轻度创伤性脑损伤大鼠海马区的高级扩散成像

通过该扩散成像方案，可以检测轻度创伤性脑损伤大鼠海马区的微结构变化，而这些变化在解剖学磁共振成像上通常无法观察到。该技术能够发现轻度且弥散性脑外伤后大脑的细微改变，而这些改变无法通过CT或解剖学磁共振成像检测到。该技术有助于以客观且定量的方式更便捷地监测轻度创伤性脑损伤后的恢复过程。

这种扩散成像与分析技术也可应用于其他影响大脑的疾病，例如痴呆症和多发性硬化症，不仅可用于临床前研究，也可用于人体研究。在本方案中，扩散扫描的质量以及校正步骤的质量至关重要，因此建议由经验丰富的技术人员和分析人员提供指导。在确认12周龄雌性Wistar H大鼠对脚趾夹捏无反应后，将其置于37摄氏度的加热垫上，并向其尾侧静脉插入导管。

在已剃毛并消毒的头皮局部注射 100 微升 2% 利多卡因，做正中切口以暴露颅骨。使用小剪刀去除多余的膜组织，并用棉签擦拭颅骨表面，直至骨膜完全去除。然后使用一滴组织胶将一个直径为 10 毫米、厚度为 3 毫米的金属圆盘固定在颅骨上，位置大约位于前囟前方 1/3 处、后方 2/3 处。为诱导创伤性脑损伤，将大鼠置于特制的床面上，床面配有具有特定弹性系数的泡沫床垫，并将大鼠直接置于一根透明塑料管下方，管内有一个 450 克重的黄铜坠块，确保头盔尽可能保持水平。

将重物上拉至一米高度。在有第二位实验人员在场的情况下，释放重物，并在撞击后立即由第二位实验人员将大鼠移离管道，以防止二次损伤。轻柔地将头盔从颅骨上取下，并使用纱布止住任何出血。

用缝线闭合皮肤，并在切口处涂抹局部镇痛凝胶。将大鼠置于CT扫描仪的床面上，进行一次常规低剂量CT扫描以排除颅骨骨折，随后将大鼠放入清洁的笼子中，置于37°C加热垫上并持续监测，直至完全恢复卧姿后，再将其送回原笼。在创伤诱导前及诱导后一天，确认实验动物对足趾夹捏无反应，并将动物以头先进、俯卧位放置于MR扫描仪床面上。

将正交体积线圈滑至头部上方，并将扫描床推进扫描孔内。为确保位置正确，需获取默认的三平面定位扫描图像。扫描完成后，在图像显示界面中加载扫描结果，确认头部处于正直位置，且大脑位于磁体和线圈的中心。

使用默认设置获取T2加权图像，但需将视野、成像平面和矩阵大小调整为更高的面内分辨率，即109 × 109微米。打开几何编辑器，将层面包准确定位，确保包含脑部嗅球和小脑区域，并从B_diffusion文件夹中加载三个新的平面回波、扩散加权、自旋回波序列至扫描控制协议中。使用默认设置采集扩散加权图像，然后打开编辑扫描选项卡。

将切片方向设置为轴向，切片数量设置为25，以实现500微米的切片厚度和600微米的层间距离，并将读出方向修改为从左到右。在“几何”选项卡下，调整几何参数，将视野和矩阵大小均设置为105×105，以确保分辨率达到333×333微米。在“研究”选项卡中，依次点击三个扩散壳各自的“扩散”选项卡，并将第一个壳的扩散方向数调整为32，第二个壳调整为46，第三个壳调整为64。

将第一壳层、第二壳层和第三壳层的B0图像数量分别更改为5、5和7，并使用自定义的梯度方向文件调整梯度方向。将第一壳层每个方向的B值调整为800秒/平方毫米，第二壳层为1,500秒/平方毫米，第三壳层为2,000秒/平方毫米，然后打开几何编辑器（Geometry Editor），将视野置于球状体与小脑之间，仅包含大脑部分，以减少伪影并缩短扫描时间。扫描协议完成后，将动物从扫描仪床面转移至清洁的笼子中，并放置于37摄氏度的加热垫上，在监测下直至动物完全恢复卧姿。

对于扩散 MRI 图像处理，在 MRtrix3 中加载图像，并在软件程序中对扩散加权图像进行噪声校正和吉布斯振铃校正。按照指示将校正后的扩散加权图像转换为 T2 图像的 NIFTI 格式。为了进行平面回波成像、运动和涡流畸变的校正，在 ExploreDTI 的插件菜单中选择“受试者运动及 EC/EPI 畸变校正”，然后选择预处理后的扩散数据文件。

为了计算每只大鼠的扩散张量成像指标，请点击插件（Plug-ins）并选择导出为NIFTI格式，然后选择扩散张量成像模型的参数图，并导出峰度和白质纤维完整性模型的参数图。为了创建每只大鼠海马体的掩膜文件，请在MRtrix查看器中加载该大鼠的分数各向异性图像，并点击加号按钮以创建新的感兴趣区域。为了提取大鼠海马体的扩散指标，请在AMIDE软件中导入所创建的掩膜文件，并打开该大鼠的参数图和掩膜图像。

要将掩膜文件的兴趣区域添加到 AMIDE 中，请选择掩膜文件图像，点击“Edit”（编辑），选择“Add Region Of Interest”（添加兴趣区域）和“3D isocontour”（三维等值面），并为该兴趣区域赋予一个有意义的名称。单击掩膜图像中显示的兴趣区域，并确认该体积仅包含值为1的体素。为计算海马体中扩散参数的平均值，请点击“Tools”（工具），选择“Calculate Region Of Interest Statistics”（计算兴趣区域统计值），并指定要包含的图像和兴趣区域。

单击“执行”后，将弹出一个窗口，显示可用来进行进一步统计分析的计算值。在此项代表性实验中，通过CT成像评估未发现颅骨骨折的证据，且创伤后一天的T2图像在挫伤部位未显示出任何异常。为了评估T2图像与扩散数据集之间非刚性配准步骤的质量，将T2图像叠加到颜色编码的各向异性分数图上进行观察。

随后可计算各向异性分数、平均扩散率、轴向扩散率和径向扩散率的参数图。在感兴趣区域内，还可计算轴向、平均和径向峰度值的平均值，以及轴突内水分数、轴向和径向轴突外扩散率和白质纤维束完整性的迂曲度数值。在此项代表性实验中，扩散张量成像指标分析显示，轻度创伤性脑损伤组在受到冲击后，各向异性分数值显著升高，而扩散率值则显著降低。

弥散峰度指标还显示，撞击后径向峰度显著降低，而轴向峰度和平均峰度未观察到变化。利用白质纤维束完整性模型，在撞击后一天，轻度创伤性脑损伤组的径向轴外扩散系数显著降低，且迂曲度显著增加。在图像分析过程中，重要的是要检查MRtrix输出的数据格式是否已正确转换并导入ExploreDTI，以及每一步校正步骤是否均已正确执行。

除了基于感兴趣区域的分析外，还可以采用体素级分析来研究全脑的变化。该技术在神经影像学领域具有重要价值，也可应用于其他脑部疾病，例如痴呆症和多发性硬化症。