百尺甘头:进化，神经，心理，社会
脑干纤维扩散张量束成像及其在疼痛中的应用摘要：利用弥散张量成像(DTI)和脑束成像对脑干通路进行评估，可以深入了解与脑干关键回路功能障碍相关的病理生理机制。然而，这些区域的识别一直难以捉摸，到目前为止，活体人体研究相对较少。在这篇论文中，我们提出了一种自动化的方法来重建九条可能参与痛觉调制的路径的脑干纤维轨迹。我们首先在一小群标准的参与者中对这些纤维束进行了自然空间手动纤维跟踪技术，并利用现有的解剖学文献证实了结果的解剖学精确度。其次，在每个提取的纤维末端手工定义感兴趣区对，并将其非线性地扭曲到标准的解剖学大脑模板上，以创建感兴趣区对的图谱。然后，将得到的图谱非线性地转换到17名资深患者大脑的自然空间，以进行自动脑干脑束成像。最后，我们评估了获得的纤维束的完整性水平和疼痛严重程度之间的关系。使用自动纤维束成像术得出的分数各向异性(FA)测量反映了通过手动纤维束成像术获得的各个纤维束的FA水平。在自动派生的脑干背侧和内侧纵束内，FA与疼痛程度之间存在显著的负相关关系。这项研究证明了DTI在探索涉及疼痛处理的脑干回路方面的可行性。在这种情况下，所描述的自动化方法是耗时的手动成像术的一种可行的替代方法。来自自动纤维成像术的测量的生理和功能相关性被它们与个体疼痛严重程度的关系所证明。
简介
脑干，包括中脑、脑桥和延髓，涉及具有复杂的白质通路和灰质核的结构，这些结构集中在一个很小的区域。错综复杂的脑干电路和核团服务于呼吸和心血管调节、睡眠和警觉、疼痛、姿势、情绪和助记功能等系统。了解小脑干区域和回路的结构变化如何引起/改变病理是至关重要的。由于缺乏足够的对比度，无法在基于强度的图像中勾勒出较小的内部亚结构，利用解剖脑MRI对脑干亚结构的研究因难以检测神经元丢失而变得复杂。扩散张量成像(DTI)是一种无创性MRI成像技术，它测量白质微结构中细胞外分子水扩散的变化[1，2]。分数各向异性(FA)是一种常用的DTI指标，众所周知，它对检测定向排列的结构(如白质束)中的损伤非常敏感。平均扩散系数(MD，s/mm2)是体素中总扩散的标量度量，不是特定于灰质或白质组织类型的。轴向(AD，s/mm2)和径向(RD，s/mm2)扩散系数分别代表沿着或垂直于主轴的扩散水平，可用于检测病理轴突或髓鞘状态[3]。此外，在计算DTI每个体素的方向信息的基础上，纤维束成像术可以用于在三维空间中重建与已知神经解剖学相对应的白质束的轨迹[4，5]。轨迹的纤维密度[6]，即每个体素可能流线的数量，提供了白质束的另一种量化。扩散张量束成像具有基于方位的对比，因此不仅可以对神经通路进行解剖显示，而且可以通过估计重建束上的微结构或纤维指数来量化特定通路的完整性和结构连通性水平。扩散张量束成像已广泛应用于神经外科领域，如导航肿瘤切除以避免对周围重要神经通路的损害[7]，并为脑深部刺激电极的靶点提供指导[8]。纤维束中的DTI定量测量也被用于检测多种神经和精神疾病的微结构缺陷，如肌萎缩侧索硬化症[9]、认知障碍和阿尔茨海默病[10-12]，以及其他神经和精神疾病[13]。然而，使用DTI跟踪和分离脑干通路是具有挑战性的，因为它们在空间上重叠，并与投射到大脑皮层的其他主要束交叉。先前关于脑干的纤维束成像研究主要集中在脑干和皮层之间的主要纤维束[14]，几乎没有提供关于脑干内特定纤维束的细节。一种基于体素的基于区域的空间统计(TBSS)[15]方法允许比较脑干内“骨骼”中的分数各向异性FA。虽然该方法可以完全自动化，但TBSS方法分析不一定属于实际纤维束的所选高分数各向异性FA体素位置的数据，并且当FA在存在疾病的情况下被破坏时，体素级别的测量可能另外是不准确的。然而，越来越多的临床需要研究脑干纤维束及其助记功能相关性。最近的一项研究[16]基于名年轻健康受试者的脑干成像建立了人类脑干图谱。这份脑束成像图谱可能确实有助于临床神经外科干预，但在非侵入性分离的脑干纤维束中测量分数各向异性FA的神经病理成像应用尚不清楚。由于基于图谱的分析对小纤维束的个体不确定性很敏感，因此仍然需要基于本地DTI数据的纤维束成像。此外，该图谱来源于使用高角分辨率扩散成像(HARDI)序列从健康年轻人身上收集的数据[17]，这在大多数临床DTI扫描方案中用于神经学目的是非常困难的。因此，需要一种可靠的、临床适用的脑干成像术和定量测量方法。本研究的目的是：1)基于临床DTI扫描方案，证明对大多数可追踪的脑干束进行脑束成像的实际可行性和神经解剖学一致性；2)自动化所描述的脑干纤维束成像程序，并测试脑干纤维束定量测量和手动脑干成像的可靠性；以及3)使用自动脑干成像来评估脑干束的完整性和慢性疼痛之间的关系，以试图确定脑干通路是否为慢性疼痛。这些研究的目的是：1)基于临床DTI扫描方案，论证大多数可追踪的脑干束的实际可行性和神经解剖学一致性；
材料和方法
参与者和疼痛评估
年至年，名退伍*人患者在退伍*人事务部帕洛阿尔托医疗保健系统(VAPAHCS)的加州战争相关疾病和伤害研究中心(WRIISC-CA)接受了相同的MRI检查。这项研究得到了斯坦福大学和VAPAHCS机构审查委员会的批准，并在研究登记之前获得了每个参与者的书面知情同意。在回顾MRI图像后，从名参与者那里获得的结构和弥散扫描显示，他们没有特殊的放射学异常(例如肿瘤、中风、多发性硬化症斑块等)。或者将伪影输入实验室内的计算机后程序处理，该程序校正DTI失真，在标准空间中生成MRI图谱，并在原始空间和标准空间之间转换图像。本研究从这个影像数据库中选择了17名参与者(年龄范围为39-59岁；平均年龄为49.7±5.2；16名男性)进行脑干纤维束成像。在这17名参与者中，在接受核磁共振检查的24小时内，12名退伍*人填写了简明疼痛清单简表(BPI)[18]中的第6项，其中询问了他们在那个特定时间的当前疼痛水平(“现在疼痛”)；所有17名参与者都报告了他们在接受核磁共振检查前一个月能回忆到的最严重疼痛(“上个月最严重的疼痛”)。这两种疼痛评分都是在0(无)到10(极端)的范围内记录的，并不特定于身体上的任何特定位置。
磁共振成像与弥散张量成像
脑成像数据在美国加利福尼亚州帕洛阿尔医院收集，使用3TeslaGEDiscoveryMR扫描仪和8通道GE磁头线圈。高分辨率T1加权像(T1WI)采用4：07min三维破坏梯度回想采集(3D-SPGR)稳态(层矢状位，TR/TE=7.3/3.0ms；翻转角=11?；视野=mm；层厚=1.2mm，层间距0.6mm；采集矩阵=×；激发次数=1.0；分辨率=1.0mm×1.05mm×0.6mm)。T2WI采用2：21min快速自旋回波(FSE)序列，TR/TE=/98.4ms，平面分辨率0.45x0.45mm2，层厚3.5mm，共47层。采集T2WI图像，校正DTI相对于结构T1WI的几何变形。扩散张量成像采用二维单次激发EPI序列，TR/TE=/84.1ms，分辨率为1x1x2.5mm3，层厚为59层，可实现全脑覆盖。10次无扩散梯度(B0)扫描和60个敏化方向的扩散加权梯度(DWI)扫描，b值为s/mm2，用于DTI重建。DTI序列的扫描时间为8：02分钟。
MRI处理流水线
首先检查T1WI和DTI扫描的视觉伪影，然后使用实验室内的图像处理管道进行处理，如图1所示。在质量控制之后，从名年龄在30岁到80岁之间的WRIISC-CA参与者收集的结构性(T1WI/T2WI)和DTI数据集通过该管道进行处理，以在蒙特利尔神经研究所(MNI)空间创建定制的模板和数据。建议使用同一研究队列(例如WRIISC-CA)的平均图像创建自定义模板[19，20]，因为最小的跨对象差异结果极大地提高了配准准确性。这个实验室内的流程包括以下内容：1)使用斯坦福视觉成像科学和技术实验室(VistaLab；