Трактография

Трактография
Трактография
	Трактография человеческого мозга
Цель	используется для визуального представления нервных путей

В нейробиологии диффузионной трактография — это метод трехмерного моделирования , используемый для визуального представления нервных путей с использованием данных, собранных с помощью МРТ . ^[1] Здесь используются специальные методы магнитно-резонансной томографии (МРТ) и компьютерная диффузионная МРТ. Результаты представлены в виде двух- и трехмерных изображений, называемых трактограммами . ^[2]

Помимо длинных путей, соединяющих мозг с остальным телом, существуют сложные нейронные цепи, образованные короткими связями между различными корковыми и подкорковыми областями. Существование этих путей и цепей было обнаружено с помощью гистохимии и биологических методов на посмертных образцах. Нервные пути невозможно идентифицировать при прямом осмотре, КТ или МРТ . Эта трудность объясняет скудность их описания в атласах нейроанатомии и плохое понимание их функций.

Самый продвинутый алгоритм трактографии может выдать 90% пакетов достоверных данных, но он по-прежнему содержит значительное количество неверных результатов. ^[3]

Техника МРТ

Трактографическая реконструкция нейронных связей методом диффузионно-тензорной визуализации (DTI)

человека МРТ-трактография субталамического ядра

Трактография проводится с использованием данных диффузной МРТ . Свободная диффузия воды называется « изотропной » диффузией. Если вода диффундирует в среде с барьерами, диффузия будет неравномерной, что называется анизотропной диффузией. В таком случае относительная подвижность молекул от начала координат имеет форму, отличную от сферы . Эту форму часто моделируют как эллипсоид , и тогда этот метод называют диффузионно-тензорной визуализацией . ^[4] Барьерами могут быть самые разные вещи: клеточные мембраны, аксоны, миелин и т. д.; но в белом веществе основным барьером является миелиновая оболочка аксонов . Пучки аксонов создают барьер для перпендикулярной диффузии и путь для параллельной диффузии вдоль ориентации волокон.

Ожидается, что анизотропная диффузия будет увеличиваться в областях с высоким зрелым порядком аксонов. Состояния, при которых миелин или структура аксона нарушены, например, травма . ^[5] опухоли и воспаления уменьшают анизотропию, поскольку на барьеры влияет разрушение или дезорганизация.

Анизотропия измеряется несколькими способами. Один из способов — это соотношение, называемое фракционной анизотропией (FA). FA со значением 0 соответствует идеальной сфере, тогда как 1 представляет собой идеальную линейную диффузию. В немногих регионах FA превышает 0,90. Число дает информацию о том, насколько асферична диффузия, но ничего не говорит о направлении.

Каждая анизотропия связана с ориентацией преобладающей оси (преобладающего направления диффузии). Программы постобработки способны извлекать эту информацию о направлении.

Эту дополнительную информацию трудно представить на 2D-изображениях в оттенках серого. Чтобы решить эту проблему, вводится цветовой код. Основные цвета могут рассказать наблюдателю, как волокна ориентированы в трехмерной системе координат; это называется «анизотропной картой». Программное обеспечение может кодировать цвета следующим образом:

Красный цвет указывает направления по оси X : справа налево или слева направо.
Зеленым цветом обозначены направления по оси Y : сзади вперед или спереди назад.
Синим цветом обозначены направления по оси Z : нижнее - верхнее или наоборот.

Этот метод не позволяет различить «положительное» или «отрицательное» направление по одной и той же оси.

Математика

Используя МРТ с тензором диффузии , можно измерить кажущийся коэффициент диффузии в каждом вокселе изображения, а после полилинейной регрессии по нескольким изображениям можно восстановить весь тензор диффузии. ^[1]

Предположим, что в образце имеется интересующий волоконный тракт. Следуя формулам Френе-Серре , мы можем сформулировать пространственный путь волоконного тракта как параметризованную кривую:

{\frac {d\mathbf {r} (s)}{ds}}=\mathbf {T} (s),

где $\mathbf {T} (s)$ - касательный вектор кривой. Восстановленный тензор диффузии $D$ можно рассматривать как матрицу, и мы можем вычислить ее собственные значения $\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3}$ и собственные векторы $\mathbf {u} _{1},\mathbf {u} _{2},\mathbf {u} _{3}$ . Приравнивая собственный вектор, соответствующий наибольшему собственному значению, направлению кривой:

{\frac {d\mathbf {r} (s)}{ds}}=\mathbf {u} _{1}(\mathbf {r} (s))

мы можем решить для $\mathbf {r} (s)$ учитывая данные для $\mathbf {u} _{1}(s)$ . Это можно сделать с помощью численного интегрирования, например, с помощью Рунге-Кутты , и путем интерполяции главных собственных векторов .

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Бассер П.Дж., Паевич С., Пьерпаоли С., Дуда Дж., Альдроуби А. (октябрь 2000 г.). «Вибротрактография in vivo с использованием данных DT-МРТ». Магнитный резонанс в медицине . 44 (4): 625–632. doi : 10.1002/1522-2594(200010)44:4<625::AID-MRM17>3.0.CO;2-O . ПМИД 11025519 .
^ Катани М., Тибо Де Шоттен М. (2012). Атлас связей человеческого мозга . дои : 10.1093/med/9780199541164.001.0001 . ISBN 978-0-19-954116-4 . ^{[ нужна страница ]}
^ Майер-Хейн К.Х., Неер П.Ф., Уд Х.К., Коте М.А., Гарифаллидис Э., Чжун Дж. и др. (ноябрь 2017 г.). «Задача картирования коннектома человека на основе диффузной трактографии» . Природные коммуникации . 8 (1): 1349. Бибкод : 2017NatCo...8.1349M . дои : 10.1038/s41467-017-01285-x . ПМК 5677006 . ПМИД 29116093 .
^ Бассер П.Дж., Маттиелло Дж., ЛеБихан Д. (январь 1994 г.). «МР-диффузионная тензорная спектроскопия и визуализация» . Биофизический журнал . 66 (1): 259–267. Бибкод : 1994BpJ....66..259B . дои : 10.1016/S0006-3495(94)80775-1 . ПМЦ 1275686 . ПМИД 8130344 .
^ Уэйд Р.Г., Таннер С.Ф., Тех И., Риджуэй Дж.П., Шелли Д., Чака Б. и др. (16 апреля 2020 г.). «Диффузионно-тензорная визуализация для диагностики отрывов корней при травматических повреждениях плечевого сплетения у взрослых: исследование, подтверждающее концепцию» . Границы в хирургии . 7:19 . дои : 10.3389/fsurg.2020.00019 . ПМК 7177010 . ПМИД 32373625 .

[Basser_2000-1] Jump up to: ^а ^б Бассер П.Дж., Паевич С., Пьерпаоли С., Дуда Дж., Альдроуби А. (октябрь 2000 г.). «Вибротрактография in vivo с использованием данных DT-МРТ». Магнитный резонанс в медицине . 44 (4): 625–632. doi : 10.1002/1522-2594(200010)44:4<625::AID-MRM17>3.0.CO;2-O . ПМИД 11025519 .

[2] Катани М., Тибо Де Шоттен М. (2012). Атлас связей человеческого мозга . дои : 10.1093/med/9780199541164.001.0001 . ISBN 978-0-19-954116-4 . ^{[ нужна страница ]}

[ChallengeNatComm2017-3] Майер-Хейн К.Х., Неер П.Ф., Уд Х.К., Коте М.А., Гарифаллидис Э., Чжун Дж. и др. (ноябрь 2017 г.). «Задача картирования коннектома человека на основе диффузной трактографии» . Природные коммуникации . 8 (1): 1349. Бибкод : 2017NatCo...8.1349M . дои : 10.1038/s41467-017-01285-x . ПМК 5677006 . ПМИД 29116093 .

[4] Бассер П.Дж., Маттиелло Дж., ЛеБихан Д. (январь 1994 г.). «МР-диффузионная тензорная спектроскопия и визуализация» . Биофизический журнал . 66 (1): 259–267. Бибкод : 1994BpJ....66..259B . дои : 10.1016/S0006-3495(94)80775-1 . ПМЦ 1275686 . ПМИД 8130344 .

[5] Уэйд Р.Г., Таннер С.Ф., Тех И., Риджуэй Дж.П., Шелли Д., Чака Б. и др. (16 апреля 2020 г.). «Диффузионно-тензорная визуализация для диагностики отрывов корней при травматических повреждениях плечевого сплетения у взрослых: исследование, подтверждающее концепцию» . Границы в хирургии . 7:19 . дои : 10.3389/fsurg.2020.00019 . ПМК 7177010 . ПМИД 32373625 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]