脳損傷から回復した男と脳神経軸索探査の物語

Seeing the Brain's Broken Cables

A new imaging technique helps researchers map the damage from traumatic brain injury with unprecedented accuracy.

By Bijal P. Trivedi|Monday, August 03, 2015

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壊れたケーブル
脳の上部からのこのビューでは、高解像度のファイバートラッキングマップにより、100万の神経線維が明らかになります。
ウォルターシュナイダー研究所

ルイ「トム」フロイントがオハイオ州のヘイフィールドにある3本足の通信塔を降りていたとき、それは17度の極寒だった。 40フィートの高さで、彼は、冷たい地球が雲のない冬の空に出会う地平線に伸びる、曇らされた茶色の茎の素晴らしい眺めを持っていました。トムはゲームのトップでした。42歳のとき、彼は地方にブロードバンドインターネットアクセスを提供する数百万ドルの会社を経営していました。彼は再婚したばかりで、体格が素晴らしく、背中に40ポンドの工具を備えた高さ250フィートの塔をよじ登ることができたため、同僚は半歳で後をつけました。

しかし、2009年2月16日のこの日、足の裏で溶接が断ち切れました。これは、経験や肉体的な能力を妨げるものではありませんでした。「大きなpingが聞こえたので、降りてきたことがわかりました」と彼は思い出します。

冷たい空気の中をスライスし、彼は塔が彼から離れて倒れるのを見ました。彼は押しつぶされることを避けるために途中でツイスト、猫のように、途中でそれを乗りました。彼の空中アクロバットは、彼の頭蓋骨が鋼の桁に衝突するのを一瞬で救った。塔が地面にぶつかった後、彼は塔にぶつかり、胸が氷のような金属製のフレームにぶつかった。彼の肩と頭の右側が地面にぶつかった。明るい白いかすみが視界を曇らせたとしても、彼は意識を保っていた。トムはゆっくりと説明します。「貨物列車のサイレンが頭の中で鳴っていました。耳障りでした」
壊れた接続
画像は、ATVのクラッシュで負傷した男性の脳の壊れた接続を示しています。破損した繊維（黄色）は無傷の領域（緑色）と対照的です。
ウォルターシュナイダー研究所

衝撃は骨盤と肩を砕き、右側の肋骨を骨折し、背骨と首を傷つけました。彼の肺の2つの葉が爆発した。彼が大きな氷のパックとして機能する凍った地面に横たわったとき、ヘリコプターがピッツバーグのアレゲニー総合病院に彼を飛ばすまで、トムのアシスタントによって現場に呼ばれた地元の医者が彼に酸素を与えました。彼は意識から消えていきました。衛生兵は、彼が生き残れないと確信して、妻と子供たちとラジオで話し合うことを強制しました。

病院では、医師はCTスキャンを使用して、脳出血と骨折を検索しました。これらは、ぼやけた灰色の脳構造に対して白く見えます。奇跡的に、スキャンは否定的でした。病院でたった4日間-医師はトムの肺の穴からの内出血をうまく止め、骨折した骨をセットしました-彼は退院しました。医師によると、彼の回復の残りは「整形外科の仕事」だったと彼は言った。彼らは彼の脳は元気だと言った。

しかし、トムは気分が良くなかった。「旋風の真ん中」にいるように、彼は混乱していた。彼の時間感覚は歪んでいました。彼は激しい頭痛に苦しんでいました。一日が過ぎていくと彼の視界はぼやけ、サイレンが頭の中で叫びました。彼は言葉を絶えず失い、自分の考えを編集することができず、しばしば不適切なコメントを曖昧にしました。トムは怒って、痛みを感じ、はっきりと考えることができませんでした。
シュナイダー・オコンボ
Walt Schneider（左）と脳神経外科医のDavid Okonkwoは、脳のニューロンの配線図を作成するイメージングを開発するために協力しました。
シュナイダー：スコットゴールドスミス;オコンノボ：ピッツバーグ大学医療センター

今日まで、彼の短期的な記憶は「ゼロからゼロ」であり、私たちが話すように、彼はおそらく私たちの会話を思い出すことはないと警告しています。「1週間前に会った人を覚えていない」と彼は言う。

事故後の最初の3年間、トムと彼の妻のカレンは、もっともらしい診断を探しました。彼は一連の神経科医を訪問し、それぞれが彼が脳損傷を被っていないと彼に保証した。次に、彼は心的外傷後ストレス障害（PTSD）-外傷性イベント後に再発する極度の不安発作があると言った精神科医と心理学者を探しました。しかし、彼も緊急治療室の外傷看護師であるカレンも、診断が適切だとは考えていませんでした。

結局、何が悪いのかを最終的に特定したのは医者ではありませんでした。トムの民事訴訟を扱っていた弁護士は、彼が外傷性脳損傷（TBI）に苦しんでいたことを示唆しました。彼は法廷で代理を務めたフットボール選手にも同じ症状を見ていた。それは、フットボール選手、または40フィート以上から急降下する男が地面にぶつかるときのように、頭がぶつかったり打たれたりしたときに起こります。衝撃（自動車事故など）や爆発（イラクとアフガニスタンで働いた無数の兵士に影響を与えた）への暴露もTBIを引き起こす可能性があります。

これらの種類の損傷は、身体のある部分から別の部分に信号を伝える脳の脆弱な神経を破壊する可能性があります。しかし、どの神経線維またはニューロンが壊れているかを視覚化できる診断技術はありません。神経が鳴ると、コンピューターの回路が損傷したように、異なる脳領域間の通信が中断されます。米国で毎年TBIに苦しんでいる約170万人の人々にとって、被害の場所を特定できないことは、回復とリハビリへの大きな後退です。その数には、2000年から2000年までの軍事戦闘で2014年。

多くの場合、このような損傷は、X線を使用して閉塞、出血、腫瘍、および頭蓋骨骨折を視覚化するCTスキャンでは見えません。 MRIは電波を使用してより詳細な画像を作成し、出血、腫瘍、および粗い構造的損傷を明らかにしますが、壊れた神経を検出することはできません。血流を追跡して脳の活動を測定する機能的MRI（fMRI）でさえ、ニューロンの損失を検出できません。

TBI関連の障害を持つ530万人のアメリカ人のように、トムは医師には見えない怪我に苦しんでいます。彼はスキルを奪われて仕事をすることができず、社会経済的スパイラルに陥りました。友人や家族は、しばしば不適切で感情的な振る舞いに戸惑い、静かに退き、かつて彼らが知っていた男を認識することができませんでした。
高精細ファイバートラッキング
患者の脳の潜在的な損傷は構造MRI（左）では見えませんが、高解像度のファイバートラッキング（右）では放射状コロナ脳路の非対称性が明らかになります。右側（赤色）は小さく、患者の左側の運動制御の喪失と一致しています。
ウォルターシュナイダー研究所

弁護士と話し合った後、カレンはピッツバーグ大学の研究チームとつながり、新しい脳画像技術に取り組みました。 2012年、トムは、脳神経外科の教授であり、大学の脳外傷研究センターの臨床ディレクターである神経外科医のデビッドオコンコウと任命しました。脳と脊髄の損傷は彼の専門です。 Okonkwoは、強力なMRI装置でトムの2時間の脳スキャンをスケジュールしました。その後、彼は結果を得るために数週間後に戻るように頼みました。

高解像度のニューロン

Okonkwoは、脳損傷が簡単に見落とされることを知っていました。今日でも、頭部外傷または昏睡状態の患者がERに運ばれると、その人はCTスキャンを受けて、脳に外科手術を必要とする血栓があるかどうかを判断します。問題は、Okonkwo氏によると、10人中9人のケースで、これらの患者は正常なCTスキャンを受けており、元気であると言われているということです。「しかし、多くの場合、それらは正常ではありません」と彼は付け加えます。「そして、彼らはあなたの人生が変わった3か月後、6か月後、あなたと共有する最初のものになるでしょう。」彼はほとんどの病院で、TBIを診断しようとすることは骨を見つけることとほとんど同じだと彼は言いますX線装置が発明される前の破壊。
しかし、それは2009年の秋に、雪だらけの髪の毛のない心理学者であるWalt Schneiderがキャンパス全体から訪れたときに、Okonkwoにとって変わりました。シュナイダーはテクノロジーに魅了され、脳の主要な領域をイメージする新しい方法について話をするようになりました。路は、脳のある領域を別の領域（スーパーハイウェイなど）にリンクし、情報を伝える軸索の束ケーブルです。軸索は、神経細胞またはニューロンの長くて細い「尾」で、電気信号をあるニューロンから脳内の別のニューロンに伝達します。特定の管内では、すべての神経細胞は同じ場所で始まり、共通の場所で終わります。各路には主な機能があります。皮質脊髄路は運動を制御します。帯状回、記憶;そして、弓は言語を処理します。軸索が損傷すると、特定のニューロン間の通信が失われます。管全体が切断されると、2つの脳領域が互いに会話できなくなります。
拡散スピン図
拡散スピン図は、人間の脳内で水分子がどのように動くかを明らかにしています。分子の動きと速度の制限により、研究者は、より大きな脳路、または脳の領域を別の領域にリンクする軸索の束を特定する手がかりを得ることができます。挿入図は、3つの主要な区域の交差点を示しています。
ウォルターシュナイダー研究所

シュナイダーは、脳内のすべてのニューロンの配線図を作成できるイメージングのタイプを望んでいました。しかし、現在の技術-拡散テンソルイメージング（DTI）とも呼ばれる拡散MRIでは、TBI患者の問題を説明する可能性のある損傷した軸索を見ることができませんでした。

従来のDTIは、磁気パルスを使用して脳の神経細胞内の水分子にタグを付け、これらの水分子の動作に関する6つの特性を記録します。測定値は、軸索の形状と方向、およびある領域のニューロンが他の脳領域にどのように接続されているかを追跡する画像を作成するために使用されます。しかし、DTIイメージングには大きな問題がありました。異なる路からの軸索がターゲットに向かう途中で交差および交差すると、DTIソフトウェアが混乱し、各路の方向を完全に正確に判断できませんでした。シュナイダーは、これらの領域を最初から最後まで追跡できる技術を必要としていました。

シュナイダーは、米国国防高等研究計画局からの資金提供により、2009年ピッツバーグブレインコンペティションを開始し、最高の頭脳を集めて脳の接続マッピングに取り組んでいます。彼は、1時間のMRIスキャンからのデータを使用して、視線の詳細な画像を作成できる誰にでも10,000ドルを提供しました。 168か国のチームがサインオンしました。結果がフィルタリングされると、Schneiderのチームは、ほとんどのエントリが標準のDTIイメージングよりも少しずつ優れていることを発見しました。しかし、その後、台湾の大学院生であるFang-Cheng Yehが見事なイメージを送りました。彼の研究により、マイヤーのループ、光放射の構造が明らかになりました。イェーは報酬を集め、シュナイダーは彼にアメリカに留学するように誘いました。彼は博士号の一部としてシュナイダーと働いた。現在、カーネギーメロン大学でポスドク研究をしています。
シュナイダーの研究室の数学者および計算生物工学者であるスディルK.パサックは、イェーのアプローチを分析しました。鍵となるのは、神経細胞内の水分子（通常の6個に比べて257個）のより鋭い観察をYehが使用して、軸索が脳内で神経回路を形成する方法を解明したことです。

「MRIは水しか見えません」とPathak氏は説明します。「水がどのように動くかを観察することで、すべての方向に自由に動いているかどうか、または神経細胞のような動きを制限する何かがあるかどうかを知ることができます。」脳全体にアプローチして、40のすべての主要な脳路を特定してマッピングします。シュナイダーとパサックは、この新しい方法を高精細ファイバートラッキング（HDFT）と呼びます。最後に、配線図にアクセスできるようにするため、Pathakはサイケデリックな色合いのさまざまな神経回路に関与する主要な経路をセグメント化し、色付けしました。
色付きの枠
高解像度の繊維追跡により、医師は患者の脳内の主要な管の相対的な健康状態を示すことができます。色付きの境界線は、中程度の傷害の懸念がある領域（左上）、懸念される可能性のある領域（右上）、および正常範囲内の領域（下側）を示す補助として使用されます。
ウォルターシュナイダー研究所
Pathakは翌年、ピッツバーグの神経外科医および神経解剖学者であるJuan Fernandez-Mirandaと新しい脳画像の調査に費やしました。彼は、自分のコンピューター画面で作成した仮想領域が、医師が手術中に見たものと一致したことを確認したかったのです。フェルナンデス・ミランダは画像を編集し、正しい時と間違った方向を示したときを指摘した。コラボレーションにより粘り強いフィードバックサイクルが作成され、Pathakが数学を調整して領域を作成し、フェルナンデスミランダが解剖学的に正しいものを特定しました。最後に、Pathakの非侵襲的仮想解剖は、Fernandez-Miranda自身の血なまぐさい解剖に匹敵します。

Okonkwoはすぐにその影響を理解し、シュナイダーと協力して、脳損傷患者を募集することにより、研究トライアルでこの技術をテストし始めました。
その後、シュナイダーの研究室のPathakと他のメンバーは、iPadアプリでOkonkwoとFernandez-Mirandaと協力して、脳外科医や負傷した患者の損傷を検索する脳神経外科医に臨床的に関連し有用なツールを作成しました。

損傷の視覚化

スキャンの2週間後、トムとカレンはピッツバーグ大学医療センター長老派のオフィスでオコンコボと一緒に座っていました。彼が転落してから3年以上経った2012年9月でした。トムは、決定的な診断、トラブルの解剖学的説明、リハビリテーション戦略を聞きたいと考えていました。彼は事故の前にいた男の記憶に悩まされていたが、彼は再び自分自身になりたいと切望していた。
iPadを使用して、Okonkwoはトムの脳の画像を作成しました。それぞれのトラクトは鮮やかな色をしており、スパゲッティの渦巻きのように輪になって、ねじれ、交差しています。

画面では、トムの脳の左側が緑色で、右側が赤色でした。 Okonkwo氏は、脳の2つの半分の間には自然な対称性が存在する傾向があり、非対称性により疑わしいと説明しています。左半球と右半球の自然な違いが原因である可能性がありますが、回路が中断された場合の負傷を示している可能性があります。 Okonkwo氏は、トムの脳の一部の領域では、回路が非対称であると付け加えました。
彼はドロップダウンメニューをクリックして、感情と記憶を制御する鍵となるTom's Papezサーキットを選択しました。「脳の右側には、Papez回路内の左側ほど接続性がありません。」右側は地面を叩いたものです。

Okonkwoは、ネットワーク接続が失われる可能性があると説明しました。たとえば、目から脳の後部へのリンクが減少または切断されると、視力が低下する可能性があります。「この概念は、運動系、感覚系に当てはまります。記憶、感情、気分制御については少し異なる方法で当てはまります」と彼は言いました。トムのパペス回路接続の一部が中断されていました。
「新しい記憶のエンコードを担当する脳の部分は、以前のようにはなりませんでした」とOkonkwo氏は言います。彼はトムに消化させるために立ち止まった。「そして、それは感情的な安定性やそのようなことにも関係している可能性があります。」

カレンは彼女の顔を覆い、泣き始めました。長年の疑念、不安、欲求不満の後、彼らはトムの頭の中で壊れたケーブルを見ました。 Okonkwoは、トムが別の損傷した脳回路、補足運動野を示しました。これは、個々の動きを統合してスムーズにするために不可欠です。誰かが勝手にに木の大きな枝をハッキングしたように、右側は左側とは劇的に異なっていました。「補助的な運動領域に問題がある場合、優雅になることは非常に困難です。トムはうなずいた。
Okonkwoは、被害の意味は不明であると強調した。この研究はまだ始まったばかりです。彼は、さまざまな損傷が脳機能にどのように影響するかを医師が理解する前に、数千の損傷した脳をスキャンする必要があると彼らに言いました。

トムには明らかな治療法や治療法はありません。しかし、トムとカレンにとって、自分の症状を検証する証拠を見るだけで、一歩前進したように感じました。「満足です。悲しい。怖い。カレンは言った。「クレイジーではないという確認が得られました」とトムは付け加えました。「長い間、私は心を失っていると思っていました。これでようやく先に進むことができます。」
Okonkwo氏によると、脳の詳細なスキャンを確認することは、診断的な意味でも治療的な意味でも、臨床的に重要です。「実際に彼らを信じている人がいます。」

過去4年間、SchneiderとOkonkwoはテクノロジーを調整してきました。彼らは彼らのアプローチに熱心で希望を持っていますが、他の人はより慎重です。南カリフォルニア大学ニューロイメージング研究所所長のアーサートーガは、脳に関してはまだ不明な点が多いと言います。彼と他の人たちは、人間と呼ばれる国家脳マッピングイニシアチブの一環として答えようとしている質問です。 Connectomeプロジェクト。多くの脳回路は対称的ではなく、左右の半分を単純に比較して脳損傷を検出することは信頼できない場合があります。また、被害の程度を誰かに伝えることは役に立たないかもしれないと心配しています。「適切な治療とリハビリテーション戦略でこれらのつながりを回復できるかどうかはわかりません」とトーガは言います。
「ウォルトの仕事は本当に有望ですが、間違いなく議論の余地があります」と、国立精神衛生研究所のfMRI施設のディレクターとしてfMRIを専門とするPeter Bandettini氏は言います。シュナイダーの方法が特定の繊維路への損傷を本当に定量化できるかどうか、この分野の他の人は疑っています。たとえば、彼のアプローチは、特定のトラクトの繊維の78％が破壊されていることを本当に判断できますか？「陪審員はまだその上にいる。」

しかし、Bandettiniはシュナイダーのアプローチをサポートしています。「ウォルトがこれを打ち破り、テクノロジーを推進し、何ができるかを見ることが重要です。。。 [そして]彼は、臨床応用に関して軍医やTBIの医師と協力している数少ない脳イメージングの一人です。」
「実用的なインテリジェンス」

そのプロセスの一部は、OkonkwoとSchneiderがMRIデータをより適切に取得、分析、解釈し、直感的な方法で臨床医と患者に脳画像を提示できるようにする技術インフラストラクチャの構築です。スキャンには22分かかり、分析にはわずか4時間かかります。
現在、脳線維の高解像度スキャンを取得する唯一の方法は、研究トライアルに参加することです。これは、FDAが技術を承認するまで、今後3〜5年間当てはまります。しかし、すでに、OkonkwoとSchneiderは彼らの努力の成果を垣間見ています。彼らは、患者が脳損傷の結果を理解するのを助けています。

アフガニスタンとイラクでの兵役が膨大な数のTBIとPTSDの事例をもたらした後、治療は国家的な優先事項でした。 2007年以来、国防総省の戦闘死傷者ケアプログラムは、シュナイダーの技術に関する米国陸軍医学研究および材料司令部からの1,000万ドルを含む、500以上のTBIプロジェクトに7億ドル以上を費やしてきました。医師であり、メリーランド州フォートデトリックの脳の健康/フィットネス研究コーディネーターであるダラスハック大佐にとって、シュナイダーのHDFTテクノロジーの利点は、損傷した回路を確認して定量化できることです。彼はそれを使って、脳がガタガタと爆発した数千人の兵士のリハビリテーションを導くことができます。
シュナイダーの研究トライアルに参加した46歳の兵士（彼の仕事の性質上、彼の名前は使わないように頼んだ）は、人生を変えました。彼は20年以上、米国陸軍特殊部隊の歩兵師団で過ごし、アフガニスタンとイラクの両方で勤務しました。約400回の爆発を生き延びた後、彼は記憶力の低下と注意欠陥を抱えていたため、高高度パラシュートミッションを敵の領土に導く能力が損なわれたことがわかっていました。

試験では短期間の記憶喪失が確認されましたが、問題はさらに深くなりました。彼はかつて貪欲な読者であり、いくつかの言語に堪能でした。今や彼はメールをかろうじて通過することができ、書かれた言葉は意味を失い、言語は頭の中で不明瞭に混ざり合った。
スキャン後、Okonkwoは彼に問題の原因を示しました。「脳と目をつなぐ視覚領域が暴行を起こし、それがなぜ読めないのかを説明してくれました」と彼は言います。「私はバカではありません。完全に壊れていません。これらのケーブルの多くは破壊されているため、うまく機能していません。」

リハビリテーション戦略は明確ではありませんでしたが、医学のインスピレーションの瞬間に、シュナイダーのチームメンバーの1人は、特に音楽、リズムを使用して、言葉をタップするなどの身体的なことを行うことをビートに合わせて読むことを推奨しました。彼らは、他の無傷の経路を使用するように脳を再訓練する可能性があると考えました。
彼は失うものは何もありませんでした。そこで、彼はヘッドフォンを差し込み、ビートを設定してメールを読んだり、言葉を見てコンピューターにそれらを読んでもらいました。動いた。彼が読んでいるとき、彼は言います。「ラップの記録を切っているようです。私はスタジオにいます。それは私とJay-Zであり、私たちはそれを成し遂げています！」とは言いましたが、時間がかかり、テクノロジーが必要で、それでも簡単ではありません。「（しかし）私は記事、メール、そして本を読むことができます。」彼は解剖学的に正確なスキャンを行い、どの脳経路がまだ実行可能であるかを明らかにしたので、これはすべて可能です。
この新しい技術により、損害が見えるようになり、それが「実用的なインテリジェンス」であると、軍事用語を好むシュナイダーは言います。「10年以内に、損傷をより効果的に修復する方法を知っているかもしれません。」

リハビリテーション中およびリハビリテーションとさまざまな薬剤の使用中に行われたスキャンは、損傷した神経を修復できるかどうかを証明し、それがどのように起こるかを明らかにし始めます。
トム・フロイント
トムフロイントと妻のカレンは、ピッツバーグの研究者シュナイダーがトムの脳の領域の損傷を特定するのに高精細ファイバートラッキングがどのように役立つかを説明するのを聞きます。その視覚化は「パズルの最後のピース」であり、カレンは彼の行動の変化に対処するのを助けたと言います。
スコット・ゴールドスミス

シュナイダーの脳スキャン技術は展開に最も近いとハックは言います。この手法の利点は、現在、全国の主要なVA、DOD、および医療センターで使用されているマシンで画像を処理できることです。 TBIの調査が拡大するにつれて、シュナイダーは、国防総省のTricareヘルスケアプログラムの主要病院と、ヒューストン、サンディエゴ、タンパ、パロアルト、カリフォルニア、およびリッチモンドのVA病院で、今後3年間に1,000人以上の患者をスキャンする予定です、バージニア州。

シュナイダーの繊維追跡画像は、連邦政府から資金提供を受けたヒューマンコネクトームプロジェクトから生まれた画像に似ています。このプロジェクトは、ニューラルネットワークをDTIにマッピングし、独自の見事なテクニカラーマップのコレクションを生成します。「[しかし]ウォルトは[その]プロジェクトの一歩先を行きます」と、マサチューセッツ総合病院とカリフォルニア大学ロサンゼルス校のコネクトームプロジェクトのコンソーシアムで、シュナイダーのチームとも協力しているローレンスウォルドは言います。 Connectomeプロジェクトは、健康な成人の脳のイメージングにほぼ完全に焦点を当て、病気または損傷した脳を理解するための「ゴールドスタンダード」ベースラインを提供しています。しかし、シュナイダーはTBI専用のツールを開発しており、臨床医、脳神経外科医、神経解剖学者の学際的なチームを編成して、画像を精査し、臨床的に重要な配線の違いを特定して解釈しています。
新しい接続

損傷したケーブルを見た2年後、トムとカレンは安心しているようです。カレンにとって、決定的な診断は「パズルの最後のピース」を提供しました、と彼女は言います。トムの行動の背後にある理由を理解することは、彼女が結婚を癒すだけでなく、適応するのに役立ちました。
診断はまた、重要な実際的な影響をもたらしました。トムはより認知的および行動的なテストを受けており、まだいくつかの医師と協力しています。労働者の補償は現在、医療費を徴収していますが、これは本質的に彼の貯金を一掃していました。今、手形の支払いを受けることは、常に戦いではありません。
「診断以来、彼らは本当に私を助けたいと思っているようです」と彼は言います。

カレンはまだトムと特別な関係を共有していますが、彼女は人生が変わったことを認めています。「今知っているトムは違う。彼女は今、彼に何を期待できるかについてのより良い感覚を持ち、その理解は両方にとって自由になっています。「それは悪いニュースでしたが、トムの脳へのダメージを理解することが私たちの祈りの答えでした。」

[この記事は元々「壊れたケーブル」として印刷されていました。]

KEY-WORD

The Connectome project

high-definition fiber-tracking map