Microstructural analysis of diffuse axonal injury after traumatic brain injury using diffusion-weighted Magnetic resonance imaging

Diffuse axonal injury (DAI) has been considered to be one of the main mechanisms leading to permanent disability in patients with traumatic brain injury (TBI) leading to disturbance in axonal function and neuronal damage. Conventional neuroimaging techniques such as computed tomography and magnetic resonance imaging (MRI) are useful in detection of macroscopic lesions. However, due to their lack of sensitivity, they are not sensitive enough to detect DAI. Diffusion-weighted (DW) MRI is a non-invasive imaging method that can be sensitive to subtle white matter (WM) alterations and it is capable of providing information about structural brain connectivity in vivo. The aim of the present research was to study microstructural WM abnormalities following TBI using DW-MRI and advanced analysis techniques e.g. high angular resolution diffusion imaging (HARDI). Patients with mild TBI (mTBI) and orthopedically injured (OI) patients that served as control subjects underwent brain imaging and clinical assessments during the TBICare study. Whole brain global and local WM abnormalities associated with DAI were investigated using diffusion tensor imaging analysis methods and probabilistic tractography. In addition, brain structural connectivity was evaluated following mTBI. Furthermore, the associations of WM alterations and structural network properties with the outcome were assessed. Patients with mTBI showed lower anisotropy and higher diffusivity measures at acute or sub-acute, and chronic stages of mTBI compared with controls. These WM alterations were susceptible to the average fiber orientation. Additionally, structural network connectivity was altered only locally and no differences were found between patients and controls in the global network properties. However, WM alterations and network metrics were significantly associated with the outcome. This study highlighted that novel advanced HARDI methods are promising tools to detect WM alterations already at the early stage after mTBI. Furthermore, we showed that disruptions in structural brain networks are associated with outcome, and suggest that network properties in the acute/subacute stage are promising imaging biomarkers for prognostic purposes.Tapaturmaiseen aivovammaan liittyvän diffuusin aksonivaurion hienorakenneanalyysi diffuusiopainotteisella magneettikuvauksella Diffuusi aksonivaurio on suurin syy pysyvään työkyvyttömyyteen traumaattisen aivovamman jälkeen, ja johtaa häiriöihin aksonien toiminnassa sekä hermostovaurioihin. Tyypilliset aivokuvantamistekniikat kuten tietokonetomografia ja magneettikuvantaminen (MRI) ovat hyödyllisiä makroskooppisten vaurioiden havaitsemisessa, mutta ne eivät ole riittävän herkkiä diffuusin aksonivaurion havaitsemiseen. Diffuusiopainotettu MRI on kajoamaton kuvantamismenetelmä, joka voi olla sensitiivinen hienovaraisillekin valkean aineen muutoksille ja se pystyy antamaan tietoa hermoratojen muodostamista rakenteellisista yhteyksistä in vivo. Tämän väitöstutkimuksen tavoite oli tutkia aivojen valkean aineen mikrorakenteellisia muutoksia traumaattisen aivovamman jälkeen käyttäen diffuusiopainotettua MRI:tä sekä edistyneitä analyysimenetelmiä. Potilaat, joilla oli todettu lievä aivovamma sekä verrokkeina toimineet ortopedisesti loukkaantuneet potilaat kuvattiin ja tutkittiin osana TBICare EU-hanketta. Paikallisia sekä koko aivojen valkean aineen mikrorakenteellisia ominaisuuksia tutkittiin käyttäen diffuusiotensorimenetelmää (DTI) sekä probabilistista traktografiaa. Lisäksi aivojen rakenteellista konnektiivisuutta tutkittiin lievän aivovamman jälkeen. Myös valkean aineen muutosten ja rakenteellisten aivoverkostojen ominaisuuksien suhdetta aivovamman jälkeiseen oirekuvaan tutkittiin. Aivovammapotilailla oli alentunut anisotropia ja korkeampi diffusiviteetti sekä akuutissa/subakuutissa vaiheessa että kroonisessa vaiheessa verrattuna verrokkeihin. Nämä valkean aineen muutokset riippuivat myös hermoratojen suunnista. Aivojen rakenteellinen konnektiivisuus oli poikkeava vain lokaalisti eikä koko verkostoja kuvaavissa globaleissa mittareissa havaittu muutoksia. Valkean aineen muutokset ja sekä globaalit että paikalliset verkostomittarit liittyivät kuitenkin selvästi aivovamman jälkeisiin oireisiin. Tämä tutkimus osoitti, että uudet diffuusiomagneettikuvien analyysimenetelmät ovat lupaavia työkaluja diffuusin aksonivaurion havaitsemiseen jo aikaisessa vaiheessa lievän traumaattisen aivovamman jälkeen. Lisäksi havaitsimme, että rakenteellisten aivoverkostojan ominaisuudet liittyivät aivovamman jälkeisiin oireisiin vahvasti ja voivat auttaa jo aikaisessa vaiheessa myöhemmän oirekuvan ennustamisessa