 |
Translational MRI research of mild traumatic brain injury
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
109132 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Schwarcz, Attila |
| Title in Hungarian |
Enyhe koponya-agysérülés transzlációs vizsgálata MRI módszerekkel |
| Title in English |
Translational MRI research of mild traumatic brain injury |
| Keywords in Hungarian |
MRI, koponyasérülés, agysérülés, agy, ödéma, humán, patkány, fMRI, volumetria |
| Keywords in English |
MRI, traumatic brain injury, oedema, human, rat, fMRI, volumetry |
| Discipline |
| Biological basis of neurological and psychiatric disorders (Council of Medical and Biological Sciences) | 90 % | | Ortelius classification: Neurology | | Neurology, cerebrovascular disorders, psychiatry and mental health (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Neurology |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Neurosurgery Clinic (University of Pécs) |
| Starting date |
2013-09-01 |
| Closing date |
2016-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
11.910 |
| FTE (full time equivalent) |
2.10 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az enyhe koponyasérülés világszerte gyakori (incidencia: 100 - 500/ 100.000). Sem az akut tünettan, sem az esetek egyharmadában kialakuló, népegészségügyi problémát jelentő tartós panaszok pathomechanizmusa nem tisztázott. Diagnosztikus eszközeink, beleértve a képalkotó eljárásokat (CT, hagyományos MRI), nem kellően érzékenyek az enyhe koponyasérüléssel járó eltérések kimutatásához. Irodalmi és saját előzetes adataink (pl.: J Neurotrauma. 2013;30:2-10.) alapján megállapíthatjuk, hogy az MR képalkotás speciális módszerei az enyhe koponyasérülés megismerésének alapvető eszközei, hiszen az MRI képes a magasabb rendű és autonóm humán agyi funkciókat lokalizálni, s az agyi működés és szerkezet funkcionális logikáját vizsgálni, azaz állatmodellekben nem tanulmányozható alapkutatást végezni.
Célkitűzésünk az enyhe koponyasérülés jobb megértése, diagnosztikájának javítása, prognosztikai eszköz biztosítása és terápiás lehetőségeinek feltárása.
A speciális módszerekkel végzett MRI többszöri ismételhetőségét, non-invazivitását kihasználva, követéses elrendezésben tervezünk vizsgálni enyhe koponyatraumán átesett betegeket. E humán vizsgálatokat kisállat kísérlettel társítjuk: kontrollált koponya trauma modellen értékeljük a trauma okozta eltéréseket. A kisállat MRI eredményeket összevetjük részletes szövettani vizsgálatokkal, s terápiás beavatkozások eredményességét is felfedhetjük.
Munkahipotézisünk szerint vizsgálatainknak kiemelt szerepe lehet a betegek egyharmadában kialakuló post commotios szindróma megértésében és a sportolók esetében a repetitív enyhe koponyasérülések súlyosságának becslésében.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A népbetegségnek számító enyhe koponyasérülés pathomechanizmusa nem pontosan ismert, diagnosztikai és prognosztikai eszköztára szegényes. A tervezett kutatás ezen kíván javítani.
Részben publikált humán, és előzetes állatkísérletes eredményeinken alapul a munkahipotézisünk:
1. Enyhe koponyasérülésben agy ödéma keletkezik, ami MRI-vel kimutatható. Az ödéma fontos szerepet játszhat a korai és késői tünettan kialakulásában. Az ödéma keletkezését célzottan a „hiperakut” fázis követéses MRI képalkotásával vizsgáljuk enyhe koponyasérülést szenvedett betegekben, elsősorban az agykamrák és a teljes agyi térfogat regisztrálásával.
2. Traumát követően a neurális működés és a vaszkuláris válasz - legalábbis részben - „szétkapcsolódik”, amely oka lehet az enyhe koponyasérülést követő kognitív zavaroknak. Ennek igazolására fMRI vizsgálat sorozatot alkalmazunk.
3. Az ödéma mértéke összefügg a tünetek súlyosságával. Állatkísérletekben az elszenvedett ütés erősségét korreláltatjuk a kialakult agy ödéma súlyosságával.
4. Patkány trauma-ödéma modellen különböző gyógyszerek hasznosíthatóságát mérjük fel, mely alapot teremthet új terápiára enyhe koponyasérültekben.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az agyödéma és agykárosodás alapvető jelentősége súlyos koponyasérülésekben jól ismert. Enyhe koponyasérülés, mint népbetegségben ezen tényezők jelentőségét és kialakulásuk folyamatát nem ismerjük. Mértékük valószínűleg csekélyebb annál, hogy a szokásos egyszeri koponya CT-vel, vagy hagyományos MRI képalkotással kimutatható legyen. Munkahipotézisünk szerint, kellő pontossággal, non-invazív módon csak a követéses (alanyon belüli változásra koncentráló) speciális MRI képalkotás módszereivel ítélhető meg az enyhe koponyasérülésben fellépő strukturális és funkcionális agykárosodás.
Az agy ödéma és vele járó strukturális elváltozások fontos komponensei lehetnek az enyhe sérülteknél kialakuló jellegzetes tünettannak: fejfájás, szédülés, elhúzódó hangulatzavarok, depresszió, koncentráció hiánya. E tünetek az esetek egyharmadában hónapokig fennállnak, post commotios szindrómát eredményezve. A sportolóknál jellemző enyhe repetitív sérülések, agyi degeneratív folyamatokat indukálhatnak (pl. boxolóknál megfigyelhető dementia, Parkinson-szindróma) vagy öngyilkossághoz vezető depresszió alakulhat ki (ld.: amerikai futball játékosok által elkövetett suicidum). Az agy ödéma és agyi strukturális vizsgálat mellett, a funkcionális MRI vizsgálat szintén az elszenvedett sérülés súlyosságát tudja becsülni. Igy kiemelhetők azon betegek, akik hosszabb távon terápiára szorulnak. Az előzetes eredményeinkből valószínűsíthető, a neurális működés és a vaszkuláris válasz „szétkapcsoltsága”, mely bizonyos helyzetekben diagnosztikus segítséget nyújthat.
Az állatkísérletekben létrehozott trauma-ödéma modellen nyert diagnosztikai ismeretek közvetlenül átvihetők a humán gyakorlatba (transzláció) és ezen felül alapot teremtenek a megfelelő terápia kipróbálására, gyógyszer kutatási kísérletek elvégzéséhez.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az enyhe koponyasérülés (agyrázódás) világszerte rendkívül gyakori. Mivel a sérülést követő heveny tüneteken túl, az esetek egyharmadában hosszú távon is életminőséget rontó panaszok (fejfájás, szédülés, elhúzódó hangulatzavarok, depresszió, koncentráció hiánya) maradnak fenn, az enyhe koponyasérülés társadalmi szempontból népbetegség jelentőségű!
Ennek ellenére mind a mai napig nem áll rendelkezésre olyan módszer, amellyel képesek lennénk az enyhe koponyasérülést objektíven diagnosztizálni, vagy azt prognosztizálni, hogy mely beteg fog hosszabb távon kezelést igényelni. Sokszor maga a beteg sincs tisztában azzal, hogy pl. depressziós tünetei hátterében a korábban elszenvedett agyrázódás áll, amelyre kezelést igényel.
Az újabban kifejlesztett, rutinszerűen még nem alkalmazott, mágneses rezonancia képalkotás (MRI) módszerek alkalmazhatók enyhe koponyasérülés vizsgálatára. Az MRI képes az emberi agy működését közvetlenül követni, a magasabb rendű és autonóm humán agyi funkciókat lokalizálni, s az agyi működés és szerkezet funkcionális logikáját vizsgálni. A klinikai megközelítés az agysérülésen túl a humán agy - állatmodellekben nem tanulmányozható - magasabb rendű működését is vizsgálja, tehát alapkutatást végez. A tervezett állatkísérlet sorozat ellenőrzött körülmények között, emberen nem vizsgálható összefüggéseket vizsgál, amelynek eredményei közvetlenül alkalmazhatók lesznek a humán diagnosztikában és terápiában.
Munkahipotézisünk szerint az enyhe koponyasérültek közül így kiszűrhetőek azon betegek akik, az enyhe sérülés ellenére agykárosodást szenvedtek, és hosszabb távon terápiára, segítségre szorulnak.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Mild traumatic brain injury (mTBI) is exceptionally common worldwide (with an incidence of 100-500/100.000). The background of the acute symptoms and the persistent symptoms (post concussion syndrome) that occur in every third case, and thus causes public health problem, are not well understood. Generally, results of clinical imaging such as computed tomography (CT) and routine magnetic resonance imaging (MRI) are negative, suggesting that routine imaging is insensitive to the alterations that follow mTBI.
Based on international data and our numerous previous MRI publications (e.g.: J Neurotrauma. 2013;30:2-10), advanced MRI methods seem to play a substantial role in understanding mTBI.
Exploiting that MRI is non-invasive and may be performed repeatedly, we conduct follow-up studies concentrating primarily on the acute phase of mTBI.
Beyond human investigations, animal (rat) experiments are performed. The traumatic brain injury model experiments allow us to assess mTBI related alterations under controlled circumstances. The animal MRI results may be compared with histology findings, and it is also possible to evaluate the effect of various therapeutic managements.
The goals of our structural and functional investigations are to better understand mTBI, provide diagnostic and prognostic markers, and reveal therapeutic possibilities. Our studies may play a special role in the assessment of post concussion syndrome -an outcome of every third mTBI case, and of the severity of repetitive mTBI which typically affects young athletes.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The pathomechanism of mTBI is not well understood, it's diagnostic and prognostic tools are scarce. Our proposed study aims to improve this research field.
1. Based on our partly published human and preliminary animal experimental findings we hypothesize that brain swelling occurs in mTBI as well, which is even though mild, may play an important role in the development of acute or prolonged symptoms, and may be measured by MRI. To reveal the edema formation, a series of follow-up imaging is performed starting in hyper-acute phase after mTBI, where the volumes of primarily the ventricles and the total intracranium are recorded.
2. Functional MRI (fMRI) is performed to understand cognitive disturbances that are following mTBI. Based on our previous human fMRI observations, here we aim to support the hypothesis that an at least partial decoupling occurs in neuronal functioning and vascular response in the post –injured state.
3. The relationship between the traumatic force and the extent of following edema is to be assessed using the animal brain injury model.
4. After developing a validated rat trauma-edema model, the object is to test the expedience of various drugs in mTBI.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The substantial significance of brain swelling and other brain injuries are known in severe traumatic brain injuries. However, in mTBI that is liable for a public health problem, the mechanisms of the development and the significance of these elements are not well understood. These alterations are regarded to be more subtle than those detectable by a clinical CT or MRI acquisition. As far as we know, non-invasive evaluation of mild brain swelling and other subtle abnormalities occurring in mTBI is only possible by advanced MRI techniques.
Brain edema and accompanying structural changes may be important factors underlying the typical complaints related to mTBI: headache, vomiting, dizziness, depression, sleeping disorder or concentration problems. In every third case, these disorders persist on over weeks or even months, called post concussion syndrome (PCS). There is increasing evidence that repetitive mild injuries, which are common among young athletes may lead to degenerative processes (e.g. dementia or Parkinson-syndrome among boxers), or to depression sometimes ending up in suicide (see american football players’ suicide commitments).
Beyond the investigation of brain swelling and structural changes, functional MRI may also be able to evaluate the state of the injured brain, potentially elucidating cases, in which a patient needs further care. The decoupled neurovascular response proposed by our preliminary results, may be a helpful diagnostic marker in clinically doubtful cases.
We investigate mTBI by MRI in animal experiments as well. A well established rat trauma-edema model may let drugs to be tested for reducing swelling or other secondary injuries in mTBI.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Mild traumatic brain injury (mTBI, often termed concussion) is exceptionally common worldwide. Further the acute symptoms that follow the injury, in every third case, quality of life reducing complaints persist on over weeks or months (as headache, vomiting, dizziness, depression, sleeping disorder, concentration problems). Thus, mTBI is regarded as a public health problem.
To date, no device or method is available that is able to clearly verify mTBI and we can not prognosticate, which patient should receive extra care. In many cases the patient him or herself is even not aware, that his or her depression may be related to an earlier concussion and may require treatment.
The recently developed, routinely not yet employed advanced magnetic resonance imaging (MRI) methods are promising in the investigation of mTBI. These methods are sensitive enough to reveal subtle structural brain alterations and functional disorders as well.
Our research enables us to find those mTBI patients, who acquired brain damage despite the mild head injury, and so do need an extra support.
Animal experiments are added to our human studies, to look for correlations that are not possible to reveal in humans. Animal studies may also let us test various drugs that may be beneficial in mTBI.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Arnold Tóth, Ilona Schmalfuss, Shelley C. Heaton, Andrea Gabrielli, H. Julia Hannay, Linda Papa, Gretchen M. Brophy, Kevin K.W. Wang, András Büki, Attila Schwarcz, Ronald L. Hayes, Claudia S. Robertson, and Steven A. Robicsek: Lateral Ventricle Volume Asymmetry Predicts Midline Shift in Severe Traumatic Brain Injury, J Neurotrauma. 2015 Sep 1;32(17):1307-11. doi: 10.1089/neu.2014.3696. Epub 2015 May 19., 2015 | | Tóth A, Kátai E, Kálmán E, Bogner P, Schwarcz A, Dóczi T, Sík A, Pál J: In vivo detection of hyperacute neuronal compaction and recovery by MRI following electric trauma in rats., J Magn Reson Imaging. 2016 Oct;44(4):814-22. doi: 10.1002/jmri.25216. Epub 2016 Mar 10., 2016 | | Perlaki G, Orsi G, Plozer E, Altbacker A, Darnai G, Nagy SA, Horvath R, Toth A, Doczi T, Kovacs N, Bogner P, Schwarcz A, Janszky J.: Are there any gender differences in the hippocampus volume after head-size correction? A volumetric and voxel-based morphometric study., Neurosci Lett., 2014 | | Tóth Arnold: Magnetic Resonance Imaging Application in the Area of Mild And Acute Traumatic Brain Injury: Implication for Diagnostic Marker?, Frontiers in Neuroengineering Series, Brain Neurotrauma: Molecular, Neuropsychological, and Rehabilitation Aspects, 2015 | | Arnold Tóth, Ilona Schmalfuss, Shelley C Heaton, Andrea Gabrielli, H Julia Hannay, Linda Papa, Gretchen M Brophy, Kevin KW Wang, András Büki, Attila Schwarcz, Ronald L Hayes, Claudia S Robertson, Steven A Robicsek: CONVENTIONAL VS QUANTITATIVE APPROACH IN ASSESSING POST-TRAUMATIC VENTRICULOMEGALY AND ITS RELATION TO 6-MONTH OUTCOMES IN SEVERE TRAUMATIC BRAIN INJURY, JOURNAL OF NEUROTRAUMA 31:A-1–A-73, 2014 | | Arnold Tóth, Ilona Schmalfuss, Shelley C Heaton, Andrea Gabrielli, H Julia Hannay, Linda Papa, Gretchen M Brophy, Kevin KW Wang, András Büki, Attila Schwarcz, Ronald L Hayes, Claudia S Robertson, Steven A Robicsek: LATERAL VENTRICLE VOLUME ASYMMETRY IS RELATED TO SPECTRIN BREAKDOWN, JOURNAL OF NEUROTRAUMA 31:A-1–A-73, 2014 | | Arnold Tóth, Ilona Schmalfuss, Shelley C Heaton, Andrea Gabrielli, H Julia Hannay, Linda Papa, Gretchen M Brophy, Kevin KW Wang, András Büki, Attila Schwarcz, Ronald L Hayes, Claudia S Robertson, Steven A Robicsek: LATERAL VENTRICLE VOLUME ASYMMETRY PREDICTS MIDLINE SHIFT IN SEVERE TRAUMATIC BRAIN INJURY, JOURNAL OF NEUROTRAUMA 31:A-1–A-126, 2014 | | Tóth Arnold, Schmalfuss Ilona, Heaton Shelley C., Gabrielli Andrea, Hannay H. Julia, Papa Linda, Brophy Gretchen M., Wang Kevin K.W., Büki András, Schwarcz Attila, Hayes Ronald L., Robertson Claudia S., Robicsek Steven A: Lateral Ventricle Volume Asymmetry Predicts Midline Shift in Severe Traumatic Brain Injury, Journal of Neurotrauma, Volume: 32 Issue 17: August 17, 2015, 2015 | | Balint Környei, Arnold Toth, Attila Schwarcz: FOLLOW-UP SUSCEPTIBILITY WEIGHTED (SWI) MRI STUDY ON TRAUMATIC BRAIN INJURIES (TBI): REVEALING THE LESIONS’ DYNAMICS, Arch. Hung. Med. Assoc. Am., 2015, Vo. 23, No.1, 2015 | | Bálint Környei, Arnold Tóth, Attila Schwarcz: SUSCEPTIBILITY WEIGHTED MRI IN 3D RECONSTRUCTION REVEALS ATYPICAL MORPHOLOGY WHITE MATTER LESIONS IN TRAUMATIC BRAIN INJURY, Arch. Hung. Med. Assoc. Am., 2015, Vo. 23, No.1, 2015 | | Arnold Toth, Noemi Kovacs, Viktoria Tamas, Balint Kornyei, Mate Nagy, Andrea Horvath, Peter Bogner, Jozsef Janszky, Tamas Doczi, Andras Buki, Attila Schwarcz: Microbleeds may progress acutely in traumatic brain injury, NEUROIMAGING WORKSHOP SZEGED, 2015, 2015 | | Andras Buki, Noemi Kovacs, Endre Czeiter, Kara Schmid, Rachel P. Berger, Firas Kobeissy, Domenico Italiano, Ronald L. Hayes, Frank C. Tortella, Emese Mezosi, Attila Schwarcz, Arnold Toth, Orsolya Nemes, Stefania Mondello: Minor and Repetitive Head Injury, Volume 42 of the series Advances and Technical Standards in Neurosurgery pp 147-192, 2015 | | Toth A, Kovacs N, Tamas V, Kornyei B, Nagy M, Horvath A, Rostas T, Bogner P, Janszky J, Doczi T, Buki A, Schwarcz A.: Microbleeds may expand acutely after traumatic brain injury., Neurosci Lett. 2016 Mar 23;617:207-12. doi: 10.1016/j.neulet.2016.02.028. Epub 2016 Feb 18., 2016 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
