Frontiers in Human Neuroscience (Svenska)

Inledning

Medvetenhet är en upphetsning och medvetenhet om miljö och själv, vilket uppnås genom handling av det stigande retikulära aktiveringssystemet (ARAS) på hjärnstammen och hjärnbarken (Daube, 1986; Paus, 2000; Zeman, 2001; Gosseries et al., 2011). ARAS består av flera neuronala kretsar som förbinder hjärnstammen till cortex. Dessa neuronala anslutningar har huvudsakligen sitt ursprung i hjärnstammens retikulära bildning (RF) och skjuter ut genom synaptiska reläer i den intralaminära kärnan i thalamus till hjärnbarken (Daube, 1986; Paus, 2000; Zeman, 2001; Afifi och Bergman, 2005; Gosseries et al., 2011). Dessutom ingår flera hjärnstammkärnor (locus coeruleus, dorsal raphe, median raphe, pedunculopontine nucleus, parabrachial nucleus), icke-specifika talamkärnor, hypothalamus och basal framhjärna i ARAS-systemet (Aston-Jones et al., 2001 ; Parvizi och Damasio, 2003; Fuller et al., 2011). Grundlig utvärdering av ARAS är viktig för diagnos och hantering av patienter med nedsatt medvetande, såsom patienter som är i ett vegetativt tillstånd eller de med minimalt medvetande (Zeman, 2001; Gosseries et al., 2011).

Konventionell hjärn-MR, funktionella neuroimaging-tekniker, elektrofysiologiska metoder och MR-spektroskopi har använts i studier av ARAS i den mänskliga hjärnan (Parvizi och Damasio, 2003; Schiff, 2006; Tshibanda et al., 2009, 2010; Gawryluk et al. ., 2010). Men eftersom ARAS inte klart kan diskrimineras från intilliggande neurala strukturer, kan korrekt identifiering och uppskattning av ARAS i den mänskliga hjärnan vara problematisk när man använder dessa metoder. Däremot möjliggör diffusion tensor imaging (DTI) utvärdering av vit substans på grund av dess förmåga att avbilda vattendiffusionsegenskaper (Mori et al., 1999). I normal vit substans har vattenmolekyler relativ rörelsefrihet parallellt med nervfiberkanaler. Emellertid är deras rörelser begränsade över områden, vilket ger upphov till diffusionsanisotropi av vit materia. Följaktligen har diffusionsanisotropi använts för utvärdering av omfattningen av fiberförändring i vit substans (Chang et al., 2010; Puig et al., 2010). Flera nya studier har försökt visa användbarheten av DTI för utvärdering av lesioner hos patienter med nedsatt medvetenhet och anslutning av specifika ARAS-kärnor i den mänskliga hjärnan (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). Det är dock lite känt om hela rekonstruktionen och uppskattningen av ARAS i den mänskliga hjärnan (Edlow et al., 2012).

I den aktuella studien, med hjälp av DTI, försökte vi rekonstruera den nedre enskilda komponenten. av ARAS från pontin RF till de intralaminära kärnorna i thalamus i den normala mänskliga hjärnan.

Material och metoder

Ämnen

Tjugo sex normala friska försökspersoner (14 män, 12 kvinnor; medelålder, 31,85 ± 9,80 år; intervall, 20–50) utan historik av neurologisk sjukdom rekryterades för denna studie. Alla försökspersoner deltog i denna studie som volontärer och gav skriftligt medgivande innan de genomgick DTI-skanning. Studien godkändes av institutionens granskningsnämnd på vårt sjukhus.

Diffusion Tensor Image

DTI-data förvärvades med en 6-kanals huvudspole på en 1,5-T Philips Gyroscan Intera ( Philips, Best, Nederländerna) med en-plan ekobild avbildning. För var och en av de 32 icke-kollinära diffusionssensibiliserande gradienterna förvärvade vi 67 sammanhängande skivor parallellt med den främre commissure-posterior commissurelinjen. Bildparametrar var som följer: förvärvsmatris = 96 × 96, rekonstruerad till matris = 128 × 128, synfält = 221 mm × 221 mm, TR = 10 726 ms, TE = 76 ms, parallell bildreduktionsfaktor (SENSE-faktor) = 2, EPI-faktor = 49 och b = 1000 s / mm2, NEX = 1 och en skivtjocklek på 2,3 mm (erhållen isotropisk voxelstorlek 2,3 mm × 2,3 mm × 2,3 mm).

Probabilistisk fiber Spårning

Analys av diffusionsvägd bilddata utfördes med hjälp av Oxford Center for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain (FMRIB) Software Library (FSL; www.fmrib.ox.ac.uk/fsl). Affine flerskalig tvådimensionell registrering användes för korrigering av huvudrörelseeffekt och bildförvrängning på grund av virvelström. Fiberspårning utfördes med en probabilistisk traktografimetod baserad på en multifibermodell och användes i den aktuella studien med användning av traktografirutiner implementerade i FMRIB Diffusion (5000 strömlinjeformade prover, 0,5 mm steglängder, krökningströsklar = 0,2) (Smith et al., 2004 ).Fördelar med probabilistisk traktografi, som användes i denna studie, inkluderar större robusthet mot buller, liksom förmågan att detektera vägar med skarpare vinklar och att skilja korsande fibrer (Behrens et al., 2007; Winston et al., 2011).

ARAS-vägen bestämdes av urval av fibrer som passerar genom fröregioner av intresse (ROI) och mål (termination) ROI. Ett ROI-utsäde placerades på RF-ponerna vid nivån för trigeminusnervens inträdeszon (Daube, 1986; Afifi och Bergman, 2005). Analys av den mediala lemniscus och rubrospinalvägen utfördes för att bekräfta gränsen för RF på pons (figur 1A). För analys av den mediala lemniscusen placerades frö-ROI på den anteromediala medulla och mål-ROI placerades på den somatosensoriska cortexen (Hong et al., 2010). För analys av rubrospinalvägen placerades frö-ROI på den röda kärnan och mål-ROI placerades på den kontralaterala dorsolaterala regionen i medulla (Monakows område) (Nathan och Smith, 1982; Kwon et al., 2011). Mål-ROI gavs på thalamusens intralaminära kärnor på nivå med kommissionsplanet (Morel, 2007). När vi definierade thalamusens intralaminära kärnor hänvisade vi till en hjärnatlas (Morel, 2007) (figur 1A). Av 5000 prover genererade från frövoxeln visualiserades resultat för kontakt vid ett tröskelvärde på minst 1 strömlinjeformat genom varje voxel för analys. Värden för fraktionerad anisotropi (FA), medel diffusivitet (MD) och kanalnummer för den nedre enskilda komponenten i ARAS uppmättes.

Statistisk analys

SPSS-programvara (v.15.0; SPSS, Chicago, IL, USA) användes för dataanalys. Parat t-test användes för bestämning av skillnaden i värden för DTI-parametrar för ARAS mellan höger och vänster halvklot. Pearson-korrelationstest användes för bestämning av korrelation mellan DTI-parametrar för ARAS och ålder. Resultaten ansågs signifikanta när p-värdet var < 0,05.

Resultat

Vi rekonstruerade den nedre enskilda komponenten i ARAS mellan pontinen RF och intralaminära kärnor i talamus. Den rekonstruerade komponenten i ARAS härstammar från pontin RF, steg upp genom mesencephalic tegmentum precis bakom den röda kärnan, och avslutades sedan på de intralaminära kärnorna i thalamus på nivån av kommissionsplanet i alla försökspersoner (Figur 1B). / p>

Diskussion

I den aktuella studien, med hjälp av DTI, rekonstruerade vi en av huvudvägarna för ARAS, den nedre enskilda komponenten i ARAS från RF till thalamus hos normala försökspersoner, även om ARAS består av ytterligare hjärnstammkärnor, hypotalamus, basal framhjärna och thalamocortical projektioner till hjärnbarken. Vi valde två ROI: er för rekonstruktion av den nedre enskilda komponenten i ARAS: utsäde ROI, som var RF för pons på nivån för trigeminusnervens inträdeszon (Daube, 1986; Afifi och Bergman, 2005) och målet ROI, som inkluderade thalamusens intralaminära kärnor (de centrala laterala kärnorna, centromedian / parafascikulära kärnorna och paracentrala kärnorna) på nivån för kommissionsplanet (Morel, 2007). Den rostrala delen av RF i hjärnstammen ovanför trigeminusnervens ingångszon är känd som ARAS; däremot är den kaudala delen av RF involverad i motorisk funktion och autonom funktion relaterad till hjärt- och andningsfunktion (Daube, 1986). Därför placerade vi frö-ROI i RF vid nivån för trigeminusnervens ingångszon. Vi placerade mål-ROI i de intralaminära kärnorna, som är ARAS huvudkärnor bland de icke-specifika talamkärnorna. Därför tror vi att eftersom vi inte kunde inkludera de andra talamkärnorna som berör ARAS, är den nedre enskilda komponenten i ARAS som rekonstruerades i den aktuella studien inte hela den nedre enskilda komponenten i ARAS, utan huvuddelen av hela den nedre enskilda komponenten i ARAS.Följaktligen härstammade den nedre enskilda komponenten i ARAS från pontin RF, steg upp genom mesencephalic tegmentum bakom den röda kärnan och avslutades sedan på talamus intralaminära kärnor. Dessutom skilde sig värdena för FA, MD och kanalnummer för den rekonstruerade nedre enskilda komponenten i ARAS inte signifikant mellan höger och vänster halvklot. Traktornummer bestäms av antalet voxels som finns i en neural kanal (Kwak et al., 2010). FA-värdet indikerar graden av riktning och integritet hos vita substansmikrostrukturer såsom axoner, myelin och mikrotubuli, och ADC-värdet indikerar storleken på vattendiffusion (Assaf och Pasternak, 2008).

Flera studier har visat den kliniska användbarheten av DTI genom att uppskatta vissa områden av den nedre enskilda komponenten i ARAS från RF till talamus hos patienter med nedsatt medvetande (Perlbarg et al., 2009; Tollard et al., 2009; Newcombe et al., 2010; Fernandez-Espejo et al., 2011). Tollard et al. (2009) rapporterade om nyttan av DTI, som utfördes i det subakuta skedet för förutsägelse av resultatet hos 45 patienter med svår TBI (traumatisk hjärnskada) (frånvaro av svar på enkla ordningar). I sin studie mätte de FA-värdet vid flera supratentoriella och infratentoriella områden, inklusive främre pons, posterior pons och midbrain, och visade att minskningen av infratentorial och supratentorial FA, utom i posterior pons, möjliggjorde förutsägelse av ogynnsamma resultat 1 år från TBI. Perlbarg et al. (2009), som utförde DTI-skanning hos 30 patienter med avsaknad av svar på enkla order efter svår TBI, rapporterade en definitiv minskning av FA uppmätt i den underlägsna längsgående fasciculus, mellanhjärnan (cerebral peduncle och tegmentum), den bakre delen av den inre kapseln och posterior corpus callosum i den ogynnsamma resultatgruppen. Newcombe et al. (2010) använde DTI för att karakterisera omfattningen och placeringen av förlust av vit substans hos patienter som var i ett vegetativt tillstånd sekundärt till TBI (sju patienter) och patienter med ischemisk hypoxisk skada (fem patienter). Avvikelser i de supratentoriella områdena observerades i båda grupperna; däremot observerades abnormiteter i hjärnstammen endast i TBI-gruppen. Fernandez-Espejo et al. (2011) använde DTI vid differentiering av neuropatologin hos 25 vegetativa och minimalt medvetna patienter. De drog slutsatsen att minimalt medvetna patienter och de i ett vegetativt tillstånd skilde sig åt i subkortikala vita substanser och thalamiska områden, men verkade inte skilja sig i hjärnstammen. I en nyligen genomförd studie med diffusionsavbildning med hög vinkelupplösning, Edlow et al. (2012) rapporterade om neuroanatomisk anslutning av ARAS i den mänskliga hjärnan, både in vivo och ex vivo. De visade att anslutningarna av specifika ARAS-kärnor var inblandade i upphetsning, och de av talamkärnor var inblandade i modulering av upphetsning.

Sammanfattningsvis rekonstruerade vi den nedre enskilda komponenten i ARAS från RF till talamus i den mänskliga hjärnan. Vi tror att den använda metoden och resultaten av denna studie kan vara till hjälp för forskare som studerar ARAS i den mänskliga hjärnan. En av begränsningarna i denna studie är dock att vi inte kunde klargöra hela ARAS-systemet helt eftersom vi inte inkluderade andra talam- och hjärnstammkärnor i vår analys som också är involverade i ARAS. Ytterligare studier om den kliniska användbarheten av våra fynd samt studier av projektionerna av ARAS från talamus till hjärnbarken behövs.

Uttalande av intressekonflikt

Författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller ekonomiska relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Bekräftelser

Detta arbete stöddes av DGIST R & D-program för Koreas utbildningsministerium (13-BD-0401).