מדידת קישוריות במסלול הראייה העיקרית ב לבקנות האדם באמצעות הדמיה דיפוזיה מותח tractography
Summary
כתב יד זה מתאר אלגוריתמים דטרמיניסטיים הסתברותי עבור חומר לבן (WM) שיחזור, נבדק הבדלים בקרינה אופטית (OR) קישוריות בין לבקנות ובקרות. למרות tractography הסתברותי עוקב כמובן הנכון של סיבים עצבים יותר מקרוב, tractography הדטרמיניסטית נדרסה להשוות את האמינות ואת השחזור של שני הטכניקות.
Abstract
בשנת לבקנות, מספר ipsilaterally מקרין תאי הגנגליון ברשתית (RGCs) מצטמצם משמעותית. הרשתית אופטית התצלובת הוצעו כאתרי מועמד misrouting. כיוון שנמצא קשר בין מספר הגרעין לרוחב ברך (LGN) להעביר נוירונים וגודל LGN הוכח, ועל סמך נחות שדווחו בעבר בכמויות LGN ב לבקנות אדם, אנו מציעים תחזיות סיבים מן LGN לקורטקס הראייה העיקרי (V1) גם מופחת. לימוד הבדלים מבניים במערכת של לבקנות החזותית יכול לשפר את ההבנה של המנגנון misrouting ויישומים קליניים הבאים. נתוני דיפוזיה tractography שימושיים למיפוי OR (הקרינה אופטית). כתב יד זה מתאר שני אלגוריתמים או שיקום על מנת להשוות קישוריות המוח לבקנות וסורק MRI controls.An עם סליל ראש 32 ערוצים שמש לרכישת סריקות מבניות. רצף T1-weighted 3D-MPRAGE עם 1 מ"מ3 גודל voxel איזוטרופיים היה השתמש כדי ליצור תמונות ברזולוציה גבוהה עבור פילוח V1. צפיפות פרוטון מרובה (PD) תמונות משוקללות נרכשו coronally עבור ימינה ושמאלה לוקליזציה LGN. סריקות דיפוזיה מותח הדמיה (DTI) נרכשו עם 64 כיוונים דיפוזיה. שני שיטות מעקב דטרמיניסטיות הסתברותי נוהלו ומשווות, עם LGN כמסכת זרעי V1 כמסכת היעד. למרות DTI מספק רזולוציה מרחבית ירודה יחסית, ועל תיחום מדויק של או עלול להיות מאתגר בשל צפיפות הסיבים הנמוכה שלה, tractography הוכח להיות יתרון הוא במחקר והן קליני. סטטיסטיקה מרחבית מבוסס בדרכי (TBSS) חשפה תחומי שלמות חומר לבן קטינה באופן משמעותי בתוך או לחולים בעלי לבקנות בהשוואה לקבוצת ביקורת. השוואות Pairwise גילו הפחתה משמעותית LGN קישוריות V1 ב לבקנות בהשוואה לקבוצת ביקורת. השוואת שני אלגוריתמי מעקב חשף ממצאים משותפים, חיזוק האמינותשל הטכניקה.
Introduction
לבקנות היא מחלה גנטית המאופיינת בעיקר היפופיגמנטציה גלויה שנצפתה אנשים מושפעים. הוא נגרם על ידי בירושה מוטציות לגנים המעורבים מלנין סינתזה 1. לבקנות מופיעה בשתי צורות עיקריות: לבקנות oculo-עורית (OCA), תכונת רצסיבית אוטוזומלית ההצגה שתי תכונות של עין עורית; ו לבקנות עינית (OA), תכונה X-linked שכיחה יותר אצל גברים ומאופיינת בעיקר על ידי סימפטומים של העינים 2. המלנין אפיתל הפיגמנט ברשתית (RPE) הוא חיוני להתפתחות תקינה של מסלול הראייה המרכזי. ולהעדרו לבקנות ולכן התוצאה היא ליקויי ראייה, כולל פוטופוביה, ניסטגמוס, חדות הראייה מופחת ואובדן ראייה דו-עינית 2-3. חדות ראייה נקשרה מורפולוגיה foveal, אשר שינתה לבקנות 4. אצל בני אדם, קו רשתית של decussation שוכן לאורך גבול nasotemporal דרך הגומה, עם סיבי רשתית אףחוצה את האונה האחרת ואלה מן רשתית הטמפורלית הארכת ipsilaterally. מידת תפקוד ראייה מופחתת לבקנות נקשרה לרמה של היפופיגמנטציה. באופן ספציפי, פיגמנטציה עומדת ביחס הפוך משמרת לתוך הרשתית הטמפורלית של הקו של decussation 5. כתוצאה מכך המשמרת בקו decussation לתוך הרשתית הטמפורלית, המעבר של סיבי עצב הראייה הוא גדל – משותף מאפיין פני כל המינים 3.
מחקרי MRI מבניים על בני אדם הראו chiasms האופטי צר לבקנות בהשוואה לקבוצת ביקורת, אשר צפוי התוצאה של מעבר מוגבר של RGCs שנצפתה לבקנות 6-8. תצלובת הרשתית אופטית להביע רמזי הדרכת axonal כגון קולטנים מש' Eph ו ligands שלהם 9 ולכן הם אתרי מועמד misrouting 10.
מחקר על קופים עם גלאוקומה מושרה חשף דצמבר משמעותיrease במספר הנוירונים ממסר LGN immunoreactive-parvalbumin ו LGN נפח 11. הדבר מצביע על קורלציה בין גודל LGN ומספר חומר לבן (WM) מסלולי נסיעה דרך OR כדי V1. מחקר פוסט מורטם על לבקנות האדם גילה גם LGN קטן עם שכבות M ו- P התמזגו 12. ברזולוציה גבוהה המבני MRI אשר הפחתה משמעותית בהיקף LGN ב לבקנות 8. יחדיו, ממצאים אלה מראים כי חלה ירידה בהיקף LGN עלול לגרום למספר מופחת של נוירונים LGN, ו בתורו בקישוריות ירד בין LGN ו V1.
דפוסי בדיקת קישוריות אנטומי בבני אדם הוגבל. Dissection, הזרקה נותב ואינדוקצית נגע טכניקות פולשניות שיכולות לשמש פוסט מורטם בלבד, ובדרך כלל מעורב מספר קטן מאוד של חולים. מחקרים קודמים באמצעות carbocyanine לצבוע זריקות DiI הפגינו קישוריות עצבית בין V1 ו- V2 (ג ויזואלית המשניortex) 13, וכן במתחם בהיפוקמפוס במוח האנושי שלאחר מוות קבוע אלדהיד 14. סיבי תיוג בדרך זו מוגבל למרחקים של עשרות בלבד של מילימטרים מנקודת ההזרקה 14. דיפוזיה מותחים הדמיה, DTI, היא שיטת MRI שפותחה בתחילת 1990 האמצע לזהות כיוון בדרכי סיבים וארגון. זוהי שיטה לא פולשנית המאפשרת מיפוי של מסלולי WM גדולים במוח החי. DTI הוא רגיש דיפוזיה של מולקולות המים ברקמה הביולוגית 15. במוח, דיפוזיה של מים הוא איזוטרופי (אחיד) בשל מחסומים כגון ממברנות המיאלין. יש WM אנאיזוטרופיה דיפוזיה גבוהה, כלומר דיפוזיה מקביל יותר מאשר בניצב הכיוון של הסיבים 16. אנאיזוטרופיה שבר (FA) היא כמות סקלר המתארת את ההעדפה של מולקולות מפוזרות באופן איזוטרופי. ערכי FA נעים בין 0-1, מהנמוך anisot הגבוההסיבי (נוזל השדרתי (CSF) <חומר אפור (GM) <WM) 16.
יעל (דטרמיניסטי) ומעקב סיבים הסתברותי שני אלגוריתמים שונים לשיקום נתיב 3D. tractography הדטרמיניסטי משתמש בשיטת התפשטות קו, חיבור ווקסלים שכנות באזור זרע מוגדר. שני קריטריונים להפסיק להשתמש באלגוריתם זה הם זווית מפנה ערך FA. לכן, בדרכי התחקות בין ווקסלים שכנות סבירות בזוויות מפנה גדולות. האלגוריתם היה אפוא גם התקדמות רק אם FA בתוך voxel עולה על סף מסוים, הגבלת יעילותו במסלולים המגדיר במדויק ליד חומר אפור, שבו אנאיזוטרופיה טיפות. Tractography הסתברותי, ומצד שני, מניב מפת קישוריות המתארת את הסתברות voxel להיות חלק בדרך בין שני אזורים של עניין (ROIs) ובכך התקדמות לתוך חומר אפור כגון 17 V1. באמצעות יישום MRI זו, מבני WM מרכזיים כמואו ניתן שמסומן, כפי שמוצג במחקרים קודמים 18-20.
מחקר זה ולכן משתמשת בנתונים דיפוזיה tractography לחקור את השפעת misrouting אקסונלית על קישוריות retino-מוחיות-geniculo. בהתבסס על נחות שדווחו בעבר בכמויות LGN ב לבקנות אדם 8, אנו צופים כי תחזיות סיבים מן LGN כדי V1 גם מופחתות (איור 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
WM Altered, וליתר דיוק, ירידה קישוריות ב לבקנות בהשוואה לקבוצת הביקורת היו צפויות. לפיכך, FA מופחת במחצית המוח הימנית של לבקנות בהשוואה לקבוצת הביקורת, כמו גם את קישוריות ירד בגברים עם לבקנות דיווחו כאן עולים בקנה אחד עם התחזית שלנו. השפעות מגדר אונה אינן ברורות לחלוטין, אם …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
העבודה נתמך בחלקו על ידי למדעי הטבע וההנדסה מועצת המחקר של קנדה (NSERC). המחברים מודים המשתתפים, ד"ר ריק תומפסון עזרתו בגיוס החולים לבקנות, דניס רומנובסקי על עזרתו לרוץ כמה הניתוחים ושינוי דמות, מוניקה גירלדו Chica לידע עצתה עם tractography, ג'וי וויליאמס על עזרתה ברכישת MRI, אמן Goyal עבור מומחיות ניתוח MRI שלו.
Materials
| Magnetom Tim Trio 3T MRI | Siemens (Erlangen, Germany) | ||
| FMRIB’s Software Library (FSL) | http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/ | ||
| FreeSurfer | http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu | ||
| DSI Studio | http://dsi-studio.labsolver.org | ||
| SPSS |
References
- Montoliu, L., et al. Increasing the complexity: new genes and new types of albinism. Pigment Cell Melanoma Res. 27, 11-18 (2013).
- Martinez-Garcia, M., Montoliu, L. Albinism in Europe. J. Dermatol. 40 (5), 319-324 (2013).
- Gottlob, I. Albinism: a model of adaptation of the brain in congenital visual disorders. Br. J. Opthalmol. 91 (4), 411-412 (2007).
- Wilk, M. A., et al. Relationship between foveal cone specialization and pit morphology in albinism. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 55 (7), 4186-4198 (2014).
- Von dem Hagen, E. A. H., Houston, G. C., Hoffman, M. B., Morland, B. A. Pigmentation predicts the shift in the line of decussation in humans with albinism. Eur. J. Neurosci. 25, 503-511 (2007).
- Rice, D. S., Williams, R. W., Goldowitz, D. Genetic control of retinal projections in inbred strains of albino mice. J comp neurol. 354 (3), 459-469 (1995).
- Schmitz, B., Schaefer, T., Krick, C. M., Reith, W., Backens, M., Kasmann-Kellner, B. Configuration of the optic chiasm in humans with albinism as revealed by magnetic resonance imaging. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 44 (1), 16-21 (2003).
- Mcketton, L., Kelly, K. R., Schneider, K. A. Abnormal lateral geniculate nucleus and optic chiasm in human albinism. J. Comp. Neurol. 522 (11), 2680-2687 (2014).
- Williams, S. E., et al. Ephrin-B2 and EphB1 mediate retinal axon divergence at the optic chiasm. Neuron. 39 (6), 919-935 (2003).
- van Genderen, M. M., Riemslag, F. C., Schuil, J., Hoeben, F. P., Stilma, J. S., Meire, F. M. Chiasmal misrouting and foveal hypoplasia without albinism. J. Opthalmol. 90 (9), 1098-1102 (2006).
- Yücel, Y. H., Zhang, Q., Gupta, N., Kaufman, P. L., Weinreb, R. N. Loss of neurons in magnocellular and parvocellular layers of the lateral geniculate nucleus in Glaucoma. Arch. Ophthalmol. 118 (3), 378-384 (2000).
- von dem Hagen, E. A., Hoffman, M. B., Morland, A. B. Identifying human albinism: a comparison of VEP and fMRI. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 49 (1), 238-249 (2008).
- Burkhalter, A., Bernardo, K. L. Organization of cortico-cortical connections in human visual cortex. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 86 (3), 1071-1075 (1989).
- Mufson, E. J., Brady, D. R., Kordower, J. H. Tracing neuronal connections in postmortem human hippocampal complex with the carbocyanine Dye DiI. Neurobiol. Aging. 11 (6), 649-653 (1990).
- Wedeen, V. J., et al. Diffusion spectrum magnetic resonance imaging (DSI) tractography of crossing fibers. Neuroimage. 41 (4), 1267-1277 (2008).
- Smith, S. M., et al. Tract-based spatial statistics: voxelwise analysis of multi-subject diffusion data. NeuroImage. 31 (4), 1487-1505 (2006).
- Newcombe, V. F., Das, T., Cross, J. J. Diffusion imaging in neurological disease. J. Neurol. 260 (1), 335-342 (2013).
- Behrens, T. E. J., et al. Non-invasive mapping of connections between human thalamus and cortex using diffusion imaging. Nat. Neurosci. 6 (7), 750-757 (2003).
- Bassi, L., et al. Probabilistic diffusion tractography of the optic radiations and visual function in preterm infants at term equivalent age. Brain. 131 (2), 573-582 (2008).
- Hofer, S., Karaus, A., Frahm, J. Reconstruction and dissection of the entire human visual pathway using diffusion tensor MRI. Front Neuroanat. 4, 1-7 (2010).
- Fujita, N., et al. Lateral Geniculate Nucleus: Anatomic and Functional Identification by Use of MR Imaging. Am. J. Neuroradiol. 22 (9), 1719-1726 (2001).
- McKetton, L., Joy, W., Viviano, J. D., Yücel, Y. H., Gupta, N., Schneider, K. A. High resolution structural magnetic resonance imaging of the human subcortex in vivo and postmortem. J. Vis. Exp. , (2015).
- Fischl, B. FreeSurfer. NeuroImage. 62 (2), 774-781 (2012).
- Yeh, F. C., Verstynen, T. D., Wang, Y., Fernández-Miranda, J. C., Tseng, W. Y. Deterministic Diffusion Fiber Tracking Improved by Quantitative Anisotropy. PLoS One. 8 (11), 807-813 (2013).
- Jiang, H., van Zijl, P. C., Kim, J., Pearlson, G. D., Mori, S. DtiStudio: resource program for diffusion tensor computation and fiber bundle tracking. Comput. Methods. Programs. Biomed. 81 (2), 106-116 (2006).
- Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23 (1), 208-219 (2004).
- Galantucci, S., et al. White matter damage in primary progressive aphasias: a diffusion tensor tractography study. J. Neurol. 134, 3011-3029 (2011).
- Cabin, R. J., Mitchell, R. J. To Bonferroni or not to Bonferroni: when and how are the questions. Bull. Ecol. Soc. Am. 81 (3), 246-248 (2000).
- Kaiser, P. K. Prospective evaluation of visual acuity assessment: a comparison of snellen versus ETDRS charts in clinical practice (An AOS Thesis). Trans. Am. Ophthalmol. Soc. 107, 311-324 (2009).
- Farahibozorg, S., Hashemi-Golpayegani, S. M., Ashburner, J. Age and sex-related variations in the brain white matter fractal dimension throughout adulthood: An MRI study. Clin. Neuroradiol. 25 (1), 19-32 (2014).
- Tian, L., Wang, J., Yan, C., He, Y. Hemisphere and gender-related differences in small world brain networks: a resting state functional MRI study. NeuroImage. 54 (1), 191-202 (2011).
- Ge, Y., Grossman, R. I., Babb, J. S., Rabin, M. L., Mannon, L. J., Kolson, D. L. Age-related total gray matter and white matter changes in normal adult brain. Part 1: volumetric MR imaging analysis. Am. J. Neuroradiol. 23 (8), 1327-1333 (2002).
- Zhang, L., Dean, D., Liu, J. Z., Sahgal, V., Wang, X., Yue, G. H. Quantifying degeneration of white matter in normal aging using fractal dimension. Neurobiol. Aging. 28 (10), 1543-1555 (2007).
- Jones, D. K., Knosche, T. R., Turner, R. White matter integrity, fiber count, and other fallacies: The do’s and don’ts of diffusion MRI. NeuroImage. 73, 239-254 (2013).
- Coenen, V. A., Huber, K. K., Krings, T., Weidemann, J., Gilsbach, J. M., Rohde, V. Diffusion-weighted imaging-guided resection of intracerebral lesions involving the optic radiation. Neurosurg. Rev. 28 (3), 188-195 (2005).
- Andrews, T. J., Halperm, S. D., Purves, D. Correlated size variations in human visual cortex, lateral geniculate nucleus, and optic tract. J. Neurosci. 17 (8), 2859-2865 (1997).
- Bridge, H., Thomas, O., Jbabdi, S., Cowey, A. Changes in connectivity after visual cortical brain damage underlie altered visual function. Brain. 131, 1433-1444 (2008).
- Asman, A. J., Landman, B. A. Non-local statistical label fusion for multi-atlas segmentation. Med. Image. Anal. 17 (2), 194-208 (2013).
