Name: Misurare la connettività nella Primaria via visiva in albinismo umano per mezzo del tensore di diffusione Imaging e Trattografia (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-11T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 26 s
Description: Scopri la connettività talamocorticale nell'albinismo umano utilizzando imaging di diffusione e trattografia probabilistica e deterministica. Questo metodo non invasivo mappa le vie della materia bianca per studiare l'organizzazione della via visiva.

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Il lavoro è sostenuto in parte dalle scienze naturali e ingegneria Research Council del Canada (NSERC). Gli autori ringraziano i partecipanti, il Dr. Rick Thompson per la sua assistenza nel reclutamento di pazienti albinismo, Denis Romanovsky per il suo aiuto l&#39;uso di alcuni delle analisi e la modifica di una figura, Mónica Giraldo Chica per le sue conoscenze e la consulenza con trattografia, Joy Williams per il suo aiuto in acquisizione MRI, e Aman Goyal per la sua risonanza magnetica competenza analisi.

<ol><li>Montoliu, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increasing+the+complexity%3A+new+genes+and+new+types+of+albinism%5BTitle%5D)+AND+%22Pigment+Cell+Melanoma+Res%22%5BJournal%5D)">Increasing the complexity: new genes and new types of albinism.</a> Pigment Cell Melanoma Res. 27, 11-18 (2013).</li>
<li>Martinez-Garcia, M., Montoliu, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Albinism+in+Europe%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Dermatol%22%5BJournal%5D)">Albinism in Europe.</a> J. Dermatol. 40 (5), 319-324 (2013).</li>
<li>Gottlob, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Albinism%3A+a+model+of+adaptation+of+the+brain+in+congenital+visual+disorders%5BTitle%5D)+AND+%22Br.+J.+Opthalmol%22%5BJournal%5D)">Albinism: a model of adaptation of the brain in congenital visual disorders.</a> Br. J. Opthalmol. 91 (4), 411-412 (2007).</li>
<li>Wilk, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relationship+between+foveal+cone+specialization+and+pit+morphology+in+albinism%5BTitle%5D)+AND+%22Invest.+Ophthalmol.+Vis.+Sci%22%5BJournal%5D)">Relationship between foveal cone specialization and pit morphology in albinism.</a> Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 55 (7), 4186-4198 (2014).</li>
<li>Von dem Hagen, E. A. H., Houston, G. C., Hoffman, M. B., Morland, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pigmentation+predicts+the+shift+in+the+line+of+decussation+in+humans+with+albinism%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Pigmentation predicts the shift in the line of decussation in humans with albinism.</a> Eur. J. Neurosci. 25, 503-511 (2007).</li>
<li>Rice, D. S., Williams, R. W., Goldowitz, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Genetic+control+of+retinal+projections+in+inbred+strains+of+albino+mice%5BTitle%5D)+AND+%22J+comp+neurol%22%5BJournal%5D)">Genetic control of retinal projections in inbred strains of albino mice.</a> J comp neurol. 354 (3), 459-469 (1995).</li>
<li>Schmitz, B., Schaefer, T., Krick, C. M., Reith, W., Backens, M., Kasmann-Kellner, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Configuration+of+the+optic+chiasm+in+humans+with+albinism+as+revealed+by+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Invest.+Ophthalmol.+Vis.+Sci%22%5BJournal%5D)">Configuration of the optic chiasm in humans with albinism as revealed by magnetic resonance imaging.</a> Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 44 (1), 16-21 (2003).</li>
<li>Mcketton, L., Kelly, K. R., Schneider, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Abnormal+lateral+geniculate+nucleus+and+optic+chiasm+in+human+albinism%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Comp.+Neurol%22%5BJournal%5D)">Abnormal lateral geniculate nucleus and optic chiasm in human albinism.</a> J. Comp. Neurol. 522 (11), 2680-2687 (2014).</li>
<li>Williams, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ephrin-B2+and+EphB1+mediate+retinal+axon+divergence+at+the+optic+chiasm%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Ephrin-B2 and EphB1 mediate retinal axon divergence at the optic chiasm.</a> Neuron. 39 (6), 919-935 (2003).</li>
<li>van Genderen, M. M., Riemslag, F. C., Schuil, J., Hoeben, F. P., Stilma, J. S., Meire, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chiasmal+misrouting+and+foveal+hypoplasia+without+albinism%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opthalmol%22%5BJournal%5D)">Chiasmal misrouting and foveal hypoplasia without albinism.</a> J. Opthalmol. 90 (9), 1098-1102 (2006).</li>
<li>Yücel, Y. H., Zhang, Q., Gupta, N., Kaufman, P. L., Weinreb, R. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Loss+of+neurons+in+magnocellular+and+parvocellular+layers+of+the+lateral+geniculate+nucleus+in+Glaucoma%5BTitle%5D)+AND+%22Arch.+Ophthalmol%22%5BJournal%5D)">Loss of neurons in magnocellular and parvocellular layers of the lateral geniculate nucleus in Glaucoma.</a> Arch. Ophthalmol. 118 (3), 378-384 (2000).</li>
<li>von dem Hagen, E. A., Hoffman, M. B., Morland, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identifying+human+albinism%3A+a+comparison+of+VEP+and+fMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Invest.+Ophthalmol.+Vis.+Sci%22%5BJournal%5D)">Identifying human albinism: a comparison of VEP and fMRI.</a> Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 49 (1), 238-249 (2008).</li>
<li>Burkhalter, A., Bernardo, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organization+of+cortico-cortical+connections+in+human+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+USA%22%5BJournal%5D)">Organization of cortico-cortical connections in human visual cortex.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 86 (3), 1071-1075 (1989).</li>
<li>Mufson, E. J., Brady, D. R., Kordower, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tracing+neuronal+connections+in+postmortem+human+hippocampal+complex+with+the+carbocyanine+Dye+DiI%5BTitle%5D)+AND+%22Neurobiol.+Aging%22%5BJournal%5D)">Tracing neuronal connections in postmortem human hippocampal complex with the carbocyanine Dye DiI.</a> Neurobiol. Aging. 11 (6), 649-653 (1990).</li>
<li>Wedeen, V. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+spectrum+magnetic+resonance+imaging+%28DSI%29+tractography+of+crossing+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Diffusion spectrum magnetic resonance imaging (DSI) tractography of crossing fibers.</a> Neuroimage. 41 (4), 1267-1277 (2008).</li>
<li>Smith, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tract-based+spatial+statistics%3A+voxelwise+analysis+of+multi-subject+diffusion+data%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Tract-based spatial statistics: voxelwise analysis of multi-subject diffusion data.</a> NeuroImage. 31 (4), 1487-1505 (2006).</li>
<li>Newcombe, V. F., Das, T., Cross, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+imaging+in+neurological+disease%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurol%22%5BJournal%5D)">Diffusion imaging in neurological disease.</a> J. Neurol. 260 (1), 335-342 (2013).</li>
<li>Behrens, T. E. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+mapping+of+connections+between+human+thalamus+and+cortex+using+diffusion+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Non-invasive mapping of connections between human thalamus and cortex using diffusion imaging.</a> Nat. Neurosci. 6 (7), 750-757 (2003).</li>
<li>Bassi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probabilistic+diffusion+tractography+of+the+optic+radiations+and+visual+function+in+preterm+infants+at+term+equivalent+age%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Probabilistic diffusion tractography of the optic radiations and visual function in preterm infants at term equivalent age.</a> Brain. 131 (2), 573-582 (2008).</li>
<li>Hofer, S., Karaus, A., Frahm, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reconstruction+and+dissection+of+the+entire+human+visual+pathway+using+diffusion+tensor+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Neuroanat%22%5BJournal%5D)">Reconstruction and dissection of the entire human visual pathway using diffusion tensor MRI.</a> Front Neuroanat. 4, 1-7 (2010).</li>
<li>Fujita, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lateral+Geniculate+Nucleus%3A+Anatomic+and+Functional+Identification+by+Use+of+MR+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Neuroradiol%22%5BJournal%5D)">Lateral Geniculate Nucleus: Anatomic and Functional Identification by Use of MR Imaging.</a> Am. J. Neuroradiol. 22 (9), 1719-1726 (2001).</li>
<li>McKetton, L., Joy, W., Viviano, J. D., Yücel, Y. H., Gupta, N., Schneider, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+resolution+structural+magnetic+resonance+imaging+of+the+human+subcortex+in+vivo+and+postmortem%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">High resolution structural magnetic resonance imaging of the human subcortex in vivo and postmortem.</a> J. Vis. Exp. , (2015).</li>
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<li>Andrews, T. J., Halperm, S. D., Purves, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlated+size+variations+in+human+visual+cortex%2C+lateral+geniculate+nucleus%2C+and+optic+tract%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Correlated size variations in human visual cortex, lateral geniculate nucleus, and optic tract.</a> J. Neurosci. 17 (8), 2859-2865 (1997).</li>
<li>Bridge, H., Thomas, O., Jbabdi, S., Cowey, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changes+in+connectivity+after+visual+cortical+brain+damage+underlie+altered+visual+function%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Changes in connectivity after visual cortical brain damage underlie altered visual function.</a> Brain. 131, 1433-1444 (2008).</li>
<li>Asman, A. J., Landman, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-local+statistical+label+fusion+for+multi-atlas+segmentation%5BTitle%5D)+AND+%22Med.+Image.+Anal%22%5BJournal%5D)">Non-local statistical label fusion for multi-atlas segmentation.</a> Med. Image. Anal. 17 (2), 194-208 (2013).</li>
</ol>

Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.

WM alterato e, più in particolare, è diminuita la connettività in albinismo rispetto ai controlli erano attesi. Così, la riduzione FA nell&#39;emisfero destro di albinismo rispetto ai controlli, nonché la diminuzione della connettività nei pazienti di sesso maschile con albinismo qui riportati sono in linea con la nostra previsione. Genere e dell&#39;emisfero effetti non sono del tutto chiare, anche se la ricerca sul cervello sano che suggerisce diminuito WM complessità nell&#39;emisfero sinistro dei maschi rispetto all...

L&#39;albinismo è una condizione genetica principalmente caratterizzata da ipopigmentazione palese osservata in individui affetti. E &#39;causata da mutazioni ereditarie a geni coinvolti nella sintesi della melanina 1. L&#39;albinismo appare in due forme principali: albinismo oculo-cutaneo (OCA), un autosomica carattere recessivo che presenti caratteristiche sia oculari e cutanee; e albinismo oculare (OA), una caratteristica X-linked più prevalente nei maschi e caratterizzata principalmente da sintomi oculari 2. La melanina in epitelio pigmentato retinico (RPE) è di fondamentale importanza per il corretto sviluppo del percorso visivo centrale. La sua assenza in albinismo si traduce quindi in disabilità visive, tra cui fotofobia, nistagmo, ridotta acuità visiva e la perdita della visione binoculare 2-3. L&#39;acuità visiva è stato collegato alla morfologia della fovea, che viene alterato in albinismo 4. Negli esseri umani, una linea della retina di decussazione si trova lungo il confine nasotemporal attraverso la fovea, con fibre di retina nasaleattraversare per l&#39;altro emisfero e quelli della retina temporale che si estende ipsilaterale. Il grado di riduzione della funzionalità visiva in albinismo è stato collegato al livello di ipopigmentazione. In particolare, la pigmentazione è inversamente proporzionale allo spostamento nella retina temporale della linea di decussation 5. Come conseguenza dello spostamento in linea decussazione nella retina temporale, attraversamento delle fibre del nervo ottico aumenta - una caratteristica comune in tutte le specie 3. Studi di risonanza magnetica strutturale sugli esseri umani hanno dimostrato più stretti chiasmi ottica in albinismo rispetto ai controlli, che è probabilmente il risultato di un aumento della traversata del RGCs osservati in albinismo 6-8. La retina e chiasma ottico esprimere spunti di guida assonale come la famiglia dei recettori Ef ei loro ligandi 9 e sono quindi siti candidati per misrouting 10. Uno studio sulle scimmie con glaucoma indotto ha rivelato un significativo dicembreRease del numero di neuroni relè parvalbumin-immunoreattive LGN LGN e il volume 11. Questo suggerisce una correlazione tra la dimensione LGN e il numero di traiettorie materia bianca (WM) che viaggiano attraverso l&#39;OR a V1. Uno studio post mortem su albinismo umano ha rivelato anche più piccolo LGN con fusi M e P strati 12. Ad alta risoluzione risonanza magnetica strutturale confermato significativa riduzione del volume di LGN in albinismo 8. Presi insieme, questi risultati suggeriscono che il volume è diminuito LGN può causare un numero ridotto di neuroni nel LGN, e, a sua volta in una riduzione della connettività tra LGN e V1. Esaminare i modelli di connettività anatomica negli esseri umani è stato limitato. Dissezione, iniezione tracciante e l&#39;induzione della lesione sono tecniche invasive che possono essere utilizzati solo post mortem, e di solito coinvolgono un piccolo numero di pazienti. Studi precedenti utilizzando carbocyanine tingere iniezioni DII hanno dimostrato la connettività neuronale tra V1 e V2 (visual c secondariaortex) 13, così come all&#39;interno del complesso ippocampale in post-mortem cervelli umani aldeide-fisso 14. Fibre di etichettatura in questo modo è limitato a distanze di solo decine di millimetri dal punto di iniezione 14. l&#39;imaging del tensore di diffusione, DTI, è una modalità di risonanza magnetica sviluppato nei primi mesi-metà degli anni 1990 per identificare la direzione del tratto di fibra e di organizzazione. È un metodo non invasivo che permette mappatura delle grandi vie WM nel cervello vivente. DTI è sensibile alla diffusione delle molecole di acqua nei tessuti biologici 15. Nel cervello, la diffusione di acqua è anisotropo (non uniforme) a causa di ostacoli quali membrane e mielina. WM ha anisotropia elevata diffusione, significa la diffusione è maggiore parallelo che perpendicolare all&#39;orientamento delle fibre 16. anisotropia frazionaria (FA) è una quantità scalare che descrive la preferenza di molecole di diffondere in modo anisotropo. valori di FA vanno da 0-1, da bassa ad alta anisotropy (liquido cerebrospinale (CSF) &lt;materia grigia (GM) &lt;WM) 16. Streamline (deterministica) e il monitoraggio in fibra probabilistica sono due diversi algoritmi per la ricostruzione percorso 3D. trattografia deterministico utilizza un metodo di propagazione di linea, che collega voxel vicini in una regione semi di definito. Due criteri stop utilizzati in questo algoritmo sono l&#39;angolo di rotazione e il valore FA. Pertanto, tratto tracciando tra voxel vicini è improbabile che ad ampi angoli di svolta. L&#39;algoritmo permetterebbe quindi progredisce anche solo se la FA in un voxel supera una soglia determinata, limitando la sua efficacia nel definirne accuratamente percorsi vicino materia grigia, dove gocce anisotropia. Trattografia probabilistica, invece, produce una mappa connettività descrive la probabilità di un voxel di essere parte di un tratto tra due regioni di interesse (ROI) e quindi progredisce nella materia grigia come V1 17. Utilizzando questa applicazione la risonanza magnetica, strutture chiave come il WMO può essere delineata, come dimostrato in studi precedenti 18-20. Questo studio utilizza quindi i dati di diffusione e trattografia per esplorare l&#39;effetto di misrouting assonale sulla connettività retino-genicolo-corticale. Sulla base di riduzioni precedentemente riportati nei volumi LGN in albinismo umano 8, si prevede che le proiezioni in fibra da LGN a V1 sono anche ridotti (Figura 1).

<table><tbody><tr><td>Magnetom Tim Trio 3T MRI</td><td>Siemens (Erlangen, Germania)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>FMRIB' s Libreria software (FSL)</td><td></td><td></td><td>http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/</td></tr> <tr><td>FreeSurfer</td><td></td><td></td><td>http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu</td></tr><tr><td>DSI Studio</td><td></td><td></td><td>http://dsi-studio.labsolver.org</td></tr><tr><td>SPSS</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

misurare la connettività nella primaria via visiva in albinismo umano per mezzo del tensore di diffusione imaging e trattografia

Measuring Connectivity in the Primary Visual Pathway in Human Albinism Using Diffusion Tensor Imaging and Tractography

In albinismo, il numero di ipsilaterale sporgenti cellule gangliari della retina (RGCs) è notevolmente ridotta. La retina e chiasma ottico sono stati proposti come siti candidati per misrouting. Dal momento che una correlazione tra il numero di laterali genicolato nucleo (LGN) relè neuroni ed è stato dimostrato dimensioni LGN, e sulla base di riduzioni precedentemente riportati nei volumi LGN in albinismo umano, suggeriamo che le proiezioni in fibra da LGN alla corteccia visiva primaria (V1) sono anche ridotto. Studiando differenze strutturali nel sistema visivo di albinismo può migliorare la comprensione del meccanismo di misrouting e successive applicazioni cliniche. dati diffusione e trattografia sono utili per la mappatura della OR (radiazioni ottiche). Questo manoscritto descrive due algoritmi per il o la ricostruzione al fine di confrontare la connettività del cervello in albinismo e scanner MRI controls.An con una bobina testa a 32 canali è stato utilizzato per acquisire scansioni strutturali. Una sequenza 3D-MPRAGE T1 pesate con 1 mm3 dimensioni voxel isotropico è stato usato per generare immagini ad alta risoluzione per V1 segmentazione. densità protonica multipla (PD) immagini pesate sono stati acquisiti coronale per destra e sinistra LGN localizzazione. Di imaging del tensore di diffusione (DTI) scansioni sono state acquisite con 64 direzioni di diffusione. Sia deterministici e probabilistici metodi di monitoraggio sono stati eseguiti e confrontati con LGN come maschera seme e V1 come maschera obbiettivo. Anche se DTI fornisce relativamente scarsa risoluzione spaziale, e precisa delineazione di OR può essere difficile a causa della sua bassa densità di fibre, trattografia ha dimostrato di essere vantaggioso sia nella ricerca e clinicamente. statistiche territoriali basati Tract (TBSS) hanno rivelato aree di ridotto significativamente l&#39;integrità della sostanza bianca all&#39;interno o in pazienti con albinismo rispetto ai controlli. confronti a coppie hanno rivelato una significativa riduzione dei LGN alla connettività V1 in albinismo rispetto ai controlli. Confrontando entrambi gli algoritmi di monitoraggio hanno rivelato risultati comuni, rafforzare l&#39;affidabilitàdella tecnica.

Questa sezione fornisce una sintesi dei risultati ottenuti utilizzando due diversi algoritmi di trattografia, deterministica e probabilistica. Volumi LGN nello spazio PD in cui le maschere sono stati originariamente disegnati, così come in tutti gli altri spazi utilizzati in questo studio, sono registrate nella tabella 2, e LGN tracing è illustrato nella figura 4. I risultati qui riportati si basano sulle piste che hanno usato una sfera ...

Questo manoscritto descrive algoritmi deterministici e probabilistici per la sostanza bianca (WM) ricostruzione, usato per esaminare le differenze di radiazioni ottiche (OR) la connettività tra albinismo e controlli. Anche se trattografia probabilistico segue il vero corso di fibre nervose più da vicino, trattografia deterministico è stato eseguito per confrontare l&#39;affidabilità e la riproducibilità di entrambe le tecniche.

Misurare la connettività nella Primaria via visiva in albinismo umano per mezzo del tensore di diffusione Imaging e Trattografia

In albinism, the number of ipsilaterally projecting retinal ganglion cells (RGCs) is significantly reduced. The retina and optic chiasm have been proposed ...

L'obiettivo generale di questo studio è quello di esaminare la connettività talamocorticale nell'albinismo e nei controlli utilizzando l'imaging di diffusione e di confrontare la ricostruzione della radiazione ottica in uscita di due algoritmi di tracciamento. La risonanza magnetica e la trattografia a diffusione possono aiutare a rispondere a domande chiave nella ricerca sulla visione, come l'effetto del disallineamento assonale sull'organizzazione strutturale del percorso visivo nell'albinismo umano. Il vantaggio principale di questa tecnica è che consente la mappatura non invasiva di grandi percorsi della sostanza bianca nel cervello vivente e ha mostrato progressi promettenti nella pianificazione neurochirurgica.Acquisire tutte le immagini come descritto in questo protocollo. Su uno scanner MRI da 3 Tesla dotato di una bobina di testa a 32 canali. Prima dell'imaging, esaminare accuratamente ogni partecipante per la sicurezza della risonanza magnetica e fargli firmare un modulo di consenso che descrive il protocollo.Fornire ai soggetti tappi per le orecchie per la protezione dell'udito prima di posizionarli in posizione supina e con la testa sul tavolo dello scanner. Fornire una

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