SiNAPSA, torek, 12. december 2017

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Difuzijsko magnetnoresonančno slikanje

Orodje za oceno mikro- in makrostrukture možganov

Rok Berlot

Ko je Robert Brown pod mikroskopom opazoval nenehno gibanje delcev peloda v kapljici vode, je bil sprva prepričan, da opazuje “silo življenja”, zaradi katere se ples delcev ne ustavi. Skoraj dve stoletji kasneje nevroznanstveniki na podlagi termičnega oziroma Brownovega gibanja molekul vode proučujemo strukturo in delovanje človeških možganov.

Rok Berlot Nevroanatomi so bili že v 19. stoletju prepričani, da je za delovanje možganov bistveno povezovanje informacij iz različnih predelov, pri čemer imajo ključno vlogo asociacijske povezave vlaken bele možganovine (BM)1. Pri proučevanju arhitekture BM so bili znanstveniki dolgo omejeni na patološke sekcije ter invazivne metode vbrizgavanja sledil aksonov v živalske možgane. Razmah difuzijskega magnetnoresonančnega (MR) slikanja, na osnovi katerega za sklepanje o usmerjenosti živčnih vlaken izkoriščamo termično gibanje molekul vode, je omogočil neinvazivno proučevanje strukture možganov živih preiskovancev.

Z nekritičnim povzemanjem izsledkov raziskav se tudi v nevroznanstveni srenji pojavljajo nejasnosti o zmožnostih in omejitvah nove metode. V pričujočem pregledu predstavljamo ozadje novejše raziskovalne tehnike ter v obdobju, ko je proučevanje človeškega konektoma iz strokovnih člankov že prestopilo v okvir poljudnega znanstvenega branja, opozarjamo na nekatere njene omejitve.

Difuzija molekul vode kot odraz mikrostrukture tkiva

Molekule vode se v raztopinah nenehno naključno gibljejo, odmik posamezne molekule od začetnega položaja pa je odvisen od časa opazovanja in difuzijskega koeficienta. V človeškem telesu pri relativno stalni telesni temperaturi slednjega določajo strukture, ki omejujejo difuzijo. V največji meri so to celične membrane2.

Z uporabo dveh nasprotno usmerjenih gradientnih pulzov enake velikosti napravimo MR signal občutljiv na difuzijo molekul vode3. Gibanje slednjih v času med obema pulzoma vodi v izgubo signala. Omejitev difuzije se tako odraža v višji jakosti signala. To ugotovitev s pridom izkoriščamo tudi klinično, naprimer pri akutni možganski kapi, pri kateri pride do celičnega edema, zmanjšane difuzivnosti in posledično do spremembe difuzijsko obteženega signala že nekaj minut po nastopu simptomov, še preden lahko okvarjeno področje prikažemo z uporabo drugih slikovnih tehnik4.

Kadar skušamo opisati urejenost tkiv, kot v primeru vlaken BM, nam zgolj informacija o celokupni difuzivnosti ne zadošča. Pomagamo si s konceptom difuzijskega tenzorja – matriko, s katero opišemo difuzijo molekul vode v vseh smereh prostora za vsak posamezni voksel, to je najmanjšo prostorninsko enoto, ki jo lahko prikažemo glede na ločljivost uporabljene slikovne tehnike. Difuzijski tenzor si lahko predstavljamo kot elipsoid, pri katerem podaljšana os kaže prevladujočo smer difuzije molekul vode.

Tovrstno MR slikanje imenujemo slikanje difuzijskih tenzorjev (angl. diffusion tensor imaging, DTI). Če predhodno opisane gradiente usmerimo v različne smeri v prostoru, pridobimo informacijo o difuziji molekul vode v posamezni smeri, z analizo zajetega signala pa lahko v vsakem vokslu rekonstruiramo difuzijski tenzor in tako sklepamo o usmerjenosti vlaken BM. Difuzija je izotropna, kadar je enakomerna v vse smeri, ali pa anizotropna, kadar je difuzija v določene smeri bolj oziroma manj omejena. V BM je difuzija bolj omejena v smeri prečno na aksone kot vzdolž njih, kar s pridom izkoriščamo za prikaz strukture tkiva.

Na podlagi zajetega signala lahko izračunamo različne kazalce mikrostrukturne organiziranosti možganskega tkiva. Med drugimi so to srednja difuzivnost (MD, angl. mean diffusivity), ki kaže na celokupno difuzivnost v posameznem vokslu ne glede na usmerjenost difuzije ter od usmerjenosti difuzije odvisni aksialna (AD) in radialna difuzivnost (RD), ki ocenjujeta količino difuzije vzdolž oziroma prečno na najdaljšo os elipsoida. Pogosto uporabljamo tudi mero frakcijske anizotropije (FA, angl. fractional anisotropy), ki ocenjuje razmerje med prevladujočo usmerjenostjo difuzije in velikostjo celokupne difuzije. Indeks FA se giblje med vrednostma 0, ko je difuzija izotropna in 1, ko je usmerjena izključno vzdolž ene osi (Slika 1a).

Slika 1
Slika 1. a) Mape frakcijske anizotropije (FA) v človeških možganih. Intenziteta posameznega voksla je premosorazmerna vrednosti FA v razponu med 0 (povsem enakomerna difuzija molekul vode v vse smeri) in 1 (difuzija zgolj vzdolž ene osi). b) Prevladujoča usmerjenost difuzijskega tenzorja v posameznih vokslih. c) Primer deterministične traktografije.

Pasti interpretacije kazalcev mikrostrukture

Kazalci DTI se spreminjajo tako z zdravim staranjem kot pri bolezenskih stanjih. Velja, da se s staranjem in pri nevrodegenerativnih obolenjih zaradi celičnih okvar zmanjša usmerjenost difuzije in poveča celokupna difuzija, kar se odraža v znižani FA in zvišani MD. Izguba mielina pri demielinizacijskih boleznih poveča obseg difuzije prečno na usmerjenost vlaken, tako se zviša RD. Nasprotno, se spremembe AD najpogosteje interpretirajo kot odraz okvare aksonov. Opisane kazalce lahko v vsakem vokslu, v posameznih strukturah BM, ali pa kot povprečne vrednosti večjih predelov, primerjamo med skupinami preiskovancev ali pa proučujemo njihovo povezanost z vedenjskimi in drugimi spremenljivkami. Na ta način lahko sklepamo o vlogi BM v zdravih, starajočih se ali bolezensko spremenjenih možganih5.

Vendarle pa pri sklepanju o integriteti možganskega tkiva preprosti zaključki zaradi omejitev metode največkrat niso mogoči. Velik problem predstavlja omejena ločljivost, ki pri novejših študijah in vivo dosega okoli 2 mm. Tako signal iz vsakega voksla predstavlja povpreček različnih vplivov. V vokslu so pogosto prisotne populacije različno usmerjenih vlaken BM, ki jih brez uporabe kompleksnejših matematičnih metod analize signala ne moremo razločevati med sabo. Do križanj vlaken prihaja približno pri tretjini vokslov BM6. V predelih, kjer je križanje pravokotno, difuzija molekul vode torej poteka v dveh prevladujočih smereh. V tem primeru z uporabo modela difuzijskega tenzorja zaključimo, da je difuzija izotropna, FA pa v visoko organizirani strukturi posledično ocenimo kot nizko. Če bolezenski proces prizadene zgolj eno od obeh križajočih se populacij vlaken, bo difuzija v tem vokslu anizotropna, vrednost FA pa bo višja. Jasno je torej, da spremembe vrednosti FA in tudi drugih kazalcev DTI ne odražajo nujno sprememb integritete tkiva; zaradi zapletene arhitekture vlaken na nivoju posameznih vokslov moramo biti pri tovrstnem sklepanju previdni.

V posameznem vokslu so lahko poleg BM zajete tudi druge strukture, naprimer siva možganovina ali likvor. V njih so vlakna odsotna ali pa niso usmerjena v določeno smer, zaradi česar pride v teh vokslih do znižanja FA in zvišanja MD, kar pa ni posledica mikrostrukturne okvare BM7.

Traktografija – prikaz možganskih povezav

Difuzijski signal izkoriščamo tudi za proučevanje anatomije možganskih povezav. Posamezne trakte BM lahko rekonstruiramo s pomočjo deterministične traktografije (Slika 1b in c). V posameznem vokslu ocenimo prevladujočo smer difuzije vode in navidezni poti molekul sledimo v sosednje voksle. Pri tem temeljimo na predpostavki, da smer z najvišjo difuzivnostjo ustreza usmerjenosti vlaken BM v vokslu. S sledenjem prekinemo, ko dosežemo področje, pri katerem nismo prepričani o usmerjenosti vlaken (tj. nizka vrednost FA) ali pa kadar je med dvema korakoma poti oster kot, ki ni združljiv z anatomijo vlaken. S poznavanjem anatomije in označevanjem področij, ki jih določena struktura mora ali ne sme prečkati, pridobimo tridimenzionalne prikaze struktur BM.

Čeprav s to metodo prikažemo anatomske strukture, njeno slabost predstavlja velika odvisnost od preiskovalca. Zvest prikaz omejujejo tudi šum signala, zajeti artefakti in križanja vlaken, ki jih z uporabo DTI ne moremo razrešiti. Manjka tudi ocena verjetnosti, ki jo lahko pripišemo točnosti rekonstrukcije trakta8. Zaradi tega se lahko poslužujemo probabilistične traktografije, s katero v zajetih slikovnih podatkih ocenimo verjetnost obstoja poti med dvema točkama9.

Konektom

Slika 2
Slika 2. Strukturno omrežje bele možganovine. Rdeče točke predstavljajo posamezne možganske predele, med katerimi so bile z uporabo deterministične traktografije konstruirane posamezne povezave.

Povezave med stotimi milijardami nevronov v možganih človeka tvorijo strukturno omrežje oziroma konektom, ki omogoča hitro in vzporedno procesiranje množice podatkov.

Eden od temeljnih principov organizacije konektoma je fenomen »majhnega sveta«, poznan tudi iz družabnih stikov, povezav med letališči in iz drugih omrežij. Podobno kot v oddaljen manjši kraj letimo s prestopanjem na večjih letališčih, topologija povezav v možganskih omrežjih omogoča, da informacija med dvema oddaljenima predeloma v možganih potuje le z nekaj vmesnimi koraki preko predelov, ki so specializirani za komuniciranje z oddaljenimi predeli. Možgani torej delujejo ekonomično – informacije potujejo hitro tudi med področji, ki med sabo niso neposredno povezana, kar je ugodno tako z energijskega vidika kot glede na potrebno količino celičnih gradnikov10. Novejši izsledki kažejo, da pri številnih boleznih možganov prihaja do sprememb topologije omrežja11. Prav metoda difuzijskega MR slikanja omogoča prikaz zgradbe možganskih omrežij in proučevanje pomena njihovega spreminjanja pri zdravih preiskovancih in pri bolnikih.

Kaj nas čaka v prihodnosti?

Z višjo ločljivostjo slikanja in uporabo naprednejših modelov rekonstrukcije signala bomo pridobili dodaten uvid v mikro in makrostrukturo BM. Projekt Človeški konektom prinaša še dodatne tehnološke izboljšave, od njega in podobnih velikih raziskav pa si obetamo nove uvide v zgradbo in delovanje zdravih ter bolnih možganov 12. Po drugi strani pa se pojavljajo novi metodološki preboji, kot je recimo možnost funkcijskega slikanja z uporabo difuzijskega signala13. Difuzijsko MR slikanje je torej postalo eno temeljnih orodij za proučevanje možganov, »sila življenja« Roberta Browna pa za številne nevroznanstvenike še vedno ostaja izziv.

MR slike so bile posnete v sklopu projekta L3-4255, finančno podprtega s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije. Obdelal in pripravil jih je avtor prispevka.

    ___
  1. Meynert T. A clinical treatise on diseases of the fore-brain based upon a study of its structure, functions and nutrition. 1885. G.P.Putnam’s Sons, New York. 

  2. Beaulieu C, Allen PS. Determinants of anisotropic water diffusion in nerves. Magn Reson Med. 1994;31:394-400. 

  3. Stejskal EO, Tanner JE. Spin diffusion measurements: spin echoes in the presence of a time-dependent field gradient. J Chem Phys. 1965;42:288-292. 

  4. Hjort N, Christensen S, Solling C, Ashkanian M, Wu O, Rohl L, et al. Ischemic injury detected by diffusion imaging 11 minutes after stroke. Ann Neurol. 2005 Sep;58:462-465. 

  5. Cercignani M. Strategies for patient-control comparison of diffusion MRI data. In: Jones DK, ed. Diffusion MRI: theory, methods, and applications. New York: Oxford University Press; 2011. p. 485-499. 

  6. Behrens TEJ, Johansen Berg H, Jbabdi S, Rushworth MFS, Woolrich MW. Probabilistic diffusion tractography with multiple fiber orientations: what can we gain? Neuroimage. 2007 Jan 1;34:144-155. 

  7. Berlot R, Metzler-Baddeley C, Jones DK, O’Sullivan MJ. CSF contamination contributes to apparent microstructural alterations in mild cognitive impairment. Neuroimage. 2014 May 15;92:27-35. 

  8. Jones DK. Studying connection in the living human brain with diffusion MRI. Cortex. 2008 Sep;44:936-952. 

  9. Morris DM, Embleton KV, Parker JM. Probabilistic fibre tracking: differentiation of connections from chance events. Neuroimage. 2008 Oct 1;42:1329-1339. 

  10. Bullmore E, Sporns O. The economy of brain network organization. Nat Rev Neurosci. 2012 Apr 13;13:336-349. 

  11. Griffa A, Baumann PS, Thiran JP, Hagmann P. Structural connectomics in brain diseases. Neuroimage. 2013 Oct 15;80:515-526. 

  12. Koritnik B. Človeški konektom ali kakšne so zveze v naših možganih. eSinapsa. 2014;4. Dosegljivo na: http://www.sinapsa.org/eSinapsa/clanki/88/Človeški konektom ali kakšne so zveze v naših možganih (4.8.2014) 

  13. Le Bihan D, Urayama S, Aso T, Hanakawa T, Fukuyama H. Direct and fast detection of neuronal activation in the human brain with diffusion MRI. Proc Natl Acad Sci. 2006 May 23;103(21):8263-8268. 

Rok Berlot, dr. med.
Nevrološka klinika,
Univerzitetni klinični center Ljubljana

Recenziral
doc. dr. Blaž Koritnik, dr. med.
Nevrološka klinika, Univerzitetni klinični center Ljubljana
Katedra za nevrologijo, Medicinska fakulteta, Univerza v Ljubljani

Prispelo: avgust 2014
Sprejeto: avgust 2014
Objavljeno: november 2015