Het meten van connectiviteit in de primaire visuele Pathway in Human Albinisme Met behulp van Diffusion Tensor Imaging en tractografie
August 11th, 2016
Dit manuscript beschrijft deterministische en probabilistische algoritmen voor witte stof (WM) de wederopbouw, wordt gebruikt om de verschillen in optische straling (OR) connectiviteit tussen albinisme en controles te onderzoeken. Hoewel probabilistische tractography volgt de werkelijke koers zenuwvezels nader werd deterministische tractography uitgevoerd om de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van beide technieken te vergelijken.
Het algemene doel van dit onderzoek is om de thalamocorticale connectiviteit bij albinisme en controles te onderzoeken met behulp van diffusie-imaging en om de output van twee traceringsalgoritmen te vergelijken in de reconstructie van de optische stralingsbundel. Diffusie-MRI en tractografie kunnen helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in het onderzoek naar het zicht, zoals het effect van axonaal misrout op de structurele organisatie van de visuele route bij menselijk albinisme. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het niet-invasieve mapping van grote witte stofroutes in de levende hersenen mogelijk maakt en veelbelovende vooruitgang heeft getoond in neurochirurgische planning.
Verzamel alle beeldvorming zoals beschreven in dit protocol. Op een 3 Tesla MRI-scanner uitgerust met een 32-kanaals hoofdspoel. Voorafgaand aan de beeldvorming, screen eerst elke deelnemer grondig op MRI-veiligheid en laat hen een toestemmingsformulier ondertekenen dat het protocol beschrijft.
Geef de proefpersonen oordopjes voor gehoorbescherming voordat u ze op hun rug en hoofd-eerst op de scannertafel plaatst. Zorg voor een alarmknop. Plaats vervolgens kussens om hoofdbeweging te verminderen.
Maak een markering boven de ogen ter hoogte van de wenkbrauwen. Voordat u het onderwerp de scanner in stuurt. Begin met beeldvorming door een hoogwaardig T1-gewogen beeld te verkrijgen met behulp van een 3D MP-RAGE-sequentie die de hele hersenen bedekt.
Gebruik de parameters die hier op het scherm te zien zijn. Met een isotrope voxelgrootte van één millimeter. Verkrijg vervolgens een DTI-sequentie die de cortex bedekt met 64 richtingen in twee millimeter plakjes.
Plaats de plakjes in een transversale oriëntatie volgens de lijn van de voorste en achterste commissuur. Verkrijg ook 30 tot 40 PD-gewogen protondichtheidsbeelden met behulp van een turbo spin echo-pulssequentie. Stel dit op in een coronale oriëntatie parallel aan de hersenstam die zich uitstrekt van de buitenste uitloper van de pons tot het achterste deel van de inferior colliculus.
De afbakening van LGN moet worden uitgevoerd terwijl men blind is voor de groepslidmaatschap van het onderwerp. Begin met het laden van het hoge resolutie PD-beeld in FSL-weergave. Klik vervolgens op het tabblad gereedschappen om een enkele optie te selecteren om het beeld te vergroten.
Selecteer vervolgens het bestandstabblad om de optie masker maken te selecteren en gebruik de werkbalk om de LGN in elke plak te volgen. Indien gewenst, wijzig de contrast van het beeld in de werkbalk om LGN-detectie te vergemakkelijken. Volg handmatig zowel de rechter- als linker-LGN-maskers drie keer elk op gemiddelde PD-beelden die zijn geinterpoleerd naar tweemaal de resolutie, en dus de helft van de oorspronkelijke voxelgrootte.
Om VI-segmentatie uit te voeren, voer eerst de recon all-opdracht uit in free surfer op T1-gewogen beelden in de native anatomische ruimte voor geautomatiseerde verwerking. Converteer vervolgens de uitvoer naar V1-parcellering in een volumetrische masker met behulp van de label2surf- en surf2volume-opdrachten. Voordat u probabilistische traceringen uitvoert, voert u eerst flirt lineaire registratie uit om de hersenbeelden die in free surfer en anatomische ruimte zijn in diffusie-ruimte te brengen.
Selecteer de free surface-ruimte-uitvoer van recon all, of een uitgehaalde T1 van de hersenen van een onderwerp als invoerbeeld. Vervolgens een eddy-gecorrigeerde en uit de hersenen geëxtraheerde diffusieweg-afbeelding als referentiebeeld. Gelijkaardig, voor deterministische traceringen, gebruik flirt lineaire registratie om protondichtheidshersenen naar diffusie-ruimte te brengen.
Ook, ter voorbereiding op probabilistische traceringen, voer deze lineaire registratie uit om de PD-hersenen van deelnemers naar free surface-ruimte en native anatomische ruimte voor LGN-maskertransformatie te brengen. Merk op dat deze stap twee uitvoer creëert. De invoerhersenen geregistreerd op het referentiebeeld en een transformatiematrix.
Pas vervolgens de flirt-transformatie toe om zaadmaskers voor tractografie voor te bereiden. Voor probabilistische tractografie, gebruik de dot mat-uitvoer van lineaire registratie van PD naar free surfer of anatomische T1 als transformatiematrix. De originele LGN-masker als invoer en de hersenen in free surfer-ruimte of anatomische ruimte als referentievolume.
Zorg ervoor dat u de naaste buur-interpolatieselectie gebruikt uit geavanceerde opties. Herhaal dit voor deterministische tractografie, alleen nu met de hersenen in diffusie-ruimte als referentievolume. Om de LGN te normaliseren, gebruik FSL-wiskunde om een ROI-punt te maken met de coördinaten van de geschikte individuele LGN-masker in native anatomische ruimte voor probabilistische tractografie of diffusie-ruimte voor deterministische tractografie.
Gebruik vervolgens FSL-wiskunde om de straal van het gemiddelde masker in MNI-ruimte te passen die is berekend over alle deelnemers om een sfeer rond het ROI-punt in native anatomische of diffusie-ruimte te maken. Op dit punt, bereid met behulp van alleen free surface-ruimtebestanden, doelmaskers voor voor probabilistische tractografie. Registreer free surfer-hersenen naar native anatomische ruimte.
Maak vervolgens doelmaskers door transformatie toe te passen op V1-maskers met behulp van trilineaire interpolatie. Om probabilistische tractografie uit te voeren, gebruik eerst eddy-stroomcorrectie om vervormingen in diffusieweg-afbeeldingen te corrigeren. Vervolgens extract de hersenen van de afbeeldingen.
Selecteer vervolgens de bedpost X-optie. Kies vervolgens voor probabilistische traceringen en voer deze voor elk hemisfeer afzonderlijk uit. Behoud de standaard basisopties, maar selecteer voor meer nauwkeurigheid gemodificeerde oiler voor het berekenen van probabilistische stroomlijnen onder geavanceerde opties.
Selecteer enkelvoudig masker als zaadruimte. Laad vervolgens het getransformeerde LGN-masker als zaadbeeldig in native anatomische ruimte samen met de anatomische T1 naar diffusie-transformatiematrix als zaad naar diffusie-transform. Selecteer ten slotte V1 in anatomische ruimte uit optionele doelen als doel.
Herhaal met behulp van de standaard sferische ROI's en vervolgens opnieuw met niet-genormaliseerde zaad
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze studie onderzoekt thalamocorticale connectiviteit bij albinisme en controles met behulp van diffusie-imaging. Het vergelijkt reconstructie van de optische straling van deterministische en probabilistische traceringsalgoritmen.
Belangrijkste studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Diffusie-imaging
- Visueel padonderzoek
Achtergrond
- Albinisme beïnvloedt visuele verwerking en connectiviteit.
- Diffusie-MRI maakt niet-invasieve mapping van witte-stof paden mogelijk.
- Begrip van de optische straling kan inzichten geven in de organisatie van het visuele pad.
- Tractografietechnieken kunnen verschillen in connectiviteit onthullen.
Doel van het onderzoek
- Om verschillen in optische stralingconnectiviteit tussen albinisme en controles te onderzoeken.
- Om de betrouwbaarheid van deterministische en probabilistische tractografie te vergelijken.
- Om het begrip van de structurele organisatie in het visuele pad te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Diffusie-MRI-imaging op een 3 Tesla MRI-scanner.
- Gebruik van een 32-kanaals hoofdspoel voor imaging.
- Screening van deelnemers op MRI-veiligheid.
- Informatie verkrijgen van deelnemers met geïnformeerde toestemming.
Belangrijkste resultaten
- Probabilistische tractografie volgt zenuwvezelpaden nauwkeuriger.
- Deterministische tractografie biedt een basis voor vergelijking.
- Er werden verschillen in connectiviteit waargenomen tussen groepen.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van de organisatie van het visuele pad bij albinisme.
Conclusies
- Beide tractografiemethoden zijn waardevol voor het onderzoeken van witte-stof connectiviteit.
- Probabilistische methoden kunnen in bepaalde contexten betere betrouwbaarheid bieden.
- Er is verder onderzoek nodig om de implicaties voor onderzoek naar het zicht te verkennen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This study demonstrates how diffusion tensor imaging and tractography can quantify structural connectivity in the human visual pathway, offering a non-invasive biomarker for thalamo-cortical integrity. In albinism, reduced LGN-to-V1 connectivity reflects developmental misrouting, providing a measurable endpoint for target validation in neurodevelopmental disorder research. The approach supports mechanistic de-risking by linking anatomical deficits to functional visual impairments, enabling predictive modeling in preclinical and translational studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of thalamo-cortical pathway integrity as a biomarker for retinal ganglion cell misrouting in albinism models.
- Operational Value: Provides quantitative, reproducible connectivity metrics (e.g., fiber density, FA) to support target hypothesis testing and pathway de-risking.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, spatially normalized white matter connectivity readouts suitable for assay-like comparison across genotypes or treatment conditions.
- Operational Value: Supports development of reproducible imaging protocols for longitudinal tracking of structural changes in visual pathways.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates translational continuity by aligning rodent models of albinism with human DTI-tractography phenotypes via conserved visual pathway anatomy.
- Operational Value: Enables preclinical assessment of therapeutic candidates targeting axonal guidance or synaptic connectivity mechanisms.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from target validation through preclinical evaluation by providing a quantifiable, non-invasive readout of visual pathway structural integrity.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on axonal guidance genes and their impact on thalamocortical wiring in neurodevelopmental models.
- Screening: Delivers standardized, quantitative outputs (e.g., tract volume, FA) for high-reproducibility comparison across experimental groups.
- Analytics: Enables group-level statistical comparison (e.g., TBSS) to detect significant differences in white matter integrity between conditions.
- Translational Research: Connects cellular mechanisms (e.g., RGC misrouting) to systems-level structural phenotypes in the visual pathway.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, cross-platform capable imaging workflow applicable to multiple CNS disorder models affecting sensory pathways.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by linking developmental mechanisms to measurable structural connectivity deficits in the visual system.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized acquisition, processing, and tractography protocols across sites and studies.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, mechanism-based biomarkers of pathway integrity in neurodevelopmental programs.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds targeting axonal guidance or synaptic connectivity based on structural pathway rescue.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroimaging, diffusion MRI processing, and tractography software (e.g., FSL, DSI Studio, FreeSurfer).
- Depends on access to 3T MRI scanners with high-gradient performance and multi-channel coils for adequate diffusion weighting and spatial resolution.
- Necessitates standardized protocols for participant screening, image acquisition, and cross-subject normalization to ensure reproducibility.
- Involves validation steps including mask delineation blinding, registration accuracy checks, and comparison of deterministic vs. probabilistic outputs to confirm robustness.
- Limited by the inherent low fiber density and crossing complexity of the optic radiation, which may affect tractography sensitivity and require advanced modeling approaches.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:51
Subject Preparation & Structural MRI Parameters
2:55
LGN Delineation
3:58
V1 Segmentation and Pre-tracking Registrations
7:32
Probabilistic Tractography
8:53
Deterministic Tractography (DSI Studios)
10:13
Results: Deterministic and Probabilistic Tractography in Albinism
12:00
Conclusion
