Name: Medição Conectividade no Visual principal via de albinismo humano utilizando tensor de difusão e tractography (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-11T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 26 s
Description: Aprenda a mapear conectividade talamocortical no albinismo usando imagem de difusão e tractografia. Compare algoritmos determinísticos e probabilísticos para reconstrução da radiação óptica em humanos.

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O trabalho é apoiado em parte pelas Ciências Naturais e Engenharia do Conselho de Investigação do Canadá (NSERC). Os autores agradecem os participantes, o Dr. Rick Thompson por sua ajuda no recrutamento dos pacientes albinismo, Denis Romanovsky por sua ajuda em execução algumas das análises e modificar uma figura, Mónica Giraldo Chica por seu conhecimento e aconselhamento com tractography, Joy Williams por sua ajuda na aquisição de ressonância magnética, e Aman Goyal por sua experiência de análise de ressonância magnética.

<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>
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<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>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>
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</ol>

Os autores declaram não haver conflito de interesses.

WM alterada e, mais especificamente, diminuiu a conectividade em albinismo comparação com os controlos eram esperados. Assim, a FA reduzida no hemisfério direito do albinismo em relação aos controles, bem como a conectividade diminuiu em pacientes do sexo masculino com albinismo aqui relatados estão em linha com a nossa previsão. Gênero e hemisfério efeitos não são totalmente claras, embora a pesquisa sobre o cérebro saudável, que sugere diminuição da complexidade WM no hemisfério esquerdo de machos em relação às fêmeas...

O albinismo é uma condição genética caracterizada principalmente por hipopigmentação ostensiva observada em indivíduos afetados. É causada por mutações hereditárias de genes envolvidos na síntese de melanina 1. Albinismo aparece em duas formas principais: albinismo óculo-cutâneo (OCA), autossómica recessiva que apresenta características tanto oculares e cutâneas; e albinismo ocular (OA), uma característica ligada ao cromossoma X mais prevalente nos homens e principalmente caracterizada pelos sintomas oculares 2. A melanina no epitélio pigmentado da retina (RPE) é crucial para o desenvolvimento adequado da via visual central. Sua ausência em albinismo, portanto, resulta em deficiência visual, incluindo fotofobia, nistagmo, redução da acuidade visual e perda da visão binocular 2-3. A acuidade visual tem sido associada a morfologia da fóvea, o que é alterado em quatro albinismo. Nos seres humanos, uma linha de retina de decussação encontra-se ao longo da fronteira nasotemporal através da fóvea, com fibras a partir de retina nasalatravessar para o outro hemisfério e os da retina temporal, estendendo-se ipsilateralmente. O grau de redução da função visual em albinismo tem sido associada ao nível de hipopigmentação. Especificamente, a pigmentação é inversamente proporcional à mudança para a retina temporal da linha de decussação 5. Como resultado da mudança de linha de decussação na retina temporal passagem das fibras do nervo óptico é aumentada - uma característica comum entre todas as espécies 3. Exames de ressonância magnética estrutural em seres humanos demonstraram chiasms óptica mais estreitos em albinismo comparados aos controles, o que é provável que o resultado do aumento da passagem de RGCs observados em albinismo 6-8. A retina e óptica chiasm expressar pistas de orientação axonal como receptores da família Ef e seus ligantes 9 e, portanto, são locais candidatos para misrouting 10. Um estudo sobre macacos com glaucoma induzido revelou uma significativa dezembroRease no número de neurônios LGN relé parvalbumina-imunorreativa e volume de LGN 11. Isto sugere uma correlação entre o tamanho do LGN e do número de substância branca (WM) trajetórias que viajam através do OR para V1. Um estudo post mortem em albinismo humano também revelou menor LGN com fundidos M e P camadas 12. De alta resolução de ressonância magnética estrutural confirmou redução significativa no volume de LGN no albinismo 8. Tomados em conjunto, estes resultados sugerem que a diminuição do volume LGN pode resultar em um número reduzido de neurônios no LGN, e por sua vez em diminuição da conectividade entre LGN e V1. padrões examinando de conectividade anatômica em seres humanos tem sido limitada. Dissecção, a injeção do radiofármaco e indução da lesão são as técnicas invasivas que só podem ser utilizados post mortem e, normalmente, envolvem um número muito pequeno de pacientes. Estudos anteriores, usando carbocianina tingir injeções DII demonstrado conectividade neuronal entre V1 e V2 (visual c secundárioortex) 13, bem como dentro do complexo do hipocampo no cérebro humano post-mortem fixa-aldeído 14. Fibras de rotulagem dessa forma é restrito a distâncias de apenas dezenas de milímetros a partir do ponto de injecção 14. Difusão de imagens tensor, DTI, é uma modalidade de ressonância magnética desenvolvido no início de meados dos anos 1990 para identificar direção do trato fibra e organização. É um método não-invasivo que permite o mapeamento de grandes vias WM no cérebro vivo. DTI é sensível para a difusão de moléculas de água no tecido biológico 15. No cérebro, a difusão da água é anisotrópica (irregular) devido a obstáculos, tais como membranas e mielina. WM tem alta anisotropia de difusão, o que significa que a difusão é maior do que paralelamente à perpendicular à orientação das fibras 16. anisotropia fracionada (FA) é uma quantidade escalar que descreve a preferência de moléculas para se difundir de forma anisotrópica. valores de FA variam de 0-1, de baixo a alto anisotropy (líquido cefalorraquidiano (LCR) &lt;matéria cinzenta (GM) &lt;WM) 16. Dinamize (determinístico) e rastreamento de fibra probabilística são dois algoritmos diferentes para a reconstrução caminho 3D. tractography determinístico utiliza um método de propagação de linha, ligando voxels vizinhos em uma região de sementes definida. Dois critérios de paragem utilizados neste algoritmo é o ângulo de rotação e o valor FA. Portanto, trato rastreamento entre voxels vizinhos é improvável a grandes ângulos de viragem. O algoritmo seria, portanto, também progride apenas se a FA em um voxel exceder um limite específico, limitando a sua eficácia no que definem com precisão as vias próximas massa cinzenta, onde a anisotropia cai. Tractography probabilística, por outro lado, produz um mapa de conectividade que descrevem a probabilidade de um voxel de fazer parte de um intervalo entre duas regiões de interesse (ROI) e, portanto, avança para a matéria cinzenta, tal como V1 17. Usando esta aplicação MRI, estruturas fundamentais como a WMOU pode ser delineada, como demonstrado em estudos anteriores 18-20. Este estudo utiliza, portanto, dados de difusão e tractography para explorar o efeito da misrouting axonal na conectividade de retino-geniculo cortical. Com base em reduções previamente relatados em volumes LGN em albinismo humano 8, prevemos que as projeções de fibra de LGN para V1 também são reduzidos (Figura 1).

<table><tbody><tr><td>Magnetom Tim Trio 3T MRI</td><td>Siemens (Erlangen, Alemanha)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>FMRIB' Biblioteca de 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>

medição conectividade no visual principal via de albinismo humano utilizando tensor de difusão e tractography

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

Em albinismo, o número de ipsilateralmente projectam células ganglionares da retina (RGCs) é significativamente reduzido. A retina e quiasma têm sido propostos como locais candidatos para misrouting. Desde uma correlação entre o número de lateral do núcleo geniculado (LGN) retransmitir neurônios e tamanho LGN foi mostrado, e com base em reduções previamente relatados em volumes LGN em albinismo humano, sugerimos que as projeções de fibra de LGN para o córtex visual primário (V1) também são reduzidos. Estudando as diferenças estruturais no sistema visual de albinismo pode melhorar a compreensão do mecanismo de misrouting e aplicações clínicas subsequentes. dados de difusão e tractography são úteis para mapear o OR (radiação óptica). Este manuscrito descreve dois algoritmos para ou reconstrução, a fim de comparar a conectividade cerebral em albinismo e scanner de ressonância magnética controls.An com uma bobina de cabeça de 32 canais foi usado para adquirir varreduras estruturais. A sequência de MPRAGE 3D ponderadas em T1 com 1 mm3 tamanho do voxel isotrópico foi usado para gerar imagens de alta resolução para a segmentação V1. Multiple densidade de prótons (PD) imagens ponderadas foram adquiridos coronariamente para direita e esquerda LGN localização. Tensor de difusão de imagem (DTI) scans foram adquiridos com 64 indicações de difusão. Ambos métodos de rastreamento determinísticos e probabilísticos foram executados e comparados, com LGN como a máscara de sementes e V1 como a máscara alvo. Embora DTI fornece relativamente pobre resolução espacial, e o delineamento preciso do ou pode ser difícil, devido à sua baixa densidade da fibra, tractography foi demonstrado ser vantajoso tanto na pesquisa como clinicamente. Trato estatísticas espaciais baseados (TBSS) revelou áreas de reduzida significativamente integridade da substância branca dentro da OR em pacientes com albinismo em relação aos controles. Comparações pareadas revelou uma redução significativa na LGN à conectividade V1 em albinismo relação aos controles. Comparando ambos os algoritmos de rastreamento revelou achados comuns, fortalecendo a confiabilidadeda técnica.

Esta seção fornece um resumo dos resultados obtidos utilizando dois algoritmos diferentes de tractography, determinista e probabilística. LGN volumes de espaço em DP em que mascara foram originalmente desenhada, bem como em todos os outros espaços usados ​​neste estudo, estão registados na Tabela 2, e LGN rastreio é ilustrado na Figura 4. Os resultados aqui apresentados são baseados em corridas que usaram uma esfera padrão como o ROI LGN...

Este manuscrito descreve algoritmos determinísticos e probabilísticos para a matéria branca (WM) reconstrução, usado para examinar as diferenças na radiação óptica (OR) conectividade entre albinismo e controles. Embora tractography probabilística segue o verdadeiro curso de fibras nervosas mais de perto, tractography determinista foi executado para comparar a confiabilidade e reprodutibilidade de ambas as técnicas.

Medição Conectividade no Visual principal via de albinismo humano utilizando tensor de difusão e tractography

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

O objetivo geral deste estudo é examinar a conectividade tálamo-cortical no albinismo e controles usando imagens de difusão e comparar a reconstrução da radiação óptica de saída de dois algoritmos de rastreamento. A ressonância magnética de difusão e a tractografia podem ajudar a responder a questões-chave na pesquisa da visão, como o efeito do desvio axonal na organização estrutural da via visual no albinismo humano. A principal vantagem dessa técnica é que ela permite o mapeamento não invasivo de grandes vias da substância branca no cérebro vivo e tem mostrado avanços promissores no planejamento neurocirúrgico.Adquira todas as imagens conforme descrito neste protocolo. Em um scanner de ressonância magnética de 3 Tesla equipado com uma bobina de cabeça de 32 canais. Antes da imagem, primeiro examine minuciosamente cada participante quanto à segurança da ressonância magnética e peça que assinem um formulário de consentimento descrevendo o protocolo.Forneça aos sujeitos tampões de ouvido para proteção auditiva antes de posicioná-los em decúbito dorsal e de cabeça na mesa do scanner. Forneça uma lâmpada de aperto de alerta. Em seguida, coloque almofadas para reduzir o movimento da ca

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neurociência

Técnicas de neuroimagem, como a ressonância magnética funcional e Tensor de Difusão de imagens tornaram-se cada vez mais útil na caracterização dos déficits cognitivos e neural no autismo. Um exame de conectividade do cérebro no autismo a um nível de rede, juntamente com adaptações para a digitalização de crianças com deficiências de desenvolvimento é apresentado.

Sondando o cérebro no autismo utilizando fMRI e Difusão Tensor Imagem

Nós descrevemos uma nova abordagem para a análise simultânea da função cerebral e estrutura usando ressonância magnética (MRI). Avaliamos a estrutura do cérebro com imagens ponderada em difusão de alta resolução e de matéria-branco tratografia fibra. Ao contrário do padrão estrutural de ressonância magnética, estas técnicas permitem-nos relacionar diretamente conectividade anatômica a propriedades funcionais de redes cerebrais.

Co-análise de estrutura e função cerebral usando ressonância magnética funcional e imagem ponderada em difusão

Tensor de difusão (DTI), basicamente, serve como uma ferramenta baseada em ressonância magnética para...

Diffusion Tensor Imagem por Ressonância Magnética na Análise de Doenças Neurodegenerativas

Imagem por tensores de difusão (DTI) foi realizada para tentar descrever as principais partes do sistema visual. O objectivo era utilizar um FDA aprovou estação comercial padrão que pode ser usado para a rotina diária, a fim de tentar reduzir os danos de pós-operatório da via visual nos pacientes.

DTI do Caminho Visual - substância branca panfletos e Cerebral Lesões

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Conexões de Fibra da Área Suplementar de Motor Revisitada: Metodologia de Dissecção de Fibras, DTI e Documentação Tridimensional

Apresentamos um protocolo para integrar a mania de ressonância magnética difusa no trabalho do paciente para cirurgia endonasal endonasal endoscópica para um tumor de base craniana. Os métodos de adoção desses estudos de neuroimagem nas fases pré e intraoperatória são descritos.

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Simultâneo<em&gt; Ex vivo</em&gt; Teste Funcional de Dois retinas por<em&gt; In vivo</em&gt; Sistema Eletrorretinograma

Aqui, mostramos como analisar roteamento dendrítica de neurônios da medula Drosophila em colunas e camadas. O fluxo de trabalho inclui uma técnica de imagem dual-vista a melhorar a qualidade de imagem e ferramentas computacionais para a detecção, registrar mandris dendríticas para a matriz coluna de referência e para analisar as estruturas dendríticas no espaço 3D.

Analisando dendríticas Morfologia em Colunas e Camadas

Aprenda a mapear conectividade talamocortical no albinismo usando imagem de difusão e tractografia. Compare algoritmos determinísticos e probabilísticos para reconstrução da radiação óptica em humanos.

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