Em formação

O que é reparado mais rapidamente quando há lesão: substância branca ou substância cinzenta?


Este foi o texto exato de uma questão de teste dada por minha professora de biologia e ela disse que a substância branca se repararia mais rápido, porque há uma bainha de mielina para proteger as células.

Você concorda com esta resposta? Você poderia me dar uma explicação mais detalhada sobre a vida real (não a escola, mas a neurociência real, dados reais)?


Resposta curta
Como @BryanKrause indica, nenhuma das respostas realmente faz sentido.

Fundo
Isso é basicamente de acordo com a resposta de @BryanKrause. A mielina é o material que forma o principal componente característico da substância branca. Matéria branca ser

[o tecido] encontrado nas profundezas do cérebro (subcortical). Ele contém fibras nervosas (axônios), que são extensões de células nervosas (neurônios). Muitas dessas fibras nervosas são circundadas por um tipo de bainha ou cobertura chamada mielina. A mielina dá à matéria branca sua cor. Ele também protege as fibras nervosas de lesões. Além disso, melhora a velocidade e a transmissão de sinais nervosos elétricos

Acho que o que a questão visava era a sua compreensão para que serve uma bainha de mielina (e, portanto, para que serve não destinado a). Citando de (Morell & Quarles, 1999):

  • O que

[A] membrana plasmática grandemente estendida e modificada enrolada em torno do axônio do nervo em forma de espiral. [Ele] se origina e faz parte das células de Schwann no sistema nervoso periférico (SNP) e das células oligodendrogliais no sistema nervoso central (SNC)

  • Pelo que

Cada célula geradora de mielina fornece mielina para apenas um segmento de qualquer axônio. As interrupções periódicas em que pequenas porções do axônio são deixadas descobertas pela mielina são os nódulos de Ranvier e são críticas para o funcionamento da mielina.

  • Quão

Nos axônios mielinizados, a membrana axonal excitável é exposta ao espaço extracelular apenas nos nódulos de Ranvier; esta é a localização dos canais de sódio. Quando a membrana no nó é excitada, o circuito local gerado não consegue fluir pela bainha de alta resistência e, portanto, flui para fora e despolariza a membrana no nó seguinte, que pode estar a 1 mm ou mais distante []. A baixa capacitância da bainha significa que pouca energia é necessária para despolarizar a membrana remanescente entre os nós, o que resulta na propagação do circuito local a uma velocidade maior. A excitação ativa da membrana axonal salta de nó em nó; esta forma de propagação do impulso é chamada de condução saltatória (latim saltare, “pular”). Esse movimento da onda de despolarização é muito mais rápido do que nas fibras amielínicas. Além disso, como apenas os nódulos de Ranvier são excitados durante a condução nas fibras mielinizadas, o fluxo de Na + para o nervo é muito menor do que nas fibras amielínicas, onde toda a membrana está envolvida.

  • O que não
    Embora a bainha de mielina seja formada por um célula glial e embora as células gliais dêem suporte estrutural e metabólico aos neurônios, não diria que isso significa que o tecido mielinizado cicatriza mais rapidamente. Em vez disso, a mielina tem mais a ver com o papel funcional da substância branca, ou seja, transferência de informações de longa distância eficiente, rápida e confiável através de regiões distantes do cérebro.

Referência
- Morell & Quarles. A bainha de mielina. In: Siegel et al (eds); Neuroquímica Básica. 6º ed. Filadélfia: Lippincott-Raven (1999)


A pergunta do seu professor de biologia infelizmente está mal formulada e a justificativa é ainda pior, não apenas biologicamente, mas também logicamente. Para o erro lógico, considere esta declaração: Cavaleiros usando cota de malha curam mais rápido porque são protegidos por suas armaduras. Isso não faz sentido. Talvez se você permitir que o dano inicial seja menor, mas mesmo isso faz pouco sentido.

Realmente não faz muito sentido falar sobre a velocidade de cura da matéria branca e da massa cinzenta porque você está falando sobre duas coisas diferentes. A substância branca consiste principalmente de axônios e suas camadas de mielina, enquanto a substância cinzenta consiste em corpos celulares e neurópilos. Danos na substância cinzenta implicam em morte celular. Danos na substância branca implicam em perda de conectividade. O dano à substância cinzenta também pode levar à degradação da substância branca (ou seja, as células que enviaram as projeções agora estão mortas). Danos de substância branca também podem levar à degradação de substância cinzenta devido à perda de conectividade.

No entanto, é verdade que diferentes tipos de lesão cerebral podem impactar diferencialmente a massa branca em relação à massa cinzenta, mas entrar em todas as diferentes causas de lesão cerebral é um tópico muito amplo para uma única pergunta neste site.

Além disso, o reparo do tecido do SNC é mais uma questão de compensação do que de reparo em si. Os processos de reparo são importantes para limitar os danos, limpar o tecido morto e restaurar alguns tipos de conectividade, mas a recuperação de um ferimento grave envolve a plasticidade do cérebro e o reaprendizado eficaz de como funcionar após um insulto.


Um conjunto modular de tecido semelhante à medula espinhal permite o reparo de tecido direcionado na medula espinhal seccionada

A construção neural baseada na engenharia de tecidos é promissora no fornecimento de organóides com diferenciação definida e potenciais terapêuticos. Aqui, um tecido semelhante à medula espinhal transplantável por bioengenharia (SCLT) é montado in vitro, simulando a composição da substância branca e da substância cinzenta da medula espinhal usando uma técnica de engenharia de tecidos baseada em células-tronco neurais. É avaliado se o organoide executaria o reparo direcionado na medula espinhal lesada. O SCLT integrado, montado por módulo de tecido semelhante a matéria branca (WMLT) e módulo de tecido semelhante a matéria cinzenta (GMLT), compartilha semelhanças arquitetônicas, fenotípicas e funcionais com a medula espinhal de rato adulto. A cocultura organotípica com o gânglio da raiz dorsal ou células musculares mostra que o SCLT abrange potenciais de organogênese da medula espinhal para estabelecer conexões com os alvos, respectivamente. O transplante do SCLT na medula espinhal seccionada resulta em uma recuperação significativa da função motora dos membros posteriores paralisados ​​em ratos. Além disso, o reparo direcionado do tecido da medula espinhal é alcançado pelo design modular do SCLT, conforme evidenciado por uma remielinização aumentada na área WMLT e uma inervação aumentada na área GMLT. Mais importante, o ambiente de pró-regeneração facilita a formação de um relé neuronal pelos neurônios doadores, permitindo a condução de entradas neurais descendentes e ascendentes.


Introdução

O traumatismo cranioencefálico (TBI) é a principal causa de morte e incapacidade em crianças e, ainda assim, todos os tratamentos neuroprotetores promissores desenvolvidos em modelos de roedores falharam em testes pré-clínicos até o momento (Margulies e Hicks, 2009). Uma estratégia de tratamento pode ser a estimulação de mecanismos neuro-regenerativos inatos para apoiar ou substituir neurônios danificados (Longhi et al., 2004). O efeito do TBI na neurogênese é comumente estudado no hipocampo, onde o TBI demonstrou estimular a neurogênese no nicho do hipocampo em modelos de roedores imaturos e adultos (Dash et al., 2001 Rola et al., 2006), menos estudada é a migração de neuroblastos da zona subventricular (SVZ) para uma lesão cortical onde neuroblastos foram observados para se diferenciar ao redor da cavidade da lesão na substância cinzenta em modelos de roedores de TCE (Covey et al., 2010 Saha et al., 2013). Em modelos de AVC em roedores, a inibição da neurogênese demonstrou exacerbar os danos (Jin et al., 2010 Marlier et al., 2015). A migração de neuroblastos para a lesão e a capacidade dos neuroblastos para auxiliar no reparo da lesão pode ser espécie-específica, enfatizando a importância de estudar a neurogênese e a resposta à lesão no cérebro girencefálico (Cattaneo e Bonfanti, 2014 Peretto e Bonfanti, 2015). Ainda não foi determinado se a neurogênese e o direcionamento de neuroblastos para o local da lesão é uma estratégia útil para promover a recuperação no cérebro girencefálico, onde o TCE resulta em lesão significativa da substância branca (Wilde et al., 2006 Wu et al., 2010).

Em nosso modelo animal grande, o impacto cortical afeta tanto a substância cinzenta cortical quanto a substância branca cerebral, pois deforma 50% da distância da crista cortical giral até os ventrículos laterais e, assim, modela traumatismo cranioencefálico por impacto contuso em crianças que têm crânios deformáveis ​​e apresentam preferência lesão da substância branca (Duhaime et al., 2000 Missios et al., 2009). Demonstramos anteriormente um aumento no tamanho da lesão com o aumento da idade, apesar dos parâmetros de entrada da lesão dimensionados para o crescimento do cérebro, e demonstramos uma diminuição do desenvolvimento na área da SVZ com o aumento da idade (Costine et al., 2015). Em resposta ao impacto cortical escalonado, a área de neuroblastos no SVZ aumenta, mas é dependente da idade com um aumento em leitões semelhante ao desenvolvimento de bebês (PND 7) e crianças (PND 30), e nenhuma resposta em leitões semelhante ao desenvolvimento humano pré-adolescentes (4 meses Costine et al., 2015). O cérebro de leitão não lesado PND 14 tem 2 milhões de neuroblastos com uma morfologia migratória ao longo dos principais tratos de substância branca (Costine et al., 2015). Observa-se que os neuroblastos migram para fora do SVZ para a substância branca periventricular com o número diminuindo com o aumento da idade (Sanai et al., 2011 Taylor et al., 2013 Costine et al., 2015).

O traumatismo craniano por impacto contuso durante a imaturidade pode não apenas causar focos de lesão, mas também pode interromper o programa de desenvolvimento normal da população pós-natal de regiões cerebrais específicas (De Marchis et al., 2004 Sanai et al., 2011 Costine et al., 2015) . No desenvolvimento pós-natal normal inicial em espécies girencefálicas, grandes populações de neuroblastos são encontradas em uma morfologia migratória nos principais tratos de substância branca (Sanai et al., 2011 Costine et al., 2015). O SVZ gera neuroblastos que migram para regiões distantes do cérebro por vias distintas, fluxos migratórios para os bulbos olfatórios (onde a população continua após a infância), córtex pré-frontal e, possivelmente, o núcleo accumbens (De Marchis et al., 2004 Sanai et al., 2011 ) Uma tentativa de reparar uma lesão traumática no cérebro imaturo pode interromper a população pós-natal de regiões cerebrais específicas, resultando no direcionamento incorreto de neuroblastos em migração de regiões submetidas à população pós-natal ou atrasar a progressão através da substância branca danificada. A migração paralisada de neuroblastos pode potencialmente resultar em focos ectópicos de neurônios, que podem atuar como substrato para atividade elétrica aberrante e epilepsia pós-traumática (Taylor et al., 2013 Petit et al., 2014 Irimia e Van Horn, 2015). Além disso, a interrupção mecânica da integridade estrutural dos tratos da substância branca do giro após o TCE pode impedir ainda mais a migração de neuroblastos para a substância cinzenta cortical. No cérebro girencefálico imaturo, que utiliza extensos tratos de substância branca para a migração de neuroblastos durante o desenvolvimento cerebral pós-natal, a interrupção dos padrões de migração pode exacerbar complicações de TBI (Scharfman e Hen, 2007 Scharfman e McCloskey, 2009 Costine et al., 2015).

Aqui, continuamos nossa investigação de neuroblastos após impacto cortical ou cirurgia simulada. Descrevemos pela primeira vez a população pós-natal ativa do claustrum, que desempenha um papel na integração da informação sensorial. Os objetivos desses experimentos foram determinar se um impacto cortical no cérebro girencefálico imaturo resulta em (1) neuroblastos que visam o local da lesão, (2) ruptura da população pós-natal normal do claustro e, por último, (3) para determinar se neuroblastos nessas áreas nasceram antes ou depois do impacto cortical. Especificamente, administramos bromodeoxiuridina (BrdU) imediatamente antes ou após TBI ou cirurgia simulada em 7 leitões PND e analisamos o cérebro 7 dias após a lesão. Neuroblastos com ou sem BrdU foram quantificados nos tratos de substância branca que vão do SVZ à lesão, dentro do giro rostral lesado e em uma corrente migratória ventral que leva ao claustro, que normalmente está passando por população ativa por neuroblastos no PND 14.


O que é reparado mais rapidamente quando há lesão: substância branca ou substância cinzenta? - Biologia

Lesão cortical, como acidente vascular cerebral, causa cascatas neurotóxicas que levam à morte rápida e / ou danos aos neurônios e glia. Os danos axonais e mielínicos, em particular, são fatores críticos que levam à disfunção neuronal e prejudicam a recuperação da função após a lesão. Esses fatores podem ser exacerbados no cérebro idoso, onde os danos à substância branca são prevalentes. Terapias que podem melhorar os danos da mielina e promover o reparo ao direcionar os oligodendróglios, as células que produzem e mantêm a mielina, podem facilitar a recuperação após a lesão, especialmente no cérebro envelhecido, onde esses processos já estão comprometidos. Nós relatamos anteriormente que uma nova terapêutica, vesículas extracelulares derivadas de células-tronco mesenquimais (MSC-EVs), administrada por via intravenosa em 24 horas e 14 dias após a lesão cortical, reduziu a microgliose (Go et al. 2019), reduziu a patologia neuronal (Medalla et al. . 2020), e recuperação motora melhorada (Moore et al. 2019) em macacos rhesus fêmeas idosos. Aqui, avaliamos o efeito do tratamento com MSC-EV nas mudanças na maturação de oligodendrócitos e marcadores de mielina associados na substância branca sublesional usando imunohistoquímica, microscopia confocal, estereologia, qRT-PCR e ELISA. Em comparação com os macacos de controle com veículo, os macacos tratados com EV mostraram uma redução na densidade de oligodendrócitos danificados. Além disso, o tratamento com EV foi associado à manutenção aumentada da mielina, evidenciada pela suprarregulação de genes relacionados à mielina e aumentos em oligodendrócitos ativamente mielinizantes na substância branca sublesional. Essas mudanças na mielinização se correlacionam com a taxa de recuperação motora, sugerindo que a manutenção aprimorada da mielina facilita essa recuperação. No geral, nossos resultados sugerem que os EVs atuam nos oligodendrócitos para apoiar a mielinização e melhorar a recuperação funcional após lesão no cérebro idoso.

Nós relatamos anteriormente que os EVs facilitam a recuperação da função após lesão cortical no cérebro de macaco idoso, ao mesmo tempo que reduzem a patologia neuronal (Medalla et al. 2020) e a microgliose (Go et al. 2019). No entanto, o efeito da lesão e EVs em oligodendrócitos e mielinização não foi caracterizado no cérebro primata (Dewar et al. 1999 Sozmen et al. 2012 Zhang et al. 2013). No presente estudo, avaliamos as mudanças na mielinização após lesão cortical em macacos idosos. Nossos resultados mostram, pela primeira vez, que os MSC-EVs apóiam a recuperação da função após lesão cortical, aumentando a manutenção da mielina no cérebro de primata idoso.

CXCL12 promove a proliferação de células semelhantes à glia radial após lesão cerebral traumática em ratos

Estudos anteriores sugeriram que a regeneração do nervo após TCE foi principalmente um processo de proliferação de astrócitos, que levaria à gliose e exerceu um impacto negativo na recuperação da função neurológica [3]. Pesquisas posteriores revelaram mecanismos adicionais subjacentes ao processo de regeneração do nervo, incluindo a reprogramação de astrócitos e proliferação de células precursoras de oligodendrócitos e células-tronco neurais (NSCs) [4-6]. No cérebro de mamíferos adultos, NSCs estão localizados principalmente na zona subventricular (SVZ) que circunda os ventrículos laterais e a zona subgranular (SGZ) de o giro denteado (DG) no hipocampo [7].

Para investigar o efeito de CXCL12 na regeneração de células semelhantes à glia radial após lesão cerebral traumática (TBI). Nós dividimos aleatoriamente 48 ratos em 4 grupos: (1) o grupo sham, os ratos foram realizados apenas craniotomia, (2) o grupo controle, solução salina foi injetada no córtex ipsilateral após TBI, (3) o grupo CXCL12, CXCL12 foram injetados, e (4) o grupo CXCL12 + AMD3100, uma mistura de CXCL12 e AMD3100 foram injetados. Sete dias após TBI, os tecidos cerebrais foram submetidos a imunofluorescência dupla marcação de BrdU / Nestina, BLBP / Nestina, BLBP / Vimentina, BLBP / SOX2, BLBP / CXCR4, BLBP / DCX. O ensaio Western Blot foi usado para medir os níveis de Nestina, BLBP e Vimentina. Em comparação com o grupo de controle, o tratamento com CXCL12 aumentou significativamente o número de células coradas com BrdU / Nestin, BLBP / Nestin e BLBP / Vimentin ao redor do córtex lesionado e áreas do corpo caloso. O tratamento com CXCL12 + AMD3100 diminuiu significativamente o número dessas células em comparação com o tratamento com CXCL12 e o grupo de controle. Os níveis de proteína de Nestin, BLBP e Vimentin tiveram as mesmas tendências de mudança que aqueles da coloração por imunofluorescência. As células BLBP / Vimentin positivas apresentaram o padrão de astrócitos ao redor da área do córtex lesado, mas com o padrão RGCs ao redor da área do corpo caloso lesado. As células BLBP positivas também expressaram CXCR4 e SOX2. Ao todo, CXCL12 promove a proliferação de células precursoras neurais após TBI, penteando até seu receptor, CXCR4. As células precursoras neurais em proliferação apresentam células radiais da glia como células. As células semelhantes a RGCs podem se diferenciar em neurônios imaturos e promover a migração de neurônios imaturos.

Biomarcadores de proteína de epileptogenicidade após lesão cerebral traumática

No nível molecular, receptores, moléculas de superfície, canais iônicos, bem como proteínas estruturais intracelulares e moléculas de sinalização de células danificadas são deslocados (Potts et al., 2006), afetando assim os processos de sinalização e o metabolismo cerebral (Buitrago Blanco et al., 2016). O processo de lesão secundária começa quase imediatamente após o impacto físico e inclui neuroinflamação (Kelso e Gendelman, 2014) para demarcar os focos danificados e eliminar resíduos celulares (Simon et al., 2017), bem como mecanismos regenerativos para promover a proliferação celular e reorganização sináptica (Abbott e Videnovic, 2016 Baker, 2014 Takase et al., 2018). Estudos clínicos e experimentais mostraram que cada um desses processos de lesão tem um perfil temporal que é distinto e dinâmico, especialmente durante a pós aguda a subaguda - fase de lesão em que os processos primários (danos) e secundários (reparo) se sobrepõem (Adams et al., 2017 Bogoslovsky e Diaz-Arrastia, 2016 Bramlett et al., 1997 Cern ak et al., 2002 Hicks et al., 1996 Li et al., 2013 O & # x27Connor et al., 2006 Schuhmann et al., 2003).

O traumatismo cranioencefálico (TCE) é um importante fator de risco para epilepsia adquirida. A epilepsia pós-traumática (TEP) se desenvolve ao longo do tempo em até 50% dos pacientes com TCE grave. O TEP geralmente não responde aos tratamentos anticonvulsivantes tradicionais, sugerindo patomecanismos distintos e induzidos por lesão no desenvolvimento dessa condição. Os TBIs moderados e graves causam dano significativo ao tecido, sangramento, morte de neurônios e glia, bem como anormalidades axonais, vasculares e metabólicas. Essas mudanças desencadeiam uma resposta biológica complexa que visa reduzir o dano físico e restaurar a homeostase e a funcionalidade.Embora exista uma correlação positiva entre o tipo e a gravidade do TCE e o TEP, há apenas uma compreensão incompleta das sequelas dependentes do tempo das patobiologias do TCE e seu papel na epileptogênese. Determinar o perfil temporal de biomarcadores de proteína no sangue (soro ou plasma) e líquido cefalorraquidiano (LCR) pode ajudar a identificar patobiologias subjacentes ao desenvolvimento de TEP, indivíduos de alto risco e terapias modificadoras da doença. Aqui, revisamos as sequelas patobiológicas do TCE no contexto de biomarcadores de proteína baseados no sangue e no LCR, seu papel potencial na epileptogênese e discutimos as futuras direções destinadas a melhorar o diagnóstico e o tratamento de TEP.


MATERIAIS E MÉTODOS

Animais

Ratinhos ICR de tipo selvagem (WT) foram adquiridos a SLC (Shizuoka, Japão). Camundongos knockin Olig2 expressando Cre-ER sob controle do promotor Olig2 (camundongos Olig2CreER TM) [45] foram acasalados com Rosa26ECFP camundongos [46] para obter camundongos duplamente transgênicos. Todos os estudos em animais foram aprovados pelo Comitê de Pesquisa Animal, Escola de Graduação em Ciências Médicas, Universidade da Cidade de Nagoya e foram conduzidos de acordo com o Comitê de Uso e Cuidado de Animais de Laboratório Institucional.

Procedimento HI

HI foi induzido em camundongos P5. A artéria carótida comum direita foi cauterizada conforme descrito anteriormente [47, 48], seguido por um período de recuperação de 1 hora e, em seguida, por hipóxia sistêmica. O protocolo é detalhado nos Materiais e Métodos de Informação de apoio.

Imunohistoquímica

A imunohistoquímica foi realizada conforme descrito anteriormente [18, 49]. As condições detalhadas estão nos Materiais e Métodos de Informação de apoio.

Rotulagem de bromodeoxiuridina

Os camundongos foram injetados intraperitonealmente com bromodeoxiuridina (BrdU, 50 mg / kg, Sigma) em solução salina tamponada com fosfato (PBS) para marcar as células recém-nascidas. O protocolo de rotulagem BrdU é detalhado nos Materiais e Métodos de Informações de Apoio.

Preparação e injeção de tamoxifeno

Tamoxifeno (Sigma) foi dissolvido em uma mistura de dimetilsulfóxido / etanol / óleo de gergelim (4: 6: 90) a 10 mg / ml como relatado anteriormente [50, 51]. Os camundongos receberam uma única injeção de tamoxifeno (200 μg / g de peso corporal) por via intraperitoneal em P9.

Injeção de retrovírus

Cada animal recebeu uma injeção de 1 μl de retrovírus incompetentes para replicação no pSVZ direito em P5. As coordenadas estereotáxicas eram 2,0 mm anterior e 2,3 mm lateral a lambda e 2,0 mm de profundidade. O protocolo de preparação de retrovírus está nos Materiais e Métodos de Informação de Apoio.

Tratamento AEPO

A EPO humana recombinante foi presenteada por Chugai Pharmaceutical Co., Ltd. e dessialilada com neuraminidase como descrito anteriormente [44]. Para os experimentos in vivo, AEPO foi diluído para 8 μg / ml com PBS, então intraperitonealmente injetado em camundongos uma vez por dia por 3 ou 14 dias consecutivos começando em P10. Para os experimentos in vitro, AEPO foi diluído com meio de cultura para 0,0008, 0,008 ou 0,08 μg / ml antes do uso.

Cultura OPC

As culturas de OPC foram preparadas conforme descrito anteriormente [49, 52]. Os protocolos detalhados estão nos Materiais e Métodos de Informação de Apoio.

EPO Receptor Knockdown

Dois pequenos RNAs interferentes furtivos (siRNAs) do receptor EPO (EPOR) (MSS274172, MSS236416) e um siRNA de controle negativo foram adquiridos da Invitrogen (Carlsbad, CA, http://www.invitrogen.com). OPCs isolados em lamínulas foram transfectados com siRNA, conforme descrito anteriormente [49] nos dias 4, 5 e 7. AEPO (0,0008 ng / ml) foi adicionado à cultura no dia 5, em seguida, as células foram fixadas com paraformaldeído a 4% ( PFA) no dia 9.

Teste de Comportamento

O teste de falha do pé [53] foi modificado e realizado durante as semanas pós-natal 4, 6 e 8. O protocolo está nos Materiais e Métodos de Informação de Apoio.

Processamento e quantificação de imagens

Os números de células em seções cerebrais foram contados em cada sexta seção coronal, incluindo o pSVZ (1–3 seções totais), exceto para a análise da parte anterior de SVZ (aSVZ) na Figura 1. Os detalhes metodológicos são descritos nos Materiais de Informação de Apoio e métodos.

HI induz a proliferação de células Olig2 + no pSVZ e a migração de células progenitoras de oligodendrócitos (OPC) para o CC. (UMA): Localizações do pSVZ direito (vermelho) e da área lesionada (cinza) no modelo HI do mouse. (B): Seções coronais das regiões indicadas por caixas em (A) imunocoradas para MBP em P17, mostrando formação de mielina defeituosa no CC ipsilateral. (C): Projeto experimental para marcação de OPCs usando anticorpos anti-BrdU e anti-Olig2. (D): Novos OPCs gerados após HI. Células Olig2 + (verdes) em proliferação de BrdU + (vermelho) foram aumentadas no cérebro com lesão HI (direita), em ambos os pSVZ e CC em P10. Linhas tracejadas brancas indicam a parede do ventrículo lateral. (E, F): As densidades de células Olig2 + recém-geradas. As células BrdU + Olig2 + no pSVZ ipsilateral do cérebro com lesão de HI aumentaram significativamente imediatamente após a injeção de BrdU (em P10), mas não em P13 ou P17 (E). No entanto, um aumento significativo dessas células no CC foi continuamente observado ao longo do período experimental (F) (n = 3, *, p & lt.05, não emparelhado t teste). (G): Projeto experimental para marcação de células pSVZ usando retrovírus. O retrovírus que codifica DsRed foi injetado no pSVZ direito dos cérebros com lesão de HI e intactos. (H): Distribuição de células DsRed + no CC com lesão HI em P13. As células DsRed + foram amplamente distribuídas no CC. As linhas tracejadas brancas indicam o limite do CC. (EU J): Células Olig2 + derivadas de pSVZ (células DsRed + Olig2 +) no CC intacto e lesado. Células DsRed + marcadas com vírus expressando Olig2 (verde) no CC (I) foram significativamente aumentadas por HI (J) (n = 3, *, p & lt.05, não emparelhado t teste). Barras de escala = 200 μm (B, H) 50 μm (D, I). Abreviaturas: BrdU, bromodeoxiuridina CC, corpo caloso HI, hipóxia-isquemia MBP, proteína básica de mielina pSVZ, parte posterior da zona subventricular

Estatisticas

Todos os dados foram analisados ​​usando o software Prism (Graphpad) e são mostrados como a média ± SEM. As comparações de vários grupos foram realizadas por ANOVA seguida pelo procedimento de Bonferroni. O par de duas caudas t teste, desemparelhado t teste e Mann-Whitney você teste foram usados ​​para comparações de pares. p & lt.05 foi considerado significativo.


Achados de MRS após TBI

MRS como um biomarcador de lesão

Métodos de neuroimagem clínica padrão, como tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética convencional são os métodos de neuroimagem clínica primários para detecção de lesão após TCE e continuam a fornecer informações diagnósticas e prognósticas, particularmente para pacientes com TCE mais grave (Jeter et al., 2013 Mayer et al., 2018). Além disso, técnicas avançadas de ressonância magnética, como análise de ressonância magnética volumétrica, imagem ponderada de suscetibilidade (microhemorragias), imagem por tensor de difusão (DTI) e tractografia (lesão de substância branca), ressonância magnética funcional (conectividade de rede) e imagem de perfusão (fluxo sanguíneo ou volume) têm produziram conjuntos de biomarcadores de imagem usados ​​para prever resultados neurológicos e / ou neuropsicológicos em todas as gravidades de lesão cerebral (Hunter et al., 2012 Kou et al., 2010). No entanto, a sensibilidade requintada da MRS para medir de forma não invasiva os neurometabólitos principais fornece uma janela única para a resposta do cérebro a lesões acima e além dos sintomas clínicos, bem como além das mudanças estruturais e funcionais observadas em imagens mais convencionais.

Combinar MRS em estudos de imagens multimodais também pode ser valioso, pois cada modalidade fornece informações que podem ser complementares. Por exemplo, combinar MRS com difusão MRI pode fornecer informações adicionais sobre as alterações na saúde da substância branca e pode levar a uma previsão de resultados clínicos mais precisa (Dennis et al., 2018). Além disso, os biomarcadores de MRS (ou seja, níveis ou proporções de metabólitos) muitas vezes mostram anormalidades no cérebro lesado, mesmo quando a neuroimagem convencional parece normal (Garnett et al., 2000 Holshouser et al., 2005 Kirov et al., 2013a, b). Após o TCE, diminuições no NAA cerebral, seja regional ou cerebral total, foram consistentemente associadas a resultados após TCE moderado a grave (Friedman et al., 1998 Garnett et al., 2000 Holshouser et al., 2005 Kirov et al., 2013a, b Maudsley et al., 2017). Estudos longitudinais mostraram que os níveis de NAA são dinâmicos após a lesão - o NAA permanece baixo em pacientes com recuperação insuficiente, sugerindo perda neuronal (Fig. 4a), e se recuperando em pacientes com bons resultados, sugerindo recuperação da função mitocondrial e / ou reparo neuronal (Garnett et al. ., 2000 Holshouser et al., 2019 Signoretti et al., 2002). Vários estudos correlacionaram níveis reduzidos de NAA após lesão à memória de longo prazo ou déficits de atenção (Babikian et al., 2006 Holshouser et al., 2019) e medidas de função neuropsicológica combinadas (Friedman et al., 1998 Govind et al., 2010 Maudsley et al., 2015, Babikian et al., 2018, Dennis et al., 2018). Níveis crescentes de Cho (Maudsley et al., 2017), mI (Ashwal et al., 2004) e Glx (Ashwal et al., 2004 Garnett et al., 2001 Gasparovic et al., 2009 Shutter et al., 2004 ) também foram associados a resultados neurológicos insatisfatórios. A presença de Lac e lipídios após TCE grave foi relatada em pacientes com os piores resultados (Ashwal et al., 1997 Panigrahy et al., 2010). Ao todo, há evidências crescentes de que o MRS fornece biomarcadores exclusivos de lesões, o que melhora a detecção e o prognóstico de lesões e pode ser mais sensível após uma lesão mais leve do que apenas a imagem, conforme detalhado abaixo sob o título de TCE relacionado ao esporte.

Volume de interesse de MRSI (VOI) sobreposto a uma imagem de RM ponderada em T2 de um paciente NAT de 3 meses de idade que apresentou uma pontuação GCS inicial de 3, hemorragias retinais e lesão hipóxico-isquêmica difusa (uma) MRSI (PRESS TR / TE = 3000/144 ms 1,5 T) foi adquirido 1 dia após a lesão. (b) O mapa espectral mostra uma diminuição difusa de NAA e grandes picos de Lac invertidos (dupleto a 1,33 ppm B). Os picos Lac são invertidos como resultado do tempo de eco intermediário. O espectro da substância branca parieto-occipital direita mostra NAA acentuadamente diminuído e presença de Lac (c)

Os seguintes fatores complicam generalizações sobre os achados de MRS após TBI: o uso de proporções de metabólitos e diferenças em (i) regiões de interesse (ROI) (ii) sensibilidade da medição (isto é, SNR, volume parcial) (iii) idade do estudado população (iv) gravidade da lesão e tipo de TCE no grupo de pacientes e (v) duração do tempo entre a lesão e o estudo de MRS. Dada a heterogeneidade de lesão e variabilidade nos métodos de aquisição e locais amostrados, talvez não seja surpreendente que os resultados dos estudos nem sempre sejam consistentes, mesmo quando os pacientes são examinados em períodos pós-TCE semelhantes, por exemplo, George et al. (George et al., 2014) relataram uma redução de Cho / Cr no tálamo, enquanto a substância branca aumentada (Govind et al., 2010) e normal (Yeo et al., 2011) Cho foi relatada em TBI subagudo. No entanto, o consenso é que o NAA diminui, tanto em pacientes agudos quanto pós-agudos, com um achado secundário de aumento de Cho (Gardner et al., 2014 Kirov et al., 2018 Lin et al., 2012). Essas anormalidades parecem aumentar com a gravidade da lesão, conforme avaliado pela Escala de Coma de Glasgow (GCS), amnésia pós-traumática (PTA) e achados de ressonância magnética (Garnett et al., 2000 Govind et al., 2010) e, em geral, substância branca pode ser mais afetado do que cinza (Govind et al., 2010 Yeo et al., 2011). Em estudos que incluem lesões leves, a interpretação de estudos transversais também pode ser dificultada por um viés de recrutamento e lesão prévia em estudos agudos versus pós-agudos. É provável que os últimos estudos recrutem pacientes de um consultório médico, enviesando assim sua amostra para pacientes com pior resultado, enquanto o primeiro tenderia a recrutar todos os pacientes com TCE, a maioria dos quais se recuperará. De fato, estudos seriados no estágio agudo de TCE leve mostram normalizações de anormalidades (Vagnozzi et al., 2010, 2013, 2008 Yeo et al., 2011), incluindo a recuperação de NAA / Cr (Vagnozzi et al., 2010, 2008 ) Em contraste, o NAA / Cr diminui ao longo do tempo em coortes de TCE moderado e grave (Garnett et al., 2000), onde menos pessoas terão uma boa recuperação. Outro aspecto a considerar em relação ao resultado é que as anormalidades de Cr e Cho provavelmente representam processos diferentes nos estágios agudo e pós-TCE agudo (Lin et al., 2012). Isso é importante porque os achados iniciais podem refletir processos reversíveis, enquanto medições posteriores podem refletir um mecanismo de longo prazo responsável pelo comprometimento clínico.

O TCE na população pediátrica também desafia a generalização, pois existem vários tipos distintos de lesões que estão associados a diferentes idades nesta população: trauma não acidental (NAT geralmente 2 anos de idade ou menos), acidentes automobilísticos versus pedestres (idade escolar), e contusões / lesões esportivas e acidentes com veículos automotores (adolescência). Além disso, o teste neuropsicológico torna-se problemático ao tentar incluir uma grande faixa etária em uma coorte pediátrica, uma vez que o teste varia com a idade e nem sempre pode ser diretamente comparado. Em estudos de pesquisa, muitos desses desafios são mitigados pelo recrutamento de controles de mesma idade, uma questão discutida abaixo e no artigo complementar nesta edição especial focada no TCE pediátrico moderado / grave (Dennis et al., 2019).

MRS na previsão de resultados

MRS não é apenas uma ferramenta para avaliar a presença e extensão de uma lesão (como em estudos agudos), mas também pode ser usada como um preditor inicial de resultados futuros. Quando aplicado de forma pós-aguda, pode identificar anormalidades metabólicas em curso que estão por trás de déficits funcionais persistentes. Os estudos de MRS foram usados ​​para predição de desfecho clínico em populações pediátricas e adultas, revisadas a seguir separadamente para lesões leves versus lesões mais graves.

Em crianças com TCE moderado / grave, os estudos de MRS agudo mostraram reduções no NAA e elevações no Cho. Essas anormalidades se correlacionam com resultados neurológicos e neuropsicológicos posteriores (Ashwal et al., 2000 Babikian et al., 2006), com NAA reduzido em regiões subcorticais, predizendo fortemente desfechos cognitivos ruins em longo prazo (Babikian et al., 2006). Avaliações pós-agudas ou crônicas mostraram alterações neurometabólicas semelhantes (Yeo et al., 2006), com correlações observadas com funcionamento neuropsicológico e comportamental (Babikian et al., 2010 Parry et al., 2004 Walz, Cecil, Wade, & # x00026 Michaud, 2008), e anormalidades contínuas em subgrupos de pacientes se correlacionam com trajetórias piores de resultados (Babikian et al., 2018). Semelhante a crianças com msTBI, pacientes adultos com TBI de gravidades de lesão variadas mostraram alterações generalizadas em todo o cérebro Cho e / ou NAA que estão correlacionadas com a gravidade da lesão, sintomatologia ou funcionamento neuropsicológico (Govindaraju et al., 2004 Govind et al., 2010 Kirov et al., 2013a, b Maudsley et al., 2015), bem como com resultados neurológicos brutos (Escala de Resultado de Glasgow GOS) em 3 meses após a lesão (Marino et al., 2007). Medições pós-agudas ou mais longas de diminuição de NAA / Cho nos gânglios da base também se correlacionaram com medidas neuropsicológicas de velocidade psicomotora, varredura motora e atenção (Ariza et al., 2004).

A utilidade prognóstica da MRS em lesões mais leves (incluindo concussões) tem se concentrado principalmente em lesões juvenis e esportivas. Em dois estudos de MRS em populações pediátricas, espectros em série foram coletados em vários pontos de tempo (72 h ou menos, 14 dias e após a recuperação dos sintomas), e nenhuma anormalidade metabólica foi observada, com resolução dos sintomas e normalização do funcionamento cognitivo no dia 14 ( Maugans, Farley, Altaye, Leach, & # x00026 Cecil, 2012). Por outro lado, em medidas pós-agudas de um grupo persistentemente sintomático, foram observadas reduções em NAA / Cr e NAA / Cho (Bartnik-Olson et al., 2014). Em atletas adultos, a diminuição da razão NAA / Cr observada durante 30 dias após a lesão, com uma recuperação modesta no dia 15, foi relatada, embora o autorrelato dos sintomas tenha resolvido no dia 3 (Vagnozzi et al., 2008). Em outro estudo, a redução de Cr no córtex pré-frontal dorsolateral direito foi correlacionada com marcadores de imagem estruturais e funcionais que parecem estar subjacentes a sintomas pós-concussivos persistentes (Dean et al., 2015). Além disso, níveis mais elevados de Cr na substância branca no período subagudo inicial (& # x0003c1 mês) foram preditivos de dificuldades de função executiva e estresse emocional (Gasparovic et al., 2009). Uma avaliação posterior subaguda (& # x0003e 1 mês) e crônica (& # x0003e 6 meses) identificou diminuições em Cho / Cr no tálamo e centrum semiovale, que se correlacionou com medidas cognitivas de reconhecimento e memória (George et al., 2014). Em conjunto, em estudos pediátricos e adultos, e em todas as faixas de gravidade, quando há anormalidades de MRS observadas em estudos agudos, essas anormalidades têm utilidade preditiva não apenas para resultados neurológicos brutos, mas também para déficits nas funções neurocognitivas. Os exames de MRS além do período agudo também mostraram utilidade para explicar a patobiologia de déficits cognitivos persistentes e outros déficits comportamentais (Bartnik-Olson et al., 2014). Idealmente, os modelos para avaliar o TBI irão incorporar biomarcadores de várias fontes, incluindo várias modalidades de neuroimagem, MRS e biomarcadores sanguíneos (Kawata et al., 2018), todos fornecidos no ponto de tempo ideal após a lesão para melhorar as informações de prognóstico, decisões de tratamento e paciente resultado (Manivannan et al., 2018). Por exemplo, biomarcadores sanguíneos, TC e RM convencional são úteis logo após a lesão, enquanto os níveis de metabólitos de MRS ou outras técnicas de imagem avançadas, como DTI, podem fornecer melhores informações de prognóstico medidas subagudamente.

Mecanismos distintos de lesão

O TCE pode resultar de vários mecanismos diferentes. Nas seções abaixo, a aplicação de MRS em trauma não acidental (NAT) em crianças, concussão relacionada a esportes e TCE militar são revisados. Embora esses mecanismos de lesão compartilhem algumas características patológicas comuns (por exemplo, disfunção metabólica, lesão da substância branca) com outras formas de trauma acidental, eles têm características biomecanicamente distintas que influenciam sua assinatura e resultado de MRS.

Trauma não acidental (NAT)

O neurotrauma causado por abuso infantil é comumente denominado NAT (trauma não acidental). NAT apresenta mecanismos de lesão complexos resultantes de vários tipos de lesão axonal que podem ocorrer no mesmo cérebro, incluindo lesão hipóxico-isquêmica designada como lesão axonal vascular e lesão axonal traumática difusa resultante de forças de aceleração-desaceleração (ou seja, bebê sacudido) (Dolinak & # x00026 Reichard, 2006 Gill et al., 2009). O traumatismo cerebral infligido é relatado como a principal causa de morte em crianças menores de 2 anos de idade. No entanto, lesões não fatais podem deixar a vítima com déficits neurológicos por toda a vida (Keenan et al., 2003 Theodore et al., 2005).As radiografias do esqueleto e a TC servem como abordagens de imagem iniciais para a suspeita de vítima de trauma abusivo, já que as lesões ósseas perdem apenas para as feridas na pele como sinais de maus-tratos infantis (Pfeiffer et al., 2018). Uma ressonância magnética de acompanhamento é frequentemente usada para avaliar a presença de suspeita de trombose da veia em ponte em pacientes com hematoma subdural, microhemorragias, lesão isquêmica ou lesão ligamentar do pescoço, e pode aumentar a especificidade para o diagnóstico de NAT (Colbert et al., 2010 Foerster et al., 2009 Hahnemann et al., 2015 Jacob et al., 2016 Suh et al., 2001).

A MRS também é útil para avaliar a lesão cerebral após o NAT e fornece informações sobre o neurometabolismo cerebral que diferem do TCE acidental. Como as vítimas de abuso geralmente são mais jovens do que as crianças que sofrem TCE acidental, as alterações espectrais normais associadas à maturação do cérebro devem ser levadas em consideração. Lesões NAT também tendem a ser eventos repetitivos e não isolados, complicando ainda mais a patobiologia se lesões subsequentes ocorrerem durante a recuperação. Um cérebro imaturo pode explicar por que o grau de dano neurológico sofrido em crianças após o NAT é frequentemente maior do que a gravidade aparente do trauma (Haseler et al., 1997). Além disso, bebês e crianças pequenas têm reflexos de proteção das vias aéreas menos maduros, o que os coloca em maior risco de insuficiência respiratória, conforme refletido nas taxas mais altas de intubação após NAT em comparação com TCE acidental (Ichord et al., 2007). A presença de Lac no espectro cerebral é frequentemente atribuída ao comprometimento da glicólise aeróbia e é um marcador específico e sensível de lesão hipóxico-isquêmica (HII). Além disso, o acúmulo de Lac foi relacionado a várias alterações fisiopatológicas associadas ao TBI, incluindo: liberação excessiva de glutamato, metabolismo mitocondrial e oxidativo desordenado e respostas sistêmicas ao trauma (Hovda et al., 1992 Krishnappa et al., 1999 Prasad et al., 1994). Lac é encontrado com mais frequência em espectros cerebrais de crianças após NAT e em combinação com NAA reduzido está associado a resultados ruins (Fig. 5 Aaen et al., 2010 Ashwal et al., 1997 Haseler et al., 1997 Makoroff et al., 2005). Como no TCE acidental, o NAA reduzido é um achado importante de MRS após o NAT, uma vez que reflete a lesão neuronal ou disfunção resultante de lesão traumática e hipóxico-isquêmica e, como resultado, é mais preditiva de resultado em longo prazo do que a presença de lactato sozinha. Conforme mostrado em um estudo MRSI, as reduções nas razões NAA / Cr foram mais preditivas do que os achados clínicos, como hemorragias retinianas ou presença de lactato isoladamente para previsão de resultados em longo prazo após NAT (Aaen et al., 2010).

uma. MRS é preditivo de resultado em TCE grave (Mountford et al., 2010). Espectros representativos adquiridos em controles saudáveis ​​(topo) e pacientes com lesão cerebral traumática grave com base no resultado. O segundo a partir do topo mostra espectros com bom resultado. O terceiro a partir do topo mostra um paciente em estado vegetativo persistente (EVP) e o espectro inferior mostra um paciente que morreu. Observe a diminuição do NAA, aumento do lactato e glutamato / glutamina com maior gravidade do resultado. Todos os espectros foram adquiridos em 1,5 T usando STEAM (TE = 30 ms) no cingulado posterior. b. A MRS é sensível a traumas cerebrais subconcussivos (Koerte et al. 2015). Jogadores de futebol profissional aposentados sem histórico de concussão, com a única exposição a impactos repetitivos na cabeça devido ao cabeceio da bola de futebol, e os atletas sem exposição a impactos na cabeça foram digitalizados usando PRESS (TE = 30 ms) na área cingulada posterior em 3 T. Em azul forte está o espectro médio de todos os controles e em vermelho estão os jogadores de futebol individuais. Houve um aumento significativo na colina e no mio-inositol encontrados nos jogadores de futebol, mostrando alterações espectroscópicas devido aos impactos subconcussivos

TBI relacionado a esportes

Com mais de 3,8 milhões de concussões ocorrendo apenas nos Estados Unidos, traumatismo cranioencefálico relacionado a esportes é uma das principais causas de TCE (Langlois et al., 2006). Ao contrário das incidências únicas de TCE leve discutidas anteriormente, o TCE relacionado ao esporte é de natureza mais repetitiva, com impactos múltiplos na cabeça ao longo de meses e anos. Por exemplo, um jogador de futebol americano médio recebe 652 golpes na cabeça que excedem 15 G & # x02019s de força por temporada (Broglio et al., 2011). Da mesma forma, implantações mais longas e repetidas expuseram os soldados a repetidas explosões (Eskridge et al., 2012). Isso é especialmente preocupante, pois a exposição a impactos cerebrais repetitivos pode levar ao desenvolvimento de encefalopatia traumática crônica (CTE), um distúrbio neurodegenerativo do cérebro que é marcado por um acúmulo de tau fosforilado e leva a problemas cognitivos, psicológicos, de memória e de humor posteriormente em vida (McKee et al., 2009). CTE, um diagnóstico confirmado apenas na autópsia, foi identificado em atletas e soldados e mostrou-se evidente mesmo em impactos subconcussivos repetitivos (Stern et al., 2013). O MRS é adequado para examinar os efeitos desses impactos potenciais, mesmo em um nível subconcussivo, dada sua alta sensibilidade a lesões (Fig. 4B Alosco et al., 2019 Chamard et al., 2013 Poole et al., 2014, 2015). A última década viu um aumento do interesse no uso de MRS para a avaliação de traumatismo cranioencefálico relacionado a esportes em configurações agudas, subagudas e crônicas de concussões.

Conforme descrito anteriormente, os estudos de lesões relacionadas ao esporte por Vagnozzi et al. (Vagnozzi et al., 2010, 2013, 2008) foram seminais na descrição das reduções das razões NAA / Cr pós-concussão e recuperação subsequente. Descobertas semelhantes de reduções em NAA / Cr no córtex motor e dorsolateral pré-frontal também foram mostradas junto com mudanças em Glu com o uso de MRS de eco curto (Henry et al., 2010, 2011). Usando 3D MRSI, outro estudo também encontrou reduções no NAA no corpo caloso uma a três semanas após a lesão (Johnson et al., 2012a, b). Nesse mesmo período, Friedman et al. (2017 Friedman et al., 2017) usaram MEGA-PRESS para examinar os níveis de GABA e encontraram aumento de GABA no lobo frontal, mas diminuição no cíngulo posterior em crianças com concussão relacionada a esportes. Outros estudos também usaram o MEGA-PRESS para acessar o atleta universitário & # x02019s no meio da temporada, mas não encontraram mudanças no GABA (Tremblay et al., 2014 Lefebvre et al., 2018). Manning et al. (Manning et al., 2017) examinaram jogadores de hóquei do sexo masculino dentro de 24 & # x0201372 h de lesão e 3 meses após a concussão e encontraram Cho diminuído na substância branca pré-frontal apenas no ponto de tempo de 3 meses.

Em uma população pediátrica de atletas, Bartnik-Olson et al. (Bartnik-Olson et al., 2014) usaram 3D MRSI e relataram diminuições em NAA / Cr e Cho no corpo caloso e na substância branca parietal 2 & # x0201312 meses após a lesão. Também na fase subaguda, ou seja, 6 meses a um ano após a lesão, também são relatadas diferenças de gênero. Por exemplo, Henry et al. (Henry et al., 2011) encontraram aumento de mI no córtex motor em atletas do sexo masculino, enquanto Charmard et al. (Chamard et al., 2013) encontraram quantidades diminuídas de ml tanto no córtex motor quanto no hipocampo.

Outros estudos se concentraram em lesões subconcussivas, utilizando um desenho de estudo onde os atletas foram examinados antes do início da temporada e novamente no final da temporada. Nestes estudos, os atletas não sofreram necessariamente uma concussão neste período de tempo, indicando que qualquer exposição ao traumatismo craniano seria provavelmente a um nível subconcussivo. Poole et al. (Poole et al., 2014) estudaram o córtex pré-frontal dorsolateral (DLPC) e o córtex motor primário em pontos de tempo pré, médio e pós-temporada e descobriram que, em relação aos controles de esportes sem contrato, os jogadores de futebol exibiram redução de Cr e mI em o DLPFC e Glx, Cr, Cho no córtex motor. Um estudo de acompanhamento incluindo medidas de telemetria de impacto de cabeça mostrou que no DLPFC, o número de 60 acertos G correlacionou-se inversamente com as concentrações de Cr e mI e as métricas de acerto previram mudanças de NAA e Cho. No córtex motor, a duração da exposição foi o preditor mais forte de Glx e que se correlacionou negativamente com o número de acertos, e Cr se correlacionou positivamente com o número total de acertos experimentados na semana anterior. Chamard et al. (Chamard et al., 2013) também encontraram diminuições significativas em NAA / Cr no corpo caloso ao longo de uma temporada em jogadoras de hóquei no gelo sem histórico de concussão, mas não em jogadores homens de hóquei no gelo.

Dada a preocupação com o CTE e seu impacto sobre os atletas profissionais aposentados, vários estudos se concentraram nos efeitos de anos de traumatismo craniano repetitivo, examinando atletas aposentados e controles. De Beaumont et al. (De Beaumont et al., 2013) mostrou Glu reduzida no córtex motor em ex-atletas universitários. Lin et al. (Lin et al., 2015), entretanto, mostraram aumento de Glu, mas no cingulado posterior, bem como aumento de Cho em um estudo preliminar com atletas profissionais aposentados. Este estudo foi então seguido em uma coorte maior de atletas aposentados da NFL, onde o achado primário foi uma diminuição do NAA na substância branca parietal e reduções de Cr (Alosco et al., 2019). Em um estudo com jogadores de rugby com regras australianas, o achado mais significativo foi uma redução na glutationa e mI no cíngulo posterior (Gardner et al., 2014). A exposição crônica a lesões subconcussivas também foi explorada em um estudo com jogadores de futebol profissional aposentados que nunca relataram uma concussão durante sua carreira, mas foram expostos a impactos subconcussivos na cabeça por meio do cabeceio da bola de futebol (Koerte et al., 2015). Este estudo encontrou aumentos de Cho e mI no cíngulo posterior em atletas com histórico de cabeceio em comparação com aqueles que não o fizeram (Fig.4b). O aumento em mI também se correlacionou com o número autorreferido de cabeçadas da bola de futebol.

Os estudos de MRS de traumatismo cranioencefálico relacionado a esportes são consistentes com outros tipos de lesão cerebral com reduções no NAA, aumento na colina e glutamato e reduções na creatina. As mudanças observadas em estudos de lesão subconcussiva demonstram a sensibilidade das medidas de MRS. Além disso, eles também fornecem informações sobre os mecanismos potenciais de lesão, como a neuroinflamação. Embora pareça haver um efeito cumulativo de lesões repetitivas, os padrões observados não são tão simples quanto as mudanças cumulativas nos metabólitos cerebrais. Embora as alterações do NAA sejam encontradas, não são tão pronunciadas quanto seria de se esperar. Mudanças em mI apontam para outras mudanças que ocorrem no cérebro, talvez para o impacto nas células gliais, além da lesão neuronal refletida nas reduções de NAA (Kierans et al. 2014 Ashwal et al. 2004). À medida que a literatura cresce nessa área de pesquisa, a MRS desempenhará um papel importante no fornecimento de informações sobre as alterações fisiopatológicas subjacentes da lesão cerebral repetitiva.

TBI militar

Tem havido uma surpreendente escassez de estudos sobre TCE militar. Hetherington et al. (Hetherington et al., 2014) examinou 25 veteranos pelo menos 1 ano após a exposição a 1 ou mais explosões e os comparou a controles saudáveis ​​pareados por idade e sexo, sem histórico de lesão cerebral a 7 T. Os resultados do estudo mostraram que os veteranos teve diminuição significativa das razões NAA / Cr e NAA / Cho (possível aumento de Cho) semelhante ao traumatismo cranioencefálico relacionado a esportes. Uma das descobertas interessantes, particularmente para uma coorte militar, foi que não houve diferença significativa entre indivíduos com TCE com e sem estresse pós-traumático, ansiedade, depressão ou dependência de álcool, que são as principais comorbidades no TCE militar. Isso é surpreendente, dado que os estudos de MRS em militares com PTSD mostraram mudanças no hipocampo, como diminuição da NAA e mudanças em Cho (Brown et al., 2003 Freeman et al., 1998 Kimbrell et al., 2005 Schuff et al., 2001 ) que pode ter mostrado um efeito de combinação. Mariano et al. (Mariano et al. 2017), examinou vários coortes diferentes de militares veteranos com e sem mTBI e PTSD e encontrou diferenças nas regiões do espectro, incluindo Glu, GABA, Cr e Lac. Os classificadores baseados nessas características exibiram taxas de classificação correta de 80% ou melhores na validação cruzada, demonstrando que o MRS tem o potencial de ser usado para diferenciar entre as diferentes condições.


Resultados

Imagem de ressonância magnética padrão

T1 a imagem era normal em 61% dos pacientes e T2* normal em 25%. Microssangramentos intraparenquimatosos definitivos e possíveis indicativos de lesão axonal difusa foram encontrados em 50% dos pacientes (11 homens, idade média 38,9 ± 9,9 anos, tempo médio desde a lesão 26 meses grupo sem hemorragia 10 homens, idade média 38,9 ± 14,5 anos, média tempo decorrido desde a lesão 25 meses). O número médio de microbleeds conforme identificado usando a Escala de Avaliação Anatômica de Microbleed (Gregoire et al., 2009) foi de sete (intervalo de 1 a 19). Microbleeds foram encontrados principalmente na substância branca frontal e temporal bilateralmente. Havia pouca sobreposição na localização dos danos na substância branca. Lesões corticais foram encontradas em 39% de todos os pacientes e foram vistas principalmente nas regiões frontal e temporal. Novamente, houve uma quantidade relativamente pequena de sobreposição da lesão (Fig. 1, consulte o Material Suplementar para obter mais detalhes). Anormalidade do sinal de ressonância magnética indicativa de siderose superficial foi encontrada em 43% dos pacientes, principalmente sobre os córtices frontal bilateral e temporal direito. É provável que isso seja secundário à deposição crônica de hemossiderina como resultado de hemorragia subdural ou subaracnoide no momento da lesão.

Mapas de probabilidade de lesão de (UMA) lesões de substância branca visíveis na imagem de eco gradiente e (B) contusões. A barra colorida indica o número de pacientes com lesões em cada local. Verde-amarelo indica onde as lesões estavam presentes em três (11%) dos 28 pacientes com lesão cerebral traumática, rosa indica onde estavam presentes em dois (7%) e azul onde a lesão foi encontrada em apenas um paciente.

Mapas de probabilidade de lesão de (UMA) lesões de substância branca visíveis na imagem de eco gradiente e (B) contusões. A barra colorida indica o número de pacientes com lesões em cada local. Verde-amarelo indica onde as lesões estavam presentes em três (11%) dos 28 pacientes com lesão cerebral traumática, rosa indica onde elas estavam presentes em dois (7%) e azul onde a lesão foi encontrada em apenas um paciente.

Função cognitiva

O grupo de pacientes superou o grupo de controle em termos de capacidade intelectual atual média, conforme indexado pela Escala Abreviada de Semelhanças de Inteligência de Wechsler e Raciocínio Matricial, controlada por idade. No entanto, os pacientes mostraram um padrão de deficiências cognitivas específicas características de lesão cerebral traumática (Ponsford e Kinsella, 1992 Levin e Kraus, 1994 Levin, 1995 Scheid et al., 2006 Draper e Ponsford, 2008). Assim, controlando a capacidade intelectual, eles mostraram: (i) aprendizagem associativa e memória prejudicadas no Teste de Pessoas (ii) funcionamento executivo prejudicado, conforme demonstrado por ineficiências no Teste de Trilha, inibição / troca de cor-palavra e Fluência de letras e ( iii) velocidade de processamento de informação prejudicada na tarefa de reação de escolha e todas as outras medidas de velocidade de processamento, além da leitura de palavras.

Perturbação generalizada da substância branca após lesão cerebral traumática

A comparação de pacientes com lesão cerebral traumática e controles da mesma idade revelou que a maioria da substância branca mostrou alguma evidência de interrupção no grupo de lesão cerebral traumática. As diferenças entre os grupos foram mais claras para anisotropia fracionada e difusividade média, com diferenças menos extensas, mas ainda marcadas, vistas para difusividade axial e diferenças muito mais limitadas vistas para difusividade radial. Anisotropia fracionada inferior foi encontrada no grupo com lesão cerebral traumática em fibras inter-hemisféricas (joelho, corpo e esplênio do corpo caloso) e fibras de associação intra-hemisférica dos fascículos uncinados, fascículos longitudinais inferiores e superiores, fascículos fronto-occipitais inferiores e o feixe do cíngulo. Anisotropia fracionada inferior também foi encontrada nas fibras de projeção dos tratos corticopontino e corticoespinhal, bem como nos fórnices, nas projeções talâmicas anteriores e posteriores, nas pinças maior e menor, nos membros anterior e posterior da cápsula interna e na coroa anterior. (Fig. 2A). O mesmo contraste mostrou difusividade média mais elevada para os pacientes em localizações semelhantes à anisotropia fracionada inferior, mas de forma mais extensa no fascículo longitudinal superior esquerdo e também na cápsula externa bilateralmente (fig. 2B). Difusividade axial elevada no grupo com lesão cerebral traumática foi observada em vários tratos, incluindo o corpo caloso, fascículos uncinados bilaterais, os fascículos longitudinais superiores e inferiores direitos, o feixe do cíngulo bilateralmente subjacente ao córtex cingulado posterior, os tratos corticospinais, os fórnices, o anterior radiações talâmicas bilateralmente, as pinças maior e menor e os membros anterior e posterior da cápsula interna (fig. 2C). A difusividade radial foi maior para os pacientes no corpo caloso, o fascículo longitudinal superior direito, a substância branca parietal posterior / medial direita subjacente aos córtices cingulado posterior e pré-cuneiforme, os fórnices, as radiações talâmicas anteriores bilaterais e a pinça menor, mas a um limite extensão apenas (Fig. 2D). Não houve regiões de substância branca que mostraram anisotropia fracionada mais alta, ou difusividades médias axiais ou radiais mais baixas no grupo de pacientes.

Perturbação generalizada da substância branca após lesão cerebral traumática. Fatias axiais dos resultados de (UMA) anisotropia fracionada (FA), (B) difusividade média (MD), (C) difusividade axial (Dmachado) e (D) difusividade radial (Drad) TBSS contrasta entre lesão cerebral traumática e grupos de controle. Anisotropia fracionada (vermelho): controles & gt lesão cerebral traumática difusividade média (azul escuro): lesão cerebral traumática & gt controles Dmachado (amarelo): lesão cerebral traumática & gt controles e Drad (azul claro): lesão cerebral traumática e controles gt. Os contrastes são sobrepostos em um Montreal Neurological Institute 152 T padrão1 Cérebro de 1 mm e o esqueleto de anisotropia fracionária média (em verde) com limites de exibição definidos para variar de 0,2 a 0,8. Os resultados são limitados em P ≤ 0,05, corrigido para comparações múltiplas.

Perturbação generalizada da substância branca após lesão cerebral traumática. Fatias axiais dos resultados de (UMA) anisotropia fracionada (FA), (B) difusividade média (MD), (C) difusividade axial (Dmachado) e (D) difusividade radial (Drad) TBSS contrasta entre lesão cerebral traumática e grupos de controle. Anisotropia fracionada (vermelho): controles & gt lesão cerebral traumática difusividade média (azul escuro): lesão cerebral traumática & gt controles Dmachado (amarelo): lesão cerebral traumática & gt controles e Drad (azul claro): lesão cerebral traumática e controles gt. Os contrastes são sobrepostos em um Montreal Neurological Institute 152 T padrão1 Cérebro de 1 mm e o esqueleto de anisotropia fracionária média (em verde) com limites de exibição definidos para variar de 0,2 a 0,8. Os resultados são limitados em P ≤ 0,05, corrigido para comparações múltiplas.

Em seguida, examinamos se o tempo desde a lesão influenciou essas diferenças de grupo na estrutura da substância branca. Sua influência foi observada principalmente na difusividade axial e difusividade média. A difusividade axial elevada foi correlacionada com o aumento do tempo desde a lesão (R = 0.49, P & lt 0,01), um efeito que estava presente ao controlar a idade do paciente (Rparcial = 0.45, P & lt 0,05). Um resultado semelhante foi encontrado para difusividade média (R = 0.55, P & lt 0,01 Rparcial = 0.46, P & lt 0,05). O tempo decorrido desde a lesão não foi correlacionado com anisotropia fracionada ou difusividade radial, uma vez que a idade do paciente foi controlada.

Pacientes com evidência de microssangre de lesão axonal difusa mostram danos mais extensos na substância branca

Como esperado, a comparação de pacientes com microssangre e aqueles sem (sem microssangre) revelou evidências de interrupção mais severa no grupo com microssangre em grandes partes da substância branca. Anisotropia fracionada significativamente menor para o contraste de pacientes com hemorragia microbiana e não hemorrágica foi observada no corpo e no esplênio do corpo caloso, bem como bilateralmente dentro dos fascículos longitudinais inferiores, os tratos corticopontina / corticospinais, os fórnices, as radiações talâmicas, o cápsulas internas e externas e dentro das estruturas da substância branca do mesencéfalo (a decussação dos pedúnculos cerebelares superiores Fig. 3A). Houve também difusividade média mais alta para os pacientes com microssangues em grande parte correspondendo aos locais da anisotropia fracionada inferior, incluindo fascículos longitudinais inferiores bilaterais, os tratos corticospinais bilateralmente, os fórnices, radiações talâmicas anteriores bilaterais, os membros posteriores da cápsula interna e o cápsula externa. Além disso, a difusividade média mais alta foi observada nos fascículos longitudinais superiores, o feixe do cíngulo bilateralmente subjacente aos córtices cingulado posterior e retroesplenial e as pinças maior e menor, mas apenas no corpo posterior e no esplênio do corpo caloso (Fig. 3B) . Os pacientes com micro-hemorragias também mostraram difusividade radial significativamente elevada em vários tratos de substância branca (Fig. 3C). Esses correspondiam aos tratos que apresentavam menor anisotropia fracionada ou maior difusividade média (ou ambos), exceto os fascículos longitudinais superiores e a pinça menor à direita que apresentava maior difusividade média na ausência de difusividade radial elevada. Na difusividade axial, não houve diferenças de grupo entre os pacientes com e sem microssangre. Novamente, não houve regiões de substância branca que mostraram anisotropia fracionada elevada ou média inferior, difusividades axiais ou radiais no grupo com micro-hemorragia.

Pacientes com evidência de microssangre de lesão axonal difusa apresentam danos mais extensos na substância branca. Os resultados de (UMA) anisotropia fracionada (FA), (B) difusividade média (MD) e (C) difusividade radial (Drad) O TBSS contrasta entre grupos de pacientes com e sem evidência de microssangue de lesão axonal difusa. Anisotropia fracionária (vermelho): difusividade média não microbiológica & gt microbangeada (azul escuro): microbangueada & gt não microbangeada e Drad (azul claro): microbleed & gt non-microbleed. Os contrastes são sobrepostos em um Montreal Neurological Institute 152 T padrão1 Cérebro de 1 mm e o esqueleto médio de anisotropia fracionada (em verde). Os resultados são limitados em P ≤ 0,05, corrigido para comparações múltiplas.

Pacientes com evidência de microssangre de lesão axonal difusa apresentam danos mais extensos na substância branca. Os resultados de (UMA) anisotropia fracionada (FA), (B) difusividade média (MD) e (C) difusividade radial (Drad) O TBSS contrasta entre os grupos de pacientes com e sem evidência de microssangue de lesão axonal difusa. Anisotropia fracionária (vermelho): difusividade média não microbiológica & gt microbangeada (azul escuro): microbangueada & gt não microbangeada e Drad (azul claro): microbleed & gt non-microbleed. Os contrastes são sobrepostos em um Montreal Neurological Institute 152 T padrão1 Cérebro de 1 mm e o esqueleto médio de anisotropia fracionada (em verde). Os resultados são limitados em P ≤ 0,05, corrigido para comparações múltiplas.

Pacientes sem microssangre também mostram evidências de danos à substância branca

Para avaliar se o DTI é mais sensível à presença de dano à substância branca do que a imagem gradiente-eco, comparamos os pacientes sem micro-hemorragias (o grupo sem micro-hemorragia) com os controles. Anisotropia fracionada significativamente mais baixa foi encontrada em pacientes sem micro-hemorragias no corpo e joelho do corpo caloso, ambos os tratos corticopontinos e a pinça maior direita (fig. 4A). A difusividade média foi significativamente elevada no grupo não microbiológico em vários tratos, incluindo o corpo caloso, o feixe do cíngulo bilateralmente, os tratos corticopontino / corticospinais, os fórnices, as pinças maior e menor e os membros anterior e posterior da cápsula interna, mais à direita (Fig. 4B). A difusividade axial foi maior para os pacientes sem microssangues em locais amplamente correspondentes àqueles em que a difusividade média também foi elevada, incluindo o corpo caloso (exceto o rostro), os fórnices e o feixe do cíngulo bilateralmente, mas não na cápsula interna ou na fórceps maior e menor (Fig. 4C). Não houve diferenças significativas entre os grupos na difusividade radial. Também não houve regiões onde a anisotropia fracionada foi elevada, ou difusividades axial ou radial média mais baixa no grupo não microbiano em comparação com os controles. Esses resultados demonstram a presença de anormalidades na substância branca em pacientes sem microssangre na imagem gradiente-eco. Como esperado, os mesmos contrastes entre pacientes com microssangre e controles saudáveis ​​mostraram extensas anormalidades na substância branca dos pacientes (Fig. 1 complementar).

Pacientes sem microssangre também apresentam evidências de danos à substância branca. Os resultados de (UMA) anisotropia fracionada (FA), (B) difusividade média (MD) e (C) difusividade axial (Dmachado) O TBSS contrasta entre pacientes sem evidência de microssangue de lesão axonal difusa (sem microssangre) e controles. Anisotropia fracionada (vermelho): controles & gt não microbiológicos, difusividade média (azul escuro): não microbiológicos & gt controles e Dmachado (amarelo): controles não microbiológicos & gt. Os contrastes são sobrepostos em um Montreal Neurological Institute 152 T padrão1 Cérebro de 1 mm e o esqueleto médio de anisotropia fracionada (em verde). Os resultados são limitados em P ≤ 0,05, corrigido para comparações múltiplas.

Pacientes sem microssangre também apresentam evidências de danos à substância branca. Os resultados de (UMA) anisotropia fracionada (FA), (B) difusividade média (MD) e (C) difusividade axial (Dmachado) TBSS contrasta entre pacientes sem evidência de microssangre de lesão axonal difusa (não microssangre) e controles. Anisotropia fracionada (vermelho): controles & gt não microbiológica, difusividade média (azul escuro): não microbiana & gt controles e Dmachado (amarelo): controles não microbiológicos & gt. Os contrastes são sobrepostos em um Montreal Neurological Institute 152 T padrão1 Cérebro de 1 mm e o esqueleto médio de anisotropia fracionada (em verde). Os resultados são limitados em P ≤ 0,05, corrigido para comparações múltiplas.

Pacientes classificados como tendo sofrido uma lesão cerebral traumática "leve" apresentam anormalidades na substância branca

Também examinamos a relação entre a gravidade da lesão cerebral traumática, conforme definido usando o sistema de classificação de Mayo (Malec et al., 2007) e danos à substância branca. Embora o grupo leve consistisse de apenas oito pacientes, eles apresentaram anisotropia fracionada mais baixa em comparação com os controles em uma ampla gama de tratos (Fig. 2A complementar). Estes incluíam os fórnices, o feixe do cíngulo bilateralmente, o corpo caloso, o membro anterior da cápsula interna direita, a cápsula externa esquerda, os fascículos fronto-occipitais inferiores, o fascículo longitudinal superior esquerdo, a pinça maior e menor bilateralmente, o anterior radiações talâmicas bilateralmente e os tratos corticospinais. Os pacientes leves também mostraram difusividade média elevada em tratos semelhantes, mas mais disseminados, com diferenças adicionais vistas nas cápsulas internas e externas bilateralmente e nos fascículos longitudinais superiores (Fig. 2B complementar). A difusividade axial foi maior para os pacientes leves do que os controles no corpo caloso, os fascículos fronto-occipitais inferiores, os feixes do cíngulo posterior, o fascículo longitudinal superior esquerdo, os membros posteriores da cápsula interna, os tratos corticospinais e ambas as radiações talâmicas anteriores ( Fig. 2C complementar). Os pacientes leves apresentaram maior difusividade axial do que os moderados / graves no corpo e joelho do corpo caloso, diferença que ainda estava presente após o controle do tempo decorrido desde a lesão. Não houve outras diferenças em qualquer uma das métricas de DTI entre os pacientes leves e moderados / graves. Como esperado, houve diferenças muito generalizadas na anisotropia fracionada (controles & gt pacientes) e difusividades média e axial (pacientes & gt controles) entre pacientes moderados / graves e controles. Essas diferenças foram vistas dentro dos fórnices, corpo caloso, todas as principais associações intra-hemisféricas e fibras de projeção, as cápsulas interna e externa e a coroa radiata superior e anterior. As medidas de difusividade radial não foram diferentes entre nenhum dos três grupos.

A relação entre a estrutura da substância branca e a função cognitiva

Memória associativa

Em pacientes e controles, encontramos evidências de que a estrutura dos fórnices prediz o desempenho da memória associativa. Como esperado, a anisotropia fracionada dentro do fórnice foi positivamente correlacionada com a memória, mostrando que indivíduos com mais substância branca anisotrópica dentro do fórnice tiveram melhor desempenho. Essa relação entre anisotropia fracionada e memória associativa foi observada em ambos os grupos de pacientes e normais (Fig. 5A). Usando o teste de permutação rigoroso que empregamos, esta relação foi de significância limítrofe, quando corrigida para múltiplas comparações em todo o cérebro (P & lt 0,06 no fórnice direito, voxel de pico: x = 7, y = −5, z = 9 e P & lt 0,07 no fórnice esquerdo, voxel de pico: x = −2, y = −16, z = 17). No pico de voxel dentro do fórnice, a anisotropia fracionada foi significativamente correlacionada com nossa medida de aprendizagem associativa e memória em ambos os grupos (R 2 = 0.25, P & lt 0,001). O TBSS testa as relações lineares entre a estrutura da substância branca e as variáveis ​​cognitivas, mas essa relação pode não ser melhor modelada linearmente, como sugerido pela Fig. 5B. Por esse motivo, ajustamos uma inclinação de regressão polinomial de segunda ordem, que modela os dados com mais precisão (R 2 = 0.33, P & lt 0,0001). Essa relação era específica para a formação do hipocampo, pois não havia regiões significativas fora dela onde a anisotropia fracionada estava correlacionada com a medida da função de memória. A relação também estava presente ao controlar a capacidade intelectual (Rparcial = 0.48, P & lt 0,001), e uma ANCOVA com gravidade como o fator entre sujeitos não mostrou interação significativa entre gravidade e anisotropia fracionada no pico de voxel da relação fórnice / memória. Não foram observadas correlações significativas entre aprendizagem associativa e memória e estrutura da substância branca para qualquer uma das três difusividades.

Os resultados da análise de regressão TBSS de aprendizagem associativa e memória (total de recordação imediata do People Test) por anisotropia fracionada (FA) em todos os grupos de controle e lesão cerebral traumática. (UMA) As áreas onde a anisotropia fracionada está positivamente correlacionada com a pontuação de recordação do People Test (PT) nos dois grupos são indicadas em vermelho (FA / PT: ALL +). O resultado é sobreposto em um Montréal Neurological Institute 152 T1 Cérebro de 1 mm e o esqueleto médio de anisotropia fracionada (em verde). Para fins de exibição, o resultado é exibido com um limite de múltiplas comparações de P ≤ 0.1. (B) Gráfico mostrando pontos de dados individuais em ambos os grupos para a pontuação de recall do People Test contra anisotropia fracionada no voxel de pico (Montréal Neurological Institute x = 7, y = −5, z = 9). Um declive de regressão polinomial de segunda ordem é mostrado, o que fornece um ajuste mais preciso do que a regressão linear identificada pela análise de modelo linear geral do cérebro inteiro. CON = TCE de controle = lesão cerebral traumática.

Os resultados da análise de regressão TBSS de aprendizagem associativa e memória (total de recordação imediata do People Test) por anisotropia fracionada (FA) em todos os grupos de controle e lesão cerebral traumática. (UMA) As áreas onde a anisotropia fracionada está positivamente correlacionada com a pontuação de recordação do People Test (PT) nos dois grupos são indicadas em vermelho (FA / PT: ALL +). O resultado é sobreposto em um Montreal Neurological Institute 152 T padrão1 Cérebro de 1 mm e o esqueleto médio de anisotropia fracionada (em verde). Para fins de exibição, o resultado é exibido com um limite de múltiplas comparações de P ≤ 0.1. (B) Gráfico mostrando pontos de dados individuais em ambos os grupos para a pontuação de recall do People Test contra anisotropia fracionada no voxel de pico (Montréal Neurological Institute x = 7, y = −5, z = 9). Um declive de regressão polinomial de segunda ordem é mostrado, o que fornece um ajuste mais preciso do que a regressão linear identificada pela análise de modelo linear geral do cérebro inteiro. CON = TCE de controle = lesão cerebral traumática.

Função executiva

Uma relação mais complexa entre a estrutura da substância branca e a função executiva foi observada. Não houve relação entre nossas medidas de função executiva e anisotropia fracionada, mas uma relação significativa foi observada entre set-shifting, medida pelo índice de custo de troca alternada do Trail Making Test e difusividade média e radial. Aumentos nas difusividades média e radial foram relatados anteriormente após lesão cerebral traumática (Kraus et al., 2007 Sidaros et al., Kennedy 2008 et al., 2009) e parecem indicar lesão axonal. Na análise do cérebro inteiro, o grupo de pacientes mostrou uma correlação esperada entre difusividade média elevada e disfunção executiva. Pacientes com difusividade média elevada na substância branca frontal superior esquerda apresentaram pior desempenho. Uma análise subsequente dentro de todos os voxels significativos confirmou esta relação (Rparcial = 0.75, P & lt 0,001), controlando a capacidade intelectual. Não houve tal relação no grupo controle saudável, nos grupos combinados ou na interação entre os grupos.

Uma interação de grupo altamente significativa foi observada entre difusividade radial e custo de troca alternada (cérebro inteiro corrigido em P & lt 0,01). Isso foi um contraste marcante com nosso resultado para a relação entre anisotropia fracionada e aprendizagem associativa e memória, onde um efeito semelhante foi visto entre os grupos. Os voxels onde os dois grupos mostraram relações distintas com a função executiva foram vistos particularmente nas conexões da substância branca frontal, incluindo o feixe do cíngulo, o corpo e joelho do corpo caloso, o fascículo longitudinal superior direito e o trato corticospinal direito (Fig. 6A) . O pico de intensidade do efeito foi encontrado em um voxel na substância branca parietal posterior / medial direita, entre o fascículo longitudinal superior e o feixe do cíngulo. Neste voxel, houve uma correlação positiva entre as variáveis ​​no grupo de pacientes (R 2 = 0.30, P & lt 0,01), mas nenhuma relação significativa no grupo de controle (Fig. 6B). Um resultado semelhante surgiu quando examinamos todos os voxels mostrando o efeito de interação significativo, com uma relação positiva observada entre as variáveis ​​no grupo de pacientes (R 2 = 0.17, P & lt 0,05), mas nenhuma relação foi encontrada para os controles. Portanto, os pacientes com maior difusividade radial nessas regiões de substância branca apresentaram maior comprometimento executivo. Esta relação no grupo de pacientes permaneceu significativa após o controle da capacidade intelectual (Rparcial = 0.53, P & lt 0,01 no voxel de pico e Rparcial = 0.43, P & lt 0,05 em todos os voxels significativos). Uma ANCOVA com gravidade como o fator entre sujeitos não mostrou interação significativa entre gravidade e difusividade radial no voxel de pico ou em todos os voxels significativos.

Os resultados da análise de regressão TBSS da interação do grupo entre custo de troca alternada (Trail Making Test Trails B menos Trail A) e difusividade radial (Drad) no traumatismo cranioencefálico e nos grupos de controle. (UMA) Resultados da análise de todo o cérebro com áreas significativas do efeito de interação para Drad (TBI + / CON−) mostrado em azul claro. Os resultados são limitados em P ≤ 0,01, corrigido para comparações múltiplas e sobreposto em um Montréal Neurological Institute 152 T1 Cérebro de 1 mm e o esqueleto médio de anisotropia fracionada (em verde). (B) Gráfico ilustrando declives de regressão linear para cada grupo e pontos de dados individuais para custo de troca alternada em relação a Drad no pico do voxel (Montréal Neurological Institute x = 18, y = −38, z = 36) do efeito de interação. Drad os valores são expressos como mm 2 / s × 10 −3 para conveniência de exibição. CON = TCE de controle = lesão cerebral traumática.

Os resultados da análise de regressão TBSS da interação do grupo entre custo de troca alternada (Trail Making Test Trails B menos Trail A) e difusividade radial (Drad) no traumatismo cranioencefálico e nos grupos de controle. (UMA) Resultados da análise do cérebro inteiro com áreas significativas do efeito de interação para Drad (TBI + / CON−) mostrado em azul claro. Os resultados são limitados em P ≤ 0,01, corrigido para comparações múltiplas e sobreposto em um Montréal Neurological Institute 152 T1 Cérebro de 1 mm e o esqueleto médio de anisotropia fracionada (em verde). (B) Gráfico ilustrando declives de regressão linear para cada grupo e pontos de dados individuais para custo de troca alternada em relação a Drad no pico do voxel (Montréal Neurological Institute x = 18, y = −38, z = 36) do efeito de interação. Drad os valores são expressos como mm 2 / s × 10 −3 para conveniência de exibição. CON = controle TCE = traumatismo cranioencefálico.

Também analisamos cada grupo separadamente.No grupo de controle, uma relação negativa inesperada foi encontrada entre a função executiva e a difusividade radial, em que o aumento da difusividade radial foi relacionado a uma melhor função executiva. Essa relação foi observada em partes do corpo caloso, o fascículo longitudinal superior e o feixe do cíngulo. Essa análise identificou um conjunto de voxels que se sobrepôs apenas parcialmente aos resultados da análise de interação. Não houve relação significativa entre a função executiva e difusividade radial no grupo de pacientes sozinho na análise do cérebro inteiro, mas o padrão de correlação foi reverso para o grupo de controle. Essas duas análises mostram que existe uma relação complexa entre a função executiva e a estrutura da substância branca, com voxels em diferentes partes da substância branca mostrando diferentes relações estrutura-função no cérebro saudável e danificado.

A anisotropia fracionária e a difusividade axial não foram associadas à mudança de configuração, conforme indexado pelo custo de troca alternada no Teste de Trail Making. Além disso, as outras duas funções executivas investigadas (ou seja, flexibilidade cognitiva e fluência na geração de palavras) não mostraram uma relação significativa com nenhuma das medidas de DTI.

Velocidade de processamento da informação

Na análise do cérebro inteiro, a velocidade de processamento da informação, medida pelo tempo de reação médio para respostas precisas na tarefa de reação de escolha, não foi encontrada significativamente associada a qualquer índice de estrutura da substância branca.

Difusividade axial elevada após lesão cerebral traumática e função cognitiva

Foi demonstrado anteriormente que os pacientes que apresentam aumentos relativamente grandes na difusividade axial no primeiro ano após o traumatismo cranioencefálico têm um resultado mais favorável (Sidaros et al., 2008). Isso levanta a possibilidade de que a difusividade axial elevada pós-traumatismo cranioencefálico seja um marcador de recuperação axonal. Sidaros et al. (2008) observaram aumentos no membro posterior da cápsula interna, uma via motora descendente com uma estrutura e arquitetura normais bem conhecidas (Pierpaoli et al., 2001). Isso nos levou a realizar uma análise focada da difusividade axial dentro desta parte da substância branca. Testamos correlações parciais entre difusividade axial e as cinco variáveis ​​cognitivas descritas acima, controlando para idade, tempo desde a lesão cerebral traumática e capacidade intelectual atual. A velocidade de processamento foi negativamente correlacionada com a difusividade axial (Rparcial = −0.55, P & lt 0,01), de modo que os pacientes com a difusividade axial mais alta no membro posterior da cápsula interna tiveram os tempos de reação mais rápidos. Nenhuma das outras quatro variáveis ​​cognitivas mostrou uma relação significativa com a difusividade axial.


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Métodos

Pacientes e sujeitos de controle

O estudo foi aprovado por nosso comitê de ética local, e o consentimento informado dos indivíduos foi obtido. Nós investigamos 21 pacientes com TCE leve (12 homens e 9 mulheres com idade média ± DP, 32 ± 9 anos), que foi definido como traumatismo cranioencefálico com uma pontuação inicial na Escala de Coma de Glasgow (GCS) igual ou superior a 13. O traumatismo cranioencefálico foi causada por acidente de trânsito em 14 pacientes, por golpes na cabeça relacionados à agressão em 4 pacientes e por queda em 3 pacientes. O intervalo de tempo médio entre a lesão e a investigação de RM foi de 5,5 meses (mínimo, 0,1 meses no máximo, 109,3 meses no primeiro quartil, 0,5 meses no terceiro quartil, 31,5 meses). Nesse intervalo de tempo, os pacientes não apresentaram episódios repetidos de TCE. Nosso grupo de pacientes foi selecionado a partir de 43 pacientes consecutivos que foram encaminhados ao nosso departamento de neurorradiologia para avaliação DTI de TCE entre junho de 2006 e maio de 2007 e que não tinham história conhecida ou evidência de imagem de RM de doença adicional do sistema nervoso central. Destes 43 pacientes, excluímos aqueles com artefatos de movimento na imagem de RM (n = 7) e aqueles com TCE moderado ou grave (GCS, & lt13 n = 15). Nós investigamos 11 indivíduos controle (8 homens e 3 mulheres com idade média ± DP, 37 ± 9 anos) para valores de referência. Eles eram voluntários de nosso departamento e não tinham história conhecida ou evidência de imagem de ressonância magnética de doença do sistema nervoso central.

Protocolo MR

As investigações foram realizadas em um sistema 1.5T (Sonata Siemens, Erlangen, Alemanha). O posicionamento reto da cabeça sem inclinação foi objetivado em cada paciente e sujeito de controle. O protocolo de MR consistia em uma varredura ponderada em T1 3D axial (TR / TE, 11/4 ms), uma varredura de recuperação de inversão atenuada por fluido axial (FLAIR) (TR / TE / tempo de inversão, 9480/112/2390 ms), uma varredura de gradiente eco ponderada em T2 * axial (GE) (TR / TE, 1330/33 ms) e uma varredura DTI de imagem ecoplanar axial (TR / TE, 5700/110 ms FOV, matriz de imagem de 24 × 24 cm , 128 × 128 30 seções com tamanho de voxel nominal de espessura de 4 mm, número de 1,875 × 1,875 × 4 mm de médias de intensidade de sinal, 3) com gradientes de difusão definidos em 25 direções não colineares usando 2 valores b (b = 0 e 1000 s / mm 2). A varredura DTI levou 7 minutos e 30 segundos.

Processamento de Dados DTI

Os dados DTI foram processados ​​em uma base de voxel por voxel com software dedicado (DPTools, http://www.fmritools.org). Um algoritmo de correção foi aplicado ao conjunto de dados DTI para considerar as distorções relacionadas às correntes parasitas induzidas pelos grandes gradientes de sensibilização à difusão. Ele se baseou em um modelo de distorção de 3 parâmetros, incluindo escala, cisalhamento e translação linear na direção de codificação de fase. 23 Os 25 elementos para cada voxel, calculados a partir das imagens que foram obtidas pela aplicação de gradientes de sensibilização à difusão nas 25 direções não colineares, além de uma imagem ponderada de não difusão, foram diagonalizados para calcular os valores próprios (λ1, λ2, e λ3) da matriz do tensor de difusão. O coeficiente de difusão aparente (ADC) e FA foram subsequentemente calculados. Os valores de FA em aproximadamente 1 são totalmente anisotrópicos e os valores de FA em aproximadamente 0 são totalmente isotrópicos. 24 valores de FA foram visualizados em mapas coloridos 2D.

Rastreamento de fibra

O rastreamento da fibra foi realizado com software dedicado (MedINRIA, http://www-sop.inria.fr/asclepios/software/MedINRIA). Tratos de fibra de matéria branca foram criados em 3D com base em semelhanças entre voxels vizinhos em forma (medidas de anisotropia de difusão quantitativa) e orientação (mapa de autovetor principal) do elipsóide de difusão e co-registrado no mapa de FA usando um algoritmo especial descrito anteriormente. 25,26 O método das principais direções de difusão 26–28 foi usado, onde o autovetor correspondente ao maior autovalor é extraído do campo de tensor de difusão gerado a partir dos conjuntos de dados DTI na região onde a difusão era linear. O valor do limiar de FA foi de 0,20 e o limiar de angulação foi de 45 ° (para evitar a transição repentina das fibras e para manter o rastreamento com base na conectividade da vizinhança), conforme descrito em outro lugar. 26,27 As reconstruções 3D das fibras foram codificadas por cores, onde o azul representava o superior-inferior, o verde o ântero-posterior e o vermelho a esquerda-direita.

Medidas

As medições foram realizadas sem o conhecimento do estado clínico do paciente, usando os pacotes de software descritos nos parágrafos anteriores. Após o realinhamento e normalização espacial, os valores de FA dos indivíduos de controle foram agrupados em uma base de voxel por voxel para derivar os valores de referência médios e DP para o grupo de controle. Para identificar voxels de FA anormalmente reduzida em cada paciente, o mapa de FA do paciente foi realinhado, normalizado espacialmente e individualmente comparado com o grupo de controle em um z análise de pontuação. A |z| & gt1.96 (P & lt .05) foi considerado para indicar voxels anormais, que foram automaticamente destacados no z mapa de pontuação (Fig. 1). As regiões da substância branca dos voxels com FA reduzida foram delineadas manualmente conforme ilustrado na Fig 1. Para cada uma dessas regiões de interesse (ROIs) com FA reduzida, a comparação visual foi feita com a difusão do valor b baixo correspondente, T1 e varreduras FLAIR para confirmar sua localização na substância branca. Um cuidado especial foi tomado para evitar a inclusão de substância cinzenta ou LCR. Para cada região de interesse, calculamos o volume, FA, z e ADC e determinou a presença de hiperintensidades FLAIR e hipointensidades T2 * GE indicativas de microhemorragia.

Seleção de ROIs em um paciente com TCE leve. A linha superior mostra 2 das 30 seções do z mapa de pontuação de anisotropia fracionada, sobreposto a um b = 0 varredura DTI. Pixels com um z pontuação inferior a -1,96 são destacados em roxa. Regiões anormais são visíveis no esplênio e joelho do corpo caloso (imagem superior esquerda) e no centro semiovale direito (imagem superior direita) ROIs, incluindo esses pixels anormais, foram desenhados manualmente, conforme ilustrado na linha inferior de imagens correspondentes.

A localização da ROI na substância branca do cérebro foi categorizada de acordo com a seguinte classificação: substância branca lobar cerebral, cíngulo e corpo caloso, membro anterior e posterior das cápsulas internas, mesencéfalo, tronco cerebral e cerebelo. A substância branca lobar cerebral foi subdividida em centro semiovale, lobo frontal, lobo parietal, lobo temporal e lobo occipital. Se um ROI se estendeu em mais de um desses locais, todos os locais envolvidos foram pontuados.

O software de rastreamento de fibra permitiu a reconstrução apenas das fibras que passaram por um determinado ROI. O número e o comprimento das fibras passantes individuais foram calculados para cada ROI e determinamos o tipo anatômico de feixe (s) de fibras passantes 29 que era composto pelas fibras individuais. Finalmente, o feixe de fibras passantes reconstruído foi avaliado visualmente quanto à descontinuidade no nível do ROI.

Análise Estatística

O número de ROIs com FA reduzida foi calculado como n (%) para o total de pacientes e como média ± DP para descrever as médias dos pacientes. Volume de ROI, FA, z pontuação, ADC e número e comprimento das fibras de passagem são dados como médias com intervalos de confiança de 95%. A correlação de Pearson foi calculada entre esses parâmetros e o intervalo de tempo após a lesão. Feixes de fibras de matéria branca que estavam envolvidos em regiões com FA reduzida são dados como n (%) para o total de pacientes. Uma análise de regressão linear múltipla foi aplicada para identificar variáveis ​​relacionadas à presença de fibras descontínuas em uma ROI. Usando o teste χ 2, a distribuição de ROIs entre várias regiões da substância branca e a proporção de feixes de fibras descontínuas foram comparadas entre os pacientes que foram investigados menos de 3 meses e em ou mais de 3 meses após a lesão. Em todas as análises, os dados dos lados esquerdo e direito do cérebro foram agrupados, porque não encontramos diferenças significativas entre os dois lados do cérebro. UMA P valor inferior a 0,05 foi considerado para indicar uma diferença estatisticamente significativa.


Informação sobre o autor

Afiliações

Instituto Max Planck de Neurobiologia, Crescimento e Regeneração Axonal, Martinsried, Alemanha

Ali Ertürk, Farida Hellal e Frank Bradke

Departamento de Neurociência, Genentech, South San Francisco, Califórnia, EUA

Instituto Max Planck de Psiquiatria, Munique, Alemanha

Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen, Axonal Growth and Regeneration, Bonn, Alemanha

Farida Hellal e Frank Bradke

Instituto Max Planck de Neurobiologia, Sistemas e Neurobiologia Computacional, Martinsried, Alemanha

Instituto Max Planck de Neurobiologia, Neurobiologia Celular e de Sistemas, Martinsried, Alemanha

Centro do Conselho de Pesquisa Médica para Neurobiologia do Desenvolvimento, King's College London, Guy's Hospital Campus, Londres, Reino Unido.

Departamento de Bioeletrônica, Universidade Técnica de Viena, Instituto de Eletrônica de Estado Sólido, Viena, Áustria

Klaus Becker, Nina Jährling e Hans Ulrich Dodt

Centro de Pesquisa do Cérebro, Universidade Médica de Viena, Seção de Bioeletrônica, Viena, Áustria

Klaus Becker, Nina Jährling e Hans Ulrich Dodt

Departamento de Neurobiologia, Universidade de Oldenburg, Oldenburg, Alemanha

Departamento de Neurogenética, Fisiologia Glial e Imagem, Instituto Max Planck de Medicina Experimental, Göttingen, Alemanha

Heinz Steffens e Frank Kirchhoff

Desenvolvimento e manutenção do sistema nervoso, Centro de Neurobiologia Molecular, Hamburgo, Alemanha

Melanie Richter e Edgar Kramer

Fisiologia molecular, Instituto de Fisiologia, Universidade de Saarland, Homburg / Saar, Alemanha


Assista o vídeo: Substância branca e mielina (Janeiro 2022).