利用弥散张量成像与纤维束示踪技术测量人类白化病初级视觉通路的连通性

摘要

本文描述了用于重建白质（WM）的确定性与概率性算法，旨在研究白化病患者与对照组之间视辐射（OR）连接性的差异。尽管概率性纤维追踪技术能更接近神经纤维的真实走行路径，但仍采用了确定性纤维追踪以比较两种技术的可靠性与可重复性。

摘要

在白化病中，同侧投射的视网膜神经节细胞（RGCs）数量显著减少。视网膜和视交叉曾被提出作为神经纤维错位的可能部位。由于已有研究显示外侧膝状体（LGN）中继神经元数量与LGN体积之间存在相关性，并且基于先前报道的人类白化病患者LGN体积的减小，我们推测从LGN到初级视皮层（V1）的纤维投射也有所减少。研究白化病视觉系统中的结构差异，有助于加深对神经纤维错位机制的理解，并推动后续的临床应用。弥散成像数据和纤维束成像技术可用于绘制视辐射（OR）的路径。本文描述了两种用于重建OR的算法，以比较白化病患者与对照组之间的脑连接情况。使用配备32通道头部线圈的MRI扫描仪采集结构图像。采用体素大小为1 mm³的T1加权3D-MPRAGE序列，生成高分辨率图像用于V1的分割。采集多个质子密度（PD）加权的冠状面图像，以定位左右两侧的LGN。弥散张量成像（DTI）扫描采集了64个弥散方向的数据。分别运行并比较了确定性追踪和概率性追踪方法，以LGN作为种子掩模，V1作为目标掩模。尽管DTI的空间分辨率相对较低，且由于OR纤维密度较低，其精确勾画可能存在挑战，但纤维束成像在科研和临床应用中均已被证明具有优势。基于纤维束的空间统计分析（TBSS）显示，与对照组相比，白化病患者的OR区域内存在显著降低的白质完整性。成对比较分析表明，白化病患者的LGN至V1连接性较对照组显著降低。两种追踪算法的比较结果显示具有一致的发现，进一步增强了该技术的可靠性。

引言

白化病是一种遗传性疾病，主要特征是患者表现出明显的色素缺乏。该病由参与黑色素合成的基因发生遗传性突变所致¹。白化病主要有两种形式：眼皮肤白化病（OCA），为常染色体隐性遗传，表现为眼部和皮肤的特征性改变；以及眼白化病（OA），为X连锁遗传，男性中更为常见，主要表现为眼部症状²。视网膜色素上皮（RPE）中的黑色素对中枢视觉通路的正常发育至关重要。因此，在白化病中由于黑色素缺失，会导致视觉功能障碍，包括畏光、眼球震颤、视力下降以及双眼视觉丧失^2-3。视力与黄斑形态密切相关，而白化病患者的黄斑形态存在异常⁴。在人类中，视网膜交叉线沿黄斑处的鼻侧-颞侧边界分布，来自鼻侧视网膜的神经纤维交叉至对侧大脑半球，而来自颞侧视网膜的纤维则在同侧延伸。白化病中视觉功能下降的程度与色素缺乏的程度相关。具体而言，色素沉着水平与交叉线向颞侧视网膜的偏移程度呈负相关⁵。由于交叉线向颞侧视网膜偏移，视神经纤维的交叉程度增加——这一特征在所有物种中均普遍存在³。

针对人类的结构磁共振成像研究显示，与对照组相比，白化病患者的视交叉较窄，这可能是由于白化病中观察到的视网膜神经节细胞（RGCs）交叉增多所致^6-8。视网膜和视交叉表达轴突导向信号分子，如Eph家族受体及其配体⁹，因此被认为是视路异常投射的潜在部位¹⁰。<....

方案

伦理声明：本项研究已获得加拿大多伦多约克大学人类参与者审查委员会（HPRC）的批准。所有参与者均签署了知情书面同意书。

1. 受试者准备

注意：将11名白化病（OCA）患者（年龄36 ± 4岁，其中女性6名）与10名年龄匹配的对照组个体（年龄32 ± 4岁，其中女性6名）进行比较。受试者信息记录于表1中。

1. 要求每位受试者填写并签署一份列明 MRI 安全指南和成像方案的知情同意书。
2. 为每位受试者提供耳塞。将受试者仰卧、头先进入磁体，并以眉毛水平为基准定位。使用垫子固定受试者头部，以减少头部运动。给予受试者一个挤压球用于紧急报警。

2. 结构磁共振成像参数

注意：所有成像均使用配备32通道头部线圈的3T MRI扫描仪采集。每位受试者进行一次扫描 session：

1. 使用3D-MPRAGE序列获取覆盖全脑的高分辨率T1加权解剖图像，参数如下：采集时间4分26秒，视野256 mm，矩阵256，192层，层厚1 mm，最终获得各向同性体素尺寸为1.0 mm³，TR = 1900 ms，TE（回波时间）= 2.52 ms，反转时间900 ms，翻转角9°，信号平均次数1次，采用并行成像（i....

结果

本节总结了使用两种不同纤维束成像算法（确定性算法和概率性算法）所获得的结果。记录了在PD空间中绘制掩膜的LGN体积，以及本研究中使用的其他所有空间中的LGN体积。 表 2，以及 LGN 示踪如图所示 图 4. 此处报告的结果基于使用标准球体作为外侧膝状体（LGN）感兴趣区域（ROI）的运行结果。标准LGN体积为461 mm³³ 在解剖学空间中双侧半球（概率运行），以及 292.5 mm³ 和 364.5 mm³ 在弥散空间（确定性运行）中，分别对应左右半球。对于两次运行，这些标准体积与在MNI空间中计算得到的平均体积非常接近（解剖空间至MNI：472 mm³ 和 440 mm³ 分别对应左侧和右侧；扩散至 MNI：376 和 312 mm³ 左右分别），但比大多数在原生空间中的LGN体积要大（解剖像中最大为281 mm³.......

讨论

与对照组相比，预期白质（WM）存在异常，更具体地说，白化病患者的连通性降低。因此，本研究中观察到的白化病患者右侧半球的分数各向异性（FA）降低，以及男性白化病患者连通性下降的结果，均符合我们的预测。性别和半球效应尚不完全明确，尽管已有针对健康大脑的研究表明，与女性相比，男性的左侧半球白质复杂性较低^30-31，这可能部分解释本研究中观察到的与性别和半球相关的差异。男性白化病患者相较于女性白化病患者的连通性降低，可能部分归因于两组中女性平均年龄更小（7-8岁 < 男性），因为在健康大脑中，白质体积在中年时期即被报道有所减少^32-33。性别差异也可能源于样本量较小以及每组中男性与女性数量不均衡（5名男性OCA患者，4名对照者）。与同性别对照组相比，女性白化病患者表现出更高的连通性，这一结果出乎意料，可能提示白化病中存在某种代偿机制。然而，该发现也可能主要归因于小样本群体中存在的较大变异性。

平均FA值和纤维束数量用于探究外侧膝状体核（LGN）到初级视皮层（V1）的连接性。FA是弥散数据中最常报告的指标之一，最准确的描述.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
西门子 Magnetom Tim Trio 3T 磁共振成像仪	Siemens (Erlangen, Germany)
FMRIB’软件库 (FSL)			http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/
FreeSurfer			http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu
DSI Studio			http://dsi-studio.labsolver.org
SPSS