Jak starzeje się mózg?

Traktografia to jedna z technik obliczeniowych wykorzystujących obrazowanie dyfuzji metodą rezonansu magnetycznego (ang. MRI, Magnetic Resonance Imaging), która rozwija się od lat 90. ubiegłego wieku. Umożliwia ona mapowanie przebiegu włókien nerwowych w istocie białej, dostarczając przestrzennych obrazów, gdzie poszczególne ich ścieżki oznaczone są różnymi kolorami. Obserwowanie takiej plątaniny stanowi nie lada atrakcję dla oka, jednak rzecz jasna nie o zachwyty tu chodzi. Takie wizualizacje są wykorzystywane przez lekarzy w diagnostyce nowotworów mózgu oraz przy planowaniu zabiegów operacyjnych, a także stanowią użyteczne narzędzie dla neuronaukowców badających połączenia pomiędzy różnymi obszarami mózgu i funkcjonowanie układu nerwowego.

Do tworzenia obrazów traktograficznych wykorzystywany jest rejestrowany przez skaner sygnał rezonansu magnetycznego dyfuzyjnie ważony. Ruch cząsteczek wody w organizmie może odbywać się w sposób izotropowy bądź anizotropowy, gdy dyfundujące molekuły napotykają w tkance ograniczenia. Po przekształceniu sygnału z wykorzystaniem modelu reprezentującego wielowymiarową strukturę tkanki nerwowej, dla każdego woksela można uzyskać informację o charakterze dyfuzji. Powszechnie stosowaną reprezentacją sygnału jest obrazowanie tensora dyfuzji (ang. DTI, Diffusion Tensor Imaging), która mierzy wielkość dyfuzyjności wzdłuż trzech prostopadłych kierunków. Pozwala to ustalić m.in. główny kierunek ruchu cząsteczek oraz opisać całościowy proces dyfuzji miarami ilościowymi. Należą do nich średnia dyfuzyjność (ang. MD, Mean Diffusivity) oraz anizotropia frakcyjna (ang. FA, Fractional Anisotropy), które dostarczają informacji o mikrostrukturze tkanki, pozwalając wychwycić zmiany będące następstwem chorób neurodegeneracyjnych lub naturalnych procesów starzenia.

Jak powstaje obraz traktograficzny?

Molekuły z większą swobodą dyfundują wzdłuż niż w poprzek włókien nerwowych. Obraz traktograficzny powstaje w wyniku połączenia za pomocą odpowiednich technik matematycznych i komputerowych sąsiadujących ze sobą wokseli o podobnej anizotropii, które z dużym prawdopodobieństwem należą do tych samych włókien nerwowych. Tensor dyfuzji uogólniony do trzech kierunków jest jednak tylko obiektem matematycznym, który nie oddaje rzeczywistej struktury tkanki nerwowej (w rzeczywistości żeby wyznaczyć tensor dyfuzji, trzeba wykonać pomiar w co najmniej sześciu niezależnych kierunkach). Dla obszarów mózgu, w których włókna nie przebiegają równolegle, ale na przykład krzyżują się, uzyskany obraz może zostać zafałszowany. Lepiej sprawdzają się w tym względzie modele biofizyczne, które uwzględniają pewne założenia dotyczące struktury tkanki nerwowej.

– Modele biofizyczne biorą pod uwagę istnienie tzw. przedziałów [ang. compartments – red.] – wyjaśnia dr inż. Tomasz Pięciak z Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación na Uniwersytecie w Valladolid (Hiszpania), wcześniej pracownik Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH, który specjalizuje się w metodach matematycznych i algorytmach komputerowych używanych do reprezentowania oraz przetwarzania danych uzyskanych w wyniku obrazowania dyfuzji metodą rezonansu magnetycznego. – Pewien przedział mówi o dyfuzji kierunkowej, inny o dyfuzji swobodnej, która zachodzi np. między aksonami. Mamy więc możliwość rozdzielenia składowych tego sygnału. Zastosowanie modeli biofizycznych wymaga jednak bardziej skomplikowanych i czasochłonnych metod akwizycji danych, co przekracza możliwości szpitalnej diagnostyki.

Połączenie traktografii z badaniami mikrostrukturalnymi

Co jednak w systemie opieki zdrowotnej wydłużyłoby kolejkę pacjentów oczekujących na wyniki, nie jest przeszkodą w świecie nauki. Absolwentka AGH mgr inż. Dominika Ciupek w swojej pracy magisterskiej „Mapowanie właściwości dróg istoty białej starzejącego się mózgu z zastosowaniem obrazowania dyfuzji metodą rezonansu magnetycznego”, przygotowanej na WEAIiIB AGH pod kierunkiem dr. inż. Tomasza Pięciaka oraz dr. inż. Jaromira Przybyły, opisała wykorzystanie nowatorskiej metody łączącej traktografię z badaniami ilościowymi do oceny zmian mikrostrukturalnych, jakie zachodzą wraz z wiekiem wzdłuż czterech głównych ścieżek w istocie białej: pęczku łukowatym, pęczku podłużnym dolnym, pęczku haczykowatym oraz drodze korowo-rdzeniowej. Praca została doceniona w 2023 roku przez jury konkursów „Diamenty AGH” oraz „Młodzi Innowacyjni” organizowanego przez Sieć Badawczą Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów, w obu zdobywając I nagrodę.

Autorka pracy wykorzystała do analizy bazę skanów MR pobraną od 62 zdrowych osób w różnym wieku. Korzystając z algorytmu traktograficznego opartego na rozkładzie orientacji włókien, określiła przebieg włókien nerwowych w interesujących ją obszarach mózgu. Następnie w oparciu o DTI oraz modele biofizyczne NODDI (ang. Neurite Orientation and Dispersion Density Imaging) oraz SMT (ang. Spherical Mean Technique) wyznaczyła miary strukturalne wzdłuż przebiegu poszczególnych ścieżek. Ze względu na duże zapotrzebowanie na moc obliczeniową ze strony wykorzystanych w pracy modeli biofizycznych, absolwentka AGH skorzystała z zasobów superkomputera Prometheus, udostępnionych w tym w celu przez Akademickie Centrum Komputerowe Cyfronet AGH.