Frontiers in Human Neuroscience (Polski)

Wprowadzenie

Świadomość jest pobudzeniem i świadomością środowiska i siebie, co jest osiągane poprzez działanie wstępującego systemu aktywującego siatkowatego (ARAS) na pień mózgu i kora mózgowa (Daube, 1986; Paus, 2000; Zeman, 2001; Gosseries i in., 2011). ARAS składa się z kilku obwodów neuronalnych łączących pień mózgu z korą. Te połączenia neuronalne wywodzą się głównie z tworzenia siatkowatego (RF) pnia mózgu i przechodzą przez przekaźniki synaptyczne w jądrze międzywarstwowym wzgórza do kory mózgowej (Daube, 1986; Paus, 2000; Zeman, 2001; Afifi i Bergman, 2005; Gosseries i in., 2011). Ponadto, kilka jąder pnia mózgu (miejsce sinawe, szew grzbietowy, szew środkowy, jądro szypułkowo-czołowe, jądro okołobramkowe), nieswoiste jądra wzgórza, podwzgórze i podstawna część przodomózgowia są również objęte systemem ARAS (Aston-Jones i in., 2001 ; Parvizi i Damasio, 2003; Fuller i in., 2011). Dokładna ocena ARAS jest ważna dla diagnozy i leczenia pacjentów z zaburzeniami świadomości, takich jak pacjenci w stanie wegetatywnym lub z minimalną świadomością (Zeman, 2001; Gosseries i in., 2011).

W badaniach ARAS w ludzkim mózgu zastosowano konwencjonalne MRI mózgu, techniki funkcjonalnego neuroobrazowania, metody elektrofizjologiczne i spektroskopię MR (Parvizi i Damasio, 2003; Schiff, 2006; Tshibanda i in., 2009, 2010; Gawryluk i in. ., 2010). Ponieważ jednak ARAS nie można wyraźnie odróżnić od sąsiednich struktur neuronowych, dokładna identyfikacja i oszacowanie ARAS w ludzkim mózgu może być problematyczne przy stosowaniu tych metod. Natomiast obrazowanie tensorowe dyfuzji (DTI) pozwala na ocenę istoty białej ze względu na jej zdolność do obrazowania charakterystyk dyfuzji wody (Mori i in., 1999). W normalnej istocie białej cząsteczki wody mają względną swobodę ruchów równolegle do włókien nerwowych. Jednak ich ruchy są ograniczone w poprzek dróg, co prowadzi do anizotropii dyfuzyjnej istoty białej. W związku z tym do oceny stopnia zmiany włókien w istocie białej zastosowano anizotropię dyfuzyjną (Chang i in., 2010; Puig i in., 2010). W kilku ostatnich badaniach podjęto próbę wykazania przydatności DTI do oceny zmian chorobowych u pacjentów z upośledzoną świadomością i połączeniem określonych jąder ARAS w ludzkim mózgu (Voss i in., 2006; Perlbarg i in., 2009; Tollard i in., 2009; Tshibanda i in., 2009; Fernandez-Espejo i in., 2010, 2011; Newcombe i in., 2010; Edlow i in., 2012). Jednak niewiele wiadomo o całej rekonstrukcji i oszacowaniu ARAS w ludzkim mózgu (Edlow i in., 2012).

W obecnym badaniu, przy użyciu DTI, próbowaliśmy zrekonstruować dolną pojedynczą składową ARAS z mostu RF do jąder międzywarstwowych wzgórza w normalnym ludzkim mózgu.

Materiały i metody

Badani

Dwadzieścia sześć zdrowych osób (14 mężczyzn, 12 kobiet; średni wiek 31,85 ± 9,80 lat; zakres 20–50) bez historii choroby neurologicznej. Wszyscy badani uczestniczyli w tym badaniu jako ochotnicy i przedstawili pisemną zgodę przed poddaniem się skanowaniu DTI. Badanie zostało zatwierdzone przez komisję rewizyjną naszego szpitala.

Obraz Tensora Dyfuzji

Dane DTI uzyskano przy użyciu 6-kanałowej cewki głowowej na 1,5-tonowym aparacie Philips Gyroscan Intera ( Philips, Best, Holandia) z jednostrzałowym obrazowaniem echo-planarnym. Dla każdego z 32 niekoliniowych gradientów uczulających na dyfuzję uzyskano 67 przylegających skrawków równoległych do przedniej linii spoidła tylnego. Parametry obrazowania były następujące: matryca akwizycji = 96 × 96, odtworzona do matrycy = 128 × 128, pole widzenia = 221 mm × 221 mm, TR = 10726 ms, TE = 76 ms, współczynnik redukcji obrazowania równoległego (współczynnik SENSE) = 2, współczynnik EPI = 49 i b = 1000 s / mm2, NEX = 1 i grubość warstwy 2,3 mm (uzyskany izotropowy rozmiar woksela 2,3 mm × 2,3 mm × 2,3 mm).

Włókno probabilistyczne Śledzenie

Analiza danych obrazowania ważonego dyfuzyjnie została przeprowadzona przy użyciu biblioteki oprogramowania Oxford Center for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain (FMRIB) (FSL; www.fmrib.ox.ac.uk/fsl). Do korekcji efektu ruchu głowy i zniekształcenia obrazu wywołanego prądami wirowymi zastosowano afiniczną wieloskalową rejestrację dwuwymiarową. Śledzenie włókien zostało przeprowadzone przy użyciu probabilistycznej metody traktografii opartej na modelu wielowłóknowym i zastosowane w obecnym badaniu z wykorzystaniem procedur traktograficznych zaimplementowanych w FMRIB Diffusion (5000 próbek opływowych, długość kroku 0,5 mm, progi krzywizny = 0,2) (Smith i in., 2004 ).Zalety traktografii probabilistycznej, która została wykorzystana w tym badaniu, to większa odporność na szum, a także zdolność wykrywania ścieżek o ostrzejszych kątach i rozróżniania krzyżujących się włókien (Behrens i in., 2007; Winston i in., 2011).

Ścieżka ARAS została określona przez wybór włókien przechodzących przez obszary zainteresowania nasion (ROI) i docelowe (końcowe) ROI. Nasiono ROI umieszczono na RF mostu na poziomie strefy wejścia nerwu trójdzielnego (Daube, 1986; Afifi i Bergman, 2005). Przeprowadzono analizę przyśrodkowego lemniscus i rubrospinal, aby potwierdzić granicę RF na moście (ryc. 1A). W celu analizy przyśrodkowej lemniscus, obszary ROI nasion umieszczono na rdzeniu przednio-przyśrodkowym, a docelowy obszar ROI umieszczono na korze somatosensorycznej (Hong et al., 2010). W celu analizy przewodu rubrospinalowego, obszary ROI nasion umieszczono na jądrze czerwonym, a docelowy obszar ROI umieszczono na przeciwległym grzbietowo-bocznym regionie rdzenia (obszar Monakowa) (Nathan i Smith, 1982; Kwon i wsp., 2011). Docelowy zwrot z inwestycji został podany na jądrach wewnątrzwarstwowych wzgórza na poziomie płaszczyzny spoidłowej (Morel, 2007). Definiując jądra wewnątrzwarstwowe wzgórza, odnieśliśmy się do atlasu mózgu (Morel, 2007) (ryc. 1A). Spośród 5000 próbek wygenerowanych z woksela nasion, wyniki kontaktu były wizualizowane przy minimalnym progu 1 przepuszczanym przez każdy woksel do analizy. Zmierzono wartości ułamkowej anizotropii (FA), średniej dyfuzyjności (MD) i liczby dróg dolnego pojedynczego składnika ARAS.

Analiza statystyczna

Do analizy danych użyto oprogramowania SPSS (wersja 15.0; SPSS, Chicago, IL, USA). Do określenia różnicy wartości parametrów DTI ARAS pomiędzy prawą a lewą półkulą zastosowano sparowany test t-Studenta. Do określenia korelacji między parametrami DTI ARAS a wiekiem zastosowano test korelacji Pearsona. Wyniki uznawano za istotne, gdy wartość p wynosiła < 0,05.

Wyniki

Zrekonstruowaliśmy dolną pojedynczą składową ARAS między mostem RF i jądra wewnątrzwarstwowe wzgórza. Zrekonstruowany komponent ARAS pochodził z mostu RF, wznosił się przez śródmózgowiowe nakrywki tuż za jądrem czerwonym, a następnie kończył się w jądrach wewnątrzwarstwowych wzgórza na poziomie płaszczyzny spoidłowej u wszystkich badanych (ryc. 1B).

Dyskusja

W obecnym badaniu, używając DTI, zrekonstruowaliśmy jedną z głównych ścieżek ARAS, dolny pojedynczy składnik ARAS od RF do wzgórza u zdrowych osób, chociaż ARAS składa się z dodatkowych jąder pnia mózgu, podwzgórza, podstawnego przodomózgowia i wypustek wzgórzowo-korowych do kory mózgowej. Wybraliśmy dwa obszary ROI do rekonstrukcji dolnego pojedynczego komponentu ARAS: ROI nasion, który był RF mostu na poziomie strefy wejścia nerwu trójdzielnego (Daube, 1986; Afifi i Bergman, 2005) oraz docelowy ROI, który obejmował jądra wewnątrzwarstwowe wzgórza (jądra centralne boczne, jądra centromedian / parafascicular i jądra paracentral) na poziomie płaszczyzny spoidłowej (Morel, 2007). Przednia część RF pnia mózgu powyżej strefy wejścia nerwu trójdzielnego jest znana jako ARAS; przeciwnie, ogonowa część RF jest zaangażowana w funkcje motoryczne i autonomiczne związane z czynnością serca i układu oddechowego (Daube, 1986). Dlatego umieściliśmy ROI nasion w RF na poziomie strefy wejścia nerwu trójdzielnego. Docelowy obszar zainteresowania ROI umieściliśmy w jądrach międzywarstwowych, które są głównymi jądrami ARAS wśród niespecyficznych jąder wzgórza. Dlatego uważamy, że ponieważ nie mogliśmy uwzględnić innych jąder wzgórzowych związanych z ARAS, dolny pojedynczy składnik ARAS, który został zrekonstruowany w obecnym badaniu, nie jest całym dolnym pojedynczym składnikiem ARAS, ale główną częścią cały dolny pojedynczy składnik ARAS.W konsekwencji, dolny pojedynczy składnik ARAS wywodził się z mostu RF, wznosił się przez śródmózgowiową powłokę z tyłu jądra czerwonego, a następnie kończył się w jądrach międzywarstwowych wzgórza. Ponadto wartości FA, MD i liczby dróg zrekonstruowanej dolnej pojedynczej składowej ARAS nie różniły się istotnie między prawą a lewą półkulą. Liczba dróg zależy od liczby wokseli znajdujących się w przewodzie nerwowym (Kwak i in., 2010). Wartość FA wskazuje stopień kierunkowości i integralności mikrostruktur istoty białej, takich jak aksony, mielina i mikrotubule, a wartość ADC wskazuje wielkość dyfuzji wody (Assaf i Pasternak, 2008).

Kilka badań wykazali kliniczną przydatność DTI, szacując niektóre obszary dolnej pojedynczej składowej ARAS od RF do wzgórza u pacjentów z zaburzeniami świadomości (Perlbarg i in., 2009; Tollard i in., 2009; Newcombe i in., 2010; Fernandez-Espejo i in., 2011). Tollard i in. (2009) opisali przydatność DTI, którą wykonano na podostrym etapie w przewidywaniu wyniku u 45 pacjentów z ciężkim TBI (urazowym uszkodzeniem mózgu) (brak odpowiedzi na proste polecenia). W swoich badaniach zmierzyli wartość FA w kilku obszarach nadnamiotowych i podnamiotowych, w tym w przednim, tylnym moście i śródmózgowiu, i wykazali, że zmniejszenie przednamiotowego i nadnamiotowego FA, z wyjątkiem tylnego mostu, pozwoliło przewidzieć niekorzystne wyniki 1 rok od TBI. Perlbarg i in. (2009), którzy przeprowadzili badanie DTI u 30 pacjentów z brakiem odpowiedzi na proste polecenia po ciężkim TBI, donieśli o zdecydowanym zmniejszeniu FA mierzonego w pęczku podłużnym dolnym, śródmózgowiu (nasadka mózgowa i nakrywka), kończynie tylnej torebki wewnętrznej i tylne ciało modzelowate w grupie z niekorzystnym wynikiem. Newcombe i in. (2010) zastosowali DTI do scharakteryzowania zakresu i lokalizacji utraty istoty białej u pacjentów, którzy byli w stanie wegetatywnym wtórnym do TBI (7 pacjentów) i pacjentów z urazem niedokrwienno-hipoksycznym (5 pacjentów). Nieprawidłowości w obszarach nadnamiotowych zaobserwowano w obu grupach; z kolei nieprawidłowości pnia mózgu obserwowano tylko w grupie TBI. Fernandez-Espejo i in. (2011) zastosowali DTI w różnicowaniu neuropatologii 25 wegetatywnych i mało świadomych pacjentów. Doszli do wniosku, że pacjenci z minimalną świadomością i pacjenci w stanie wegetatywnym różniły się podkorową substancją białą i regionami wzgórza, ale nie wydawało się, aby różniły się pniem mózgu. W niedawnym badaniu wykorzystującym obrazowanie dyfuzyjne o wysokiej rozdzielczości kątowej Edlow i wsp. (2012) opisali łączność neuroanatomiczną ARAS w ludzkim mózgu, zarówno in vivo, jak i ex vivo. Wykazali, że połączenia określonych jąder ARAS były zaangażowane w pobudzenie, a połączenia jąder wzgórza – z modulacją pobudzenia.

Podsumowując, używając DTI, zrekonstruowaliśmy dolny pojedynczy składnik ARAS z RF do wzgórza w ludzkim mózgu. Uważamy, że zastosowana metodologia i wyniki tego badania mogą być pomocne dla naukowców badających ARAS w ludzkim mózgu. Jednak jednym z ograniczeń tego badania jest to, że nie byliśmy w stanie w pełni wyjaśnić całego systemu ARAS, ponieważ nie uwzględniliśmy w naszej analizie innych jąder wzgórza i pnia mózgu, które są również zaangażowane w ARAS. Potrzebne są dalsze badania przydatności klinicznej naszych ustaleń, a także badania nad projekcją ARAS od wzgórza do kory mózgowej.

Oświadczenie o konflikcie interesów

Autorzy deklarują że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek powiązań handlowych lub finansowych, które można by zinterpretować jako potencjalny konflikt interesów.

Podziękowania

Praca była wspierana przez DGIST R & D Program Ministerstwa Edukacji, Nauki i Technologii Korei (13-BD-0401).