多维MRI可以提供用于检测人脑的弥漫性轴 [复制链接]

创伤性脑损伤（Traumaticbraininjury,TBI）给全球的医疗、社会和经济发展带来了巨大的挑战，而且它和高死亡率，长期残疾有关。在由撞击（例如，脑内出血，坏死性缺血病变，组织撕裂）产生的各种病理脑病变中，弥漫性轴突损伤（diffuseaxonalinjury,DAI）是由大脑白质多方面的机械损伤引起的。轴突损伤与脑震荡、意识丧失和昏迷的持续时间直接相关。在大脑的旋转加速度引起的快速变形之后，轴突变得僵硬和脆弱，这导致轴突骨骼的机械损伤。随着轴突运输被破坏，不同轴突蛋白的病理积累会导致轴突肿胀，继而引发轴突变异。淀粉样蛋白前体蛋白（Amyloidprecursorprotein,APP）是那些积累的蛋白之一，它可以在损伤后几小时内进行免疫组织化学。因此，由于其高灵敏度和鲁棒性，APP是识别轴突病理的金标准。

虽然DAI非侵入性生物标志物的发展已成为神经群体内的重要课题，但很少有研究发现放射病理学研究与组织病理学的相关，包括DAI病变和急性和慢性TBI暴露后的MRI数据。常规的脑成像方法无法观测到轴突肿胀的显微特质，比如CT和常规MRI。弥散张量成像（DTI）是一种描述大脑结构的新方法，是核磁共振成像（MRI）的特殊形式，常用的衡量指标包括平均弥散率（meandiffusivityMD）和各向异性分数（fractionalanisotropy,FA）。研究发现，FA是TBI的敏感生物标志物。遗憾的是，虽然DTI具有较高的灵敏度，但是已有研究存在很多矛盾的结果，比如与对照相比，有的研究发现TBI组的FA下降，有的研究发现TBI组的FA增加。

近年来，研究发现多维MRI是一个有吸引力的MRI方法，该方法可以共同编码几个磁共振对比度（例如T1，T2和扩散），并在每个体素内产生参数的多维分布，从而完成两个主要目标：（i）提供分布值而不是平均值，从而允许识别体素内的多个组分;（ii）增加更多的磁共振维度以帮助区分不同的生物成分。为了给未来的临床提供证据，我们旨在探讨多维MRI是否可以提供用于检测DAI的非侵入性生物标志物。

材料和方法

从TRACK-TBI获得了的四个平民受试者的胼胝体（案例1，2，4，5），从神经科学和再生医学脑组织存储库和制服的服务大学获得了七个*人被试的胼胝体（案例3，6-11）。对于每个受试者，都获得了捐赠大脑用于研究的书面同意书。使用的脑组织经过了捐赠组织，其储存和使用已通过USU机构审查委员会（IRB）批准的程序。所有实验均按照现行的联邦，国家，国防部和NIH验尸分析的指南和法规进行。在表1和补充表1中列出了获得脑组织样品的受试者的人口统计学信息。

表1

MRI分析

扩散张量MRI分析，扩散张量成像参数使用Matlab代码进行计算。

体素平均的T1和T2处理

首先通过将信号衰减拟合到单缩凸函数来计算传统的定量弥散图。通过拟合包含20个图像的多维数据的子集来计算T1值，该数据包括在12ms和ms范围内的反转时间。通过拟合包括20个图像的多维数据的子集来计算T2值，该数据包括在10.5ms和ms的范围内有回声的图像。

多维MRI处理

在这里，我们采用了边际约束，l2正则化，非负最小二乘优化计算每个体素中的多维分布，这是一项经过良好测试的方法，已被证明是强大可靠的，在本研究中，每个体素有三种类型分布：T1-T2，MD-T2和MD-T1。

结果

胼胝体的创伤性轴突损伤病理

表1和补充表1呈现了每个受试者的大脑的人口统计学数据以及组织病理学结果。致命和非致命TBI与对照之间的年龄和验尸间隔无显著差异。致命性和非致命性TBI基于APP的TAI评分，基于APP的TAI严重程度和基于APP的严重性均无显著差异（补充表1）。

在所有致命的TBI病例中，损伤后的生存时间都足够长，足以引起病理性APP的积聚。除病例6外，死于与TBI无关的原因的受试者均记录有脑外伤。案例6的受试者遭受致命的头部创伤，导致立即死亡，这很可能阻断了APP的明显病理性积聚。考虑到APP是我们在这项研究中评估的组织病理学指标，我们将案例6归类为非致命性TBI。值得注意的是，归类为致命或非致命TBI对理解临床情况很重要。但是，它不影响本研究中的MRI检查结果和确定结果。

图1显示了三例代表性TBI病例的同时视图，这些病例针对小胶质细胞（Iba-1），星形胶质细胞（GFAP），髓磷脂（MBP）和TAI病变（APP），髓磷脂（LFB）的组织学染色和常规组织学评估，反卷积的APP图像和APP密度。通过MBP免疫组织化学和LFB染色评估的髓磷脂密度水平在所有考虑的区域（例如图1C，D，J，K，Q和R）均未显示任何明显的损伤。相比之下，小胶质细胞的活化和反应性在所有情况下都不同（例如，图1A，H和O）。同样，星形胶质反应性也是可变的（例如图1B，I和P）。星形胶质细胞和小胶质细胞的反应性取决于各种生物学时机因素，最显著的是TBI暴露和尸检之间的时间间隔差异，在我们的研究中，致命和非致命TBI组别之间差异很大。此外，除案例1之外，基于苏木精和曙红的每个体评估均未发现缺血性坏死病变，血管病变，微出血或组织稀疏。根据APP密度图像选择了个感兴趣的组织区域，本研究总共包括11个病例的个感兴趣区域。

图1

横向和纵向弥散随着创伤性轴突损伤的严重程度而缩短

我们观察到随着TAI的APP损伤严重程度的增加，T1，T2和MD的分布方式也发生了持续的逐渐变化。图2显示了5种损伤严重程度增加的病例，其T1-T2（图2A–E），MD-T2（图2F–J）和MD-T1（图2K–O）的分布平均为20个体素。可以通过检查受影响最大的T1-T2-MD范围（以粉红色矩形突出显示）来说明分布的变化。光谱中这些范围的放大倍数显示在每个分布的下方。随着损伤严重程度的增加，放大区域显示T1和T2逐渐缩短（图2，从左到右）。

图2

创伤性轴突损伤的多维和体素平均MRI

根据检查的对照和TAI案例，我们确定了T1-T2-MD范围（T1?=[91.03,.32]ms,T2?=[6.70,34.85]ms,andMD?=[0.,0.]μm2/ms），我们评估了损伤的大部分频谱信息。图3显示了三种代表性病例的常规和多维磁共振以及组织学图像：对照，非致命性和致命性TBI（分别为病例10、6和2）。对照病例的组织学图像显示APP染色为阴性（图3A），而损伤病例中APP染色为阳性（图3D和G）。图3B，E和H分别显示了对照，非致命和致命病例的常规体素平均松弛和弥散图像。最后，对照，非致命和致命病例的多维损伤图像分别如图3C，F和I所示。请注意，为便于可视化，将损伤SC图像阈值设置为最大强度的10％，并覆盖在灰度质子密度图像上。补充图4中显示了更多的多维损伤图像。

图3

组织病理学，多维和常规MRI检查结果

我们根据表1中基于APP染色的损伤严重程度将TBI患者进一步分为轻度和重度TAI，以评估检查的MRI指标是否能够识别出不同严重程度的TAI（案例1-4和6为重度TAI，第5、7和8例为轻度TAI）。

与对照组白质相比，轻度TAI显示T1-T2损伤SC增加（FDR-correctedP-value,PFDR?=0.），MD-T2损伤SC增加（PFDR?=0.），APP面积百分比增加（PFDR??0.）（图4和补充表2）。

与对照组白质相比，严重TAI显示T1-T2损伤SC增加（PFDR??0.），MD-T1损伤SC增加（PFDR?=0.），MD-T2损伤SC增加（PFDR0.），APP面积百分比增加（PFDR0.）（图4和补充表2）。

与轻度TAI的TBI患者中正常出现的白质区域相比，轻度TAI显示T1-T2损伤SC增加（PFDR?=0.），MD-T2损伤SC增加（PFDR?=0.），APP面积百分比增加（PFDR0.）（表2和图4）。

与重度TAI的TBI患者中正常出现的白质区域相比，重度TAI显示T1-T2损伤SC增加（PFDR0.），MD-T1损伤SC增加（PFDR?=0.），MD-T2损伤SC增加（PFDR0.），APP面积百分比增加（PFDR0.）（表2和图4）。

只有MD-T1和MD-T2的损伤生物标志物能够区分轻度TAI和重度TAI损伤（分别为P?=?0.和P?=?0.）。但是，在校正后不显著。

其他MRI指标均未显示组间存在显著差异（表2，图4和补充表2）。

表2

图4

MRI测量值与APP密度的相关

为了确定MRI是否可以潜在地检测TBI患者的TAI，我们使用组织学APP密度和MRI参数进行了放射-病理学相关分析。图5总结了磁共振指标（常规体素平均和多维图像）与正常白质，皮质灰质和TAI组织块中的病理结果之间的相关。

为了评估MRI参数与损伤程度的关系，将所有感兴趣的组织区域归为一组，并与APP密度相关（图5，实线）。我们发现APP密度与T1-T2损伤SC（r?=?0.,P??0.），MD-T1损伤SC（r?=?0.,P??0.）和MD-T2损伤SC存在强相关（r?=?0.,P??0.）。这些结果表明，多维损伤生物标志物的强度与DAI严重性增加有关。从传统的体素平均图像中，我们发现APP密度与调整后的FA（r?=?0.,P?=0.），调整后的T1（r?=??0.,P?=0.）和调整后的T2（r?=??0.,P??0.）存在较弱但是显著的相关。

为了评估MRI参数相对于APP密度区分正常白质和受伤白质的能力，将正常白质和TAI感兴趣区域放在一起（图5，虚线）。我们发现，排除感兴趣的皮质灰质区域，多维损伤生物标志物图像与APP密度的相关几乎没有改变。

为了评估MRI参数相对于APP密度区分灰质和受伤白质的能力，将感兴趣的灰质和TAI区域放在一起（图5，虚线）。我们也发现，通过排除正常的白质感兴趣区域，多维损伤生物标志物图像与APP密度的相关几乎没有改变。所有体素平均MRI参数均与APP密度存在显著相关（调整后的FA：r?=?0.,P??0.;调整后的MD：r?=??0.,P??0.;调整后的T1：r?=??0.,P??0.;调整后的的T2：r?=???0.,P??0.），表明它们能够区分灰质和轴突损伤。

图5

讨论

这项研究揭示了多维MRI可以提供用于检测DAI的非侵入性生物标志物。多维MRI轴突损伤图像与DAI的组织学证据存在强相关。多维MRI使我们能够捕捉到T1和T2缩短的强相关以及微观轴突损伤的严重程度。非常短的T2值的蛋白会与游离水和部分结合的水相互作用，从而同时降低T1和T2。轴突损伤引起微管破坏，继而引起APP和其他轴突内蛋白的长期病理性的积累，并形成轴突静脉曲张（图6）。虽然以足够的空间分辨率进行蛋白质的非侵入性和直接检测可能是不可行的，但我们建议这些蛋白质聚集体可以作为周围水的内源性松弛增强剂，可以通过观察到的缩短的T1-T2来捕获（图6）。但是，将需要定量的生物物理模型和进一步的详细实验来证实或驳斥这一假设。

图6

稳健的放射线-病理学相关使我们能够在每位TBI患者中可视化具有实质性TAI病变的区域和不受创伤影响的区域。我们发现，体素平均MRI方法无法检测到对照，TBI患者中正常出现的白质和TAI病变之间的差异。该方法不敏感的主要原因是，无法选择性地提取每个患者受伤害影响的光谱范围，因为这些图像仅包含标量平均值，而不包含分布值。相反，多维MRI参数（主要是T1-T2和MD-T2）能够区分TBI患者内的病变和正常出现的白质区域，用分布值替代平均值会增加检测细微变化的灵敏度。

虽然DTI指标被认为对TBI引起的微观结构变化敏感，但它们在观察到的响应中存在较大的不一致，这说明了存在个体的异质性。在我们的研究中体素平均的FA和MD在所有组中均显示出很大的变异，这些变异导致了因损伤而引起的微小变化。

我们要强调T1-T2MRI序列的结果，因为它可能可以用于临床应用。T1-T2加权采集在临床上更可行，尤其是考虑到我们研究中所需的T1-T2加权图像数量相对较少，我们使用的是人类体内先前在大脑中使用的数据量的一半，这将使单切片数据集的获取时间从20分钟减少到10分钟。由于与活体系统相比，固定组织中的T1，T2和扩散动力学不同，因此需要进一步研究来确定多维磁共振参数的T1-T2-MD范围是否以及如何在体内发生变化。

我们发现，由于创伤造成的DAI具有多维光谱特征，可用于生成与APP组织病理学密切相关的损伤生物标志物图像；轴突损伤图像强度随病理性APP积聚而变化。我们的结果表明，T1-T2-MD范围与DAI引起的微观组织改变存在直接相关。我们相信，这些新型损伤生物标记物对DAI的提高的敏感性正在使神经成像领域更趋近于非侵入性定量“组织学”。该神经影像工具提供损伤的图像，可帮助临床医生和临床研究人员检测和可视化大脑中的微小DAI病变。由于有证据表明DAI可能是脑震荡的病理基础，开发一种在临床上对其进行检测的手段的重要性变得显而易见。

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