolní samostatná složka ARAS z RF do thalamu u normálních subjektů, ačkoli ARAS sestává z dalších jader mozkového kmene, hypotalamu, bazálního předního mozku a thalamokortikálních projekcí do mozkové kůry. Vybrali jsme dva ROI pro rekonstrukci spodní jednotlivé složky ARAS: počáteční ROI, což byla RF pons na úrovni zóny vstupu trigeminálního nervu (Daube, 1986; Afifi a Bergman, 2005), a cíl ROI, která zahrnovala intralaminární jádra thalamu (centrální boční jádra, centromediánská / parafascikulární jádra a paracentrální jádra) na úrovni komisurální roviny (Morel, 2007). Rostrální část RF mozkového kmene nad vstupní zónou trigeminálního nervu je známá jako ARAS; na rozdíl od toho je kaudální část RF zapojena do motorické funkce a autonomní funkce související se srdeční a respirační funkcí (Daube, 1986). Proto jsme umístili ROI semen do RF na úrovni vstupní zóny trigeminálního nervu. Cílovou ROI jsme umístili do intralaminárních jader, která jsou hlavními jádry ARAS mezi nespecifickými thalamovými jádry. Proto věříme, že protože jsme nemohli zahrnout další thalamová jádra týkající se ARAS, spodní samostatná složka ARAS, která byla rekonstruována v současné studii, není celá spodní jednotlivá složka ARAS, ale hlavní část celá spodní samostatná součást systému ARAS.V důsledku toho spodní jednotlivá složka ARAS pocházela z pontinního RF, vystupovala mezencefalickým tegmentem posteriorně do červeného jádra a poté končila na intralaminárních jádrech thalamu. Kromě toho se hodnoty pro FA, MD a počty traktů rekonstruované dolní jednotlivé složky ARAS významně nelišily mezi pravou a levou hemisférou. Počet traktů je určen počtem voxelů obsažených v nervovém traktu (Kwak et al., 2010). Hodnota FA udává stupeň směrovosti a integrity mikrostruktur bílé hmoty, jako jsou axony, myelin a mikrotubuly, a hodnota ADC udává velikost difúze vody (Assaf a Pasternak, 2008).

Několik studií prokázali klinickou užitečnost DTI odhadem některých oblastí dolní jednotlivé složky ARAS od RF po thalamus u pacientů s poruchou vědomí (Perlbarg et al., 2009; Tollard et al., 2009; Newcombe et al., 2010; Fernandez-Espejo et al., 2011). Tollard a kol. (2009) referovali o užitečnosti DTI, která byla provedena v subakutní fázi pro predikci výsledku u 45 pacientů s těžkým TBI (traumatické poranění mozku) (absence odpovědi na jednoduché příkazy). Ve své studii měřili hodnotu FA na několika supratentorických a infratentoriálních oblastech, včetně předních pons, posteriorních pons a středního mozku, a prokázali, že pokles infratentorial a supratentorial FA, s výjimkou zadních pons, umožňuje predikci nepříznivých výsledků 1 rok od TBI. Perlbarg a kol. (2009), kteří provedli DTI skenování u 30 pacientů s absencí odpovědi na jednoduché příkazy po těžkém TBI, uváděli definitivní pokles FA měřený v dolním podélném fasciculu, středním mozku (mozkový stopce a tegmentu), zadní končetině vnitřní kapsle a zadní corpus callosum ve skupině s nepříznivým výsledkem. Newcombe a kol. (2010) použili DTI k charakterizaci rozsahu a lokalizace ztráty bílé hmoty u pacientů, kteří byli ve vegetativním stavu sekundárně k TBI (sedm pacientů) a pacientů s ischemicko-hypoxickým poškozením (pět pacientů). Abnormality v supratentorických oblastech byly pozorovány u obou skupin; na rozdíl od toho byly abnormality mozkového kmene pozorovány pouze ve skupině TBI. Fernandez-Espejo a kol. (2011) použili DTI při diferenciaci neuropatologie u 25 vegetativních a minimálně vědomých pacientů. Došli k závěru, že pacienti s minimálním vědomím a pacienti ve vegetativním stavu se liší v subkortikální bílé hmotě a thalamických oblastech, ale zdá se, že se neliší v mozkovém kmeni. V nedávné studii využívající difúzní zobrazování s vysokým úhlovým rozlišením Edlow et al. (2012) uvádějí neuroanatomickou konektivitu ARAS v lidském mozku, a to jak in vivo, tak ex vivo. Ukázali, že spojitosti konkrétních jader ARAS byly zahrnuty do vzrušení a že spojitosti thalamových jader byly zahrnuty do modulace vzrušení.

Závěrem jsme pomocí DTI rekonstruovali spodní jedinou složku ARAS z RF do thalamu v lidském mozku. Věříme, že použitá metodika a výsledky této studie mohou být užitečné pro výzkumné pracovníky studující ARAS v lidském mozku. Jedním z omezení této studie je však to, že jsme nebyli schopni plně objasnit celý systém ARAS, protože jsme do naší analýzy nezahrnuli další jádra thalamu a mozkového kmene, která jsou rovněž zahrnuta do ARAS. Jsou zapotřebí další studie klinické užitečnosti našich zjištění a studie projekcí ARAS z thalamu do mozkové kůry.

Prohlášení o střetu zájmů

Autoři prohlašují že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by mohly být považovány za potenciální střet zájmů.

Poděkování

Tuto práci podpořilo DGIST R & D program Korejského ministerstva školství, vědy a technologie (13-BD-0401).