De alta resolução de ressonância magnética estrutural do Subcórtex Humano<I> In Vivo</I> E Postmortem

Summary

Here we present a protocol to determine the minimum number images that needed to be registered and averaged to resolve subcortical structures and test whether the individual layers of the LGN could be resolved in the absence of physiological noise.

Abstract

O foco deste estudo foi testar os limites de resolução da ressonância magnética estrutural de um cérebro pós-morte em comparação com cérebros humanos vivos. A resolução da ressonância magnética estrutural in vivo é finalmente limitado pelo ruído fisiológico, incluindo pulsação, respiração e movimento da cabeça. Embora o hardware de imagem continua a melhorar, ainda é difícil de resolver estruturas na escala milimétrica. Por exemplo, as vias sensoriais primários Visual sinapse no núcleo geniculado lateral (LGN), um relê de controlo visual e núcleo no tálamo que normalmente está organizado em seis camadas monoculares intercalados. Estudos de neuroimagens não foram capazes de distinguir de forma segura estas camadas, devido a sua pequena dimensão que são menos do que 1 mm de espessura.

O limite de resolução de ressonância magnética estrutural, em um cérebro pós-morte foi testada usando várias imagens em média por uma longa duração (~ 24 h). O objectivo foi testar se que era possível resolver o l indivíduoAyers da LGN na ausência de ruído fisiológico. A densidade de protões (DP) ¹ sequência de pulso ponderado foi utilizado com vários outros parâmetros e resolução para determinar o número mínimo de imagens necessárias para ser registado e a média para distinguir de forma segura a LGN e outras regiões subcorticais. Os resultados foram também comparados com imagens adquiridas em cérebros humanos vivos. In vivo sujeitos foram verificados, a fim de determinar os efeitos adicionais de ruído fisiológico sobre o número mínimo de análises de PD necessários para diferenciar estruturas subcorticais, úteis em aplicações clínicas.

Introduction

O objetivo desta pesquisa foi testar os limites de resolução da RM estrutural na ausência de ruído fisiológico. Densidade (PD) imagens ponderadas de prótons foram adquiridas em um cérebro pós-morte durante um longo período (duas sessões de RH ~ 24) para determinar o número mínimo de imagens que precisavam ser registradas e média para resolver as estruturas subcorticais. Para efeito de comparação, PD imagens ponderadas também foram adquiridas em seres humanos vivos ao longo de um número de sessões. Em particular, o objetivo foi verificar se seria possível em um cenário mais favorável para resolver todas as seis camadas individuais do LGN humano, que são aproximadamente 1 mm de espessura (Figura 1).

Figura 1. camadas lateral humana Geniculado núcleo. Esquemático da estrutura laminar do LGN. Magnocelulares (m) camadas são compostas de maior neuronaltamanho das células e densidade de células menores que são responsáveis ​​para a resolução de movimento e curso contornos (camadas 1-2, descrito como cinza escuro). Camadas parvocelulares (P) são compostos de tamanho menor de células neuronais e maior densidade de células que são responsáveis ​​pela resolução de fine-forma e cor (camadas 4-6, descrito como cinza claro). Bar escala de 1 mm. Figura baseado em coradas LGN ¹² humana.

A resolução espacial em MRI é melhorada quando o tamanho da matriz aumenta, e quando de campo de visão (FOV) e espessura de corte são diminuídos. No entanto, o aumento da resolução diminui a relação sinal-ruído (SNR), que é proporcional ao volume do voxel. SNR também é proporcional à raiz quadrada do número de medições. Em seres humanos vivos, embora várias imagens pode ser adquirida ao longo de uma série de sessões de imagem separados, a resolução final é limitado pelo ruído fisiológico, como a respiração, pulsação circulatório e movimento da cabeça.

Alto-Resolução (0,35 mm voxels In-Plane) PD scans ponderados foram adquiridos. Scans PD melhorar o contraste cinza e branco no tálamo ^1, e resultam em imagens que minimizem _T 1 e T _{2 efeitos.} A sua imagem é dependente da densidade de protões, sob a forma de água e as macromoléculas, tais como proteínas e gordura no volume de imagem. Os números aumentados de protões num tecido resulta num sinal mais brilhante na imagem devido ao componente longitudinal superior da magnetização ^2.

Scans ponderadas pelo DP foram coletadas uma vez que proporcionam um maior contraste de estruturas subcorticais com o tecido circundante. Outros contrastes, como T1 e T2-ocasionar dificuldade em delinear estruturas subcorticais como a LGN devido a menores rácios de contraste-ruído, tal como determinado ƒ ^1,3.

Da mesma forma, estudos anteriores descobriram que as imagens ponderadas em DP de formol fixa cérebros post-mortem redundoud em diferenças de contraste mais elevados entre matéria cinzenta e branca em comparação com T1 e imagens ponderadas em T2 que tiveram cinzentos e brancos semelhantes intensidades de imagem do assunto ^3,4. Os determinantes biofísicos subjacentes podem explicar essas diferenças. T1 (longitudinal) e T2 (transversal) tempos de relaxação de prótons de hidrogênio dependerá de como a água se move dentro do tecido. Fixadores, como o trabalho de formalina por proteínas de ligação cruzada. As diferenças entre a mobilidade de água são reduzidos entre os diferentes tipos de tecidos quando fixadores são usados. Reduzido contraste tecido T1 tem sido observada após a fixação, ao passo que as diferenças de densidade relativa dos protões dentro dos tecidos do cérebro aumenta com a fixação, proporcionando uma melhor diferenciação contraste ^{3, 4.}

Estudos anteriores já haviam identificado o LGN em exames ponderados pelo PD usando um 1.5 T ^5,6,7, e pelo scanner de 3 T ^8,9. É crítico para obter estas verificações para ser capaz de delinear com exactidão a extensão dao LGN. Para manter a cobertura total dos núcleos subcorticais, 18 fatias ponderada-PD foram obtidos dentro do tálamo. Cada volume foi re-amostrados para o dobro da matriz de 1024, (0,15 mm de tamanho de in-plane voxel), concatenada, movimento corrigido e média para produzir uma imagem 3D de alta resolução de estruturas subcorticais. O número ideal de imagens DP necessários para a seguinte receita fatia foi de 5, reduzindo o tempo de digitalização para menos de 15 min em seres humanos vivos. Apenas uma imagem PD foi necessário para demarcar claramente regiões subcorticais no cérebro pós-morte, reduzindo o tempo de digitalização para menos de 3 min (Figura 2 e 3).

Toda uma amostra de cérebro pós-morte fixado em formol foi feita a varredura de uma mulher que morreu de parada cardiorrespiratória na idade de 82 anos. Revisão de prontuários médicos revelou que ela tinha: doença pulmonar obstrutiva crônica, cirurgia angina, triplo bypass 8 anos antes da morte, câncer uterino tratado com histerectomia7 anos antes da morte, hiperlipidemia, glaucoma, e cirurgia de catarata. O espécime cerebral postmortem foi fixado em imersão em 10% de formalina tamponada neutra por pelo menos 3 semanas a 4 ° C. A pós-mortem de cérebro foi digitalizado com o mesmo protocolo de imagem, bem como com outros parâmetros ao longo de muitas horas para comparações de qualidade de imagem . Apenas os parâmetros optimizados será descrito para o protocolo.

Protocol

1. Participante e Postmortem Cérebro Set-Up Observação: Todas as imagens foram obtidas utilizando um scanner de RM 3 T com uma bobina de cabeça de 32 canais e todos ressonância magnética foi realizada a temperatura ambiente, aproximadamente 20 ° C. Todos os participantes eram destros e assinaram termo de consentimento informado. Cada participante estava com boa saúde, sem histórico de distúrbios neurológicos. O protocolo experimental foi aprovado e segue as diretrizes de participantes York University Hu…

Representative Results

Uma vez que o subcortex é prescrito dentro do tálamo, PD imagens ponderadas são coletados dentro da caixa de seleção fatia (Figura 4). A SNR melhorada através do aumento do número de médias em ambas post-mortem e em exames in vivo. Para determinar a qualidade de imagem, o SNR de diferentes médias de digitalização foi comparada pela divisão do sinal da região cerebral média por o desvio padrão em alguma área fora do cérebro. A SNR foi calculada como SNR = 0,655 * u <sub…

Discussion

Este estudo descreve um protocolo otimizado na aquisição e análise técnica a fim de obter de alta resolução PD imagens ponderadas das regiões subcorticais. Um certo número de parâmetros de análise foram testados e modificado com os mais significativos relacionados com o tamanho da matriz, o tamanho do voxel, e de largura de banda para aumentar a SNR e diminuir o número de aquisições, um passo crítico no ser capaz de determinar de alta resolução estruturas subcorticais. Em conjunto com a encontrar os par?…

Materials

Magnetom Trio 3T  MRI	Siemens (Erlangen, Germany).
Vacuum cushion hand	Siemens	Mat No: 4765454	Manufactured by: Johannes-Stark-Stk. 8 D-92224 Amberg