脳幹繊維の拡散テンソルトラクトグラフィーと痛みへのその応用

拡散テンソルイメージング（DTI）とトラクトグラフィーによる脳幹経路の評価は、主要な脳幹回路の機能障害に関連する病態生理学に関する洞察を提供する可能性があります。しかし、これらの領域の特定はとらえどころのないものであり、これまでにはin vivoの人間の研究は比較的少ない。この論文では、痛みの調節に関与する可能性のある経路の9つの脳幹繊維の軌跡を再構築するための自動化されたアプローチを提案しました。最初に、参加者の小さな規範的コホートでこれらの繊維トラクトのネイティブ空間マニュアルトラクトグラフィーを実行し、既存の解剖学的文献を使用して結果の解剖学的精度を確認しました。第二に、抽出された各繊維の末端で手動で定義され、標準的な解剖学的脳テンプレートに非線形にゆがんで、利益領域のペアのアトラスを作成しました。結果として得られたアトラスは、自動化された脳幹トラクトグラフィーのために、17人の退役軍人患者の脳の在来空間に非線形に変換されました。最後に、得られた繊維束の完全性レベルと痛みの重症度レベルとの関係を評価しました。自動化されたトラクトグラフィーを使用して導出された分数異方性（FA）測定は、手動トラクトグラフィーを介して得られたそれぞれの路のFAレベルを反映しています。FAと疼痛レベルの間の有意な逆の関係は、脳幹の自動由来の背側および内側縦方向の束の中で検出されました。この研究は、疼痛処理に関与する脳幹回路の調査におけるDTIの実現可能性を示しています。これに関連して、記載されている自動化されたアプローチは、時間のかかる手動トラクトグラフィーの実行可能な代替手段です。自動化されたトラクトグラフィーから導き出された測定の生理学的および機能的関連性は、個々の痛みの重症度との関係によって証明されています。

Evaluation of brainstem pathways with diffusion tensor imaging (DTI) and tractography may provide insights into pathophysiologies associated with dysfunction of key brainstem circuits. However, identification of these tracts has been elusive, with relatively few in vivo human studies to date. In this paper we proposed an automated approach for reconstructing nine brainstem fiber trajectories of pathways that might be involved in pain modulation. We first performed native-space manual tractography of these fiber tracts in a small normative cohort of participants and confirmed the anatomical precision of the results using existing anatomical literature. Second, region-of-interest pairs were manually defined at each extracted fiber's termini and nonlinearly warped to a standard anatomical brain template to create an atlas of the region-of-interest pairs. The resulting atlas was then transformed non-linearly into the native space of 17 veteran patients' brains for automated brainstem tractography. Lastly, we assessed the relationships between the integrity levels of the obtained fiber bundles and pain severity levels. Fractional anisotropy (FA) measures derived using automated tractography reflected the respective tracts' FA levels obtained via manual tractography. A significant inverse relationship between FA and pain levels was detected within the automatically derived dorsal and medial longitudinal fasciculi of the brainstem. This study demonstrates the feasibility of DTI in exploring brainstem circuitries involved in pain processing. In this context, the described automated approach is a viable alternative to the time-consuming manual tractography. The physiological and functional relevance of the measures derived from automated tractography is evidenced by their relationships with individual pain severities.