قياس التوصيل في البصرية المسار الابتدائي في المهق الإنسان عن طريق التصوير إنتشار العضلة الشادة وTractography
Summary
توضح هذه المخطوطة خوارزميات القطعية والاحتمالية للالمادة البيضاء (WM) إعادة الإعمار، وتستخدم لدراسة الاختلافات في الإشعاع البصري (أو) الربط بين المهق والضوابط. على الرغم من أن tractography احتمالي يتبع مسارها الصحيح من الألياف العصبية بشكل وثيق، تم تشغيل tractography حتمية لمقارنة الموثوقية واستنساخ كل من التقنيات.
Abstract
في المهق، وخفض كبير في عدد من إسقاط ipsilaterally خلايا الشبكية العقدة (RGCs). وقد اقترحت شبكية العين وchiasm البصرية من المواقع المرشحة لmisrouting. منذ وجود علاقة بين عدد من الاطراف الركبي النواة (LGN) تتابع الخلايا العصبية، ولقد ثبت LGN الحجم، وبناء على تخفيضات ذكرت سابقا في حجم LGN في المهق البشري، فإننا نقترح أن توقعات الألياف من LGN إلى القشرة البصرية الأولية (V1) يتم تخفيض أيضا. يمكن دراسة الاختلافات الهيكلية في النظام البصري من المهق تحسين فهم آلية misrouting والتطبيقات السريرية اللاحقة. بيانات نشرها وtractography مفيدة لرسم خرائط أو (الأشعة الضوئية). توضح هذه المخطوطة اثنين من خوارزميات لأو إعادة البناء من أجل مقارنة الربط الدماغ في المهق وcontrols.An التصوير بالرنين المغناطيسي الماسح الضوئي مع تم استخدام 32 قناة رئيس لفائف للحصول على مسح الهيكلية. تسلسل 3D-MPRAGE T1 المرجحة مع 1 ملموقد استخدم 3 حجم فوكسل الخواص لتوليد صور عالية الدقة للتجزئة V1. تم الحصول على كثافة البروتون متعددة (PD) صور المرجح coronally عن اليمين واليسار LGN التعريب. تم الحصول على نشر الموترة التصوير (DTI) بمسح مع 64 الاتجاهين نشر. سواء تم تشغيل تتبع أساليب القطعية والاحتمالية ومقارنة، مع LGN كما قناع البذور وV1 كقناع الهدف. على الرغم زارة التجارة والصناعة يوفر القرار المكانية الفقراء نسبيا، وتحديد دقيق للأو قد تكون صعبة نظرا لكثافته قليلة الألياف، وقد تبين tractography ليكون من المفيد في كل من البحث وسريريا. كشفت القناة الإحصاءات المكانية القائمة على (TBSS) مجالات انخفاض كبير في سلامة المادة البيضاء داخل أو في المرضى الذين يعانون من المهق مقارنة بالمجموعة الضابطة. وكشفت مقارنة، بحث خفض كبير في LGN إلى الربط V1 في المهق مقارنة بالمجموعة الضابطة. وكشفت مقارنة كل من خوارزميات تتبع النتائج المشتركة، وتعزيز موثوقيةمن هذه التقنية.
Introduction
المهق هو حالة وراثية تتميز أساسا من نقص التصبغ العلني لوحظ في الأفراد المتضررين. وهو ناتج عن الطفرات الموروثة إلى الجينات المسؤولة عن إنتاج الميلانين 1. يبدو المهق في شكلين رئيسيين: المهق عينية وجهية الجلدية (OCA)، جسمية مقهورة تقديم ميزات كل من العين والجلدية. والمهق العيني (OA)، وهي صفة مرتبطة X أكثر انتشارا في الذكور وتتميز أساسا عن طريق الأعراض العين 2. الميلانين في الظهارة الصبغية الشبكية (RPE) أمر بالغ الأهمية لتحقيق التنمية السليمة للمسار البصري المركزي. وبالتالي غيابها في المهق النتائج في الإعاقة البصرية، بما في ذلك الضياء، رأرأة، وانخفاض حدة البصر وفقدان الرؤية بالعينين 2-3. وقد تم ربط حدة البصر إلى التشكل نقيرية، الذي يتغير في المهق (4). في البشر، وهو خط شبكية العين من التصالب تقع على طول الحدود nasotemporal من خلال النقرة، مع الألياف من شبكية العين الأنفالعبور إلى نصف الكرة الأرضية الأخرى، وتلك من شبكية العين الزمنية الممتدة ipsilaterally. وقد تم ربط درجة انخفاض وظيفة البصرية في المهق إلى مستوى نقص التصبغ. على وجه التحديد، وتصبغ يتناسب عكسيا مع التحول إلى شبكية العين الزمنية من خط التصالب 5. ونتيجة لهذا التحول في خط التصالب في شبكية العين الزمنية، هو زيادة عبور ألياف العصب البصري – مشترك مميزة في جميع أنواع الحيوانات 3.
وقد أظهرت دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي على البشر chiasms البصرية أضيق في المهق مقارنة مع الضوابط، والتي من المرجح نتيجة لزيادة عبور RGCs لوحظ في المهق 6-8. شبكية العين والبصرية تصالبة تعبر عن العظة التوجيه محور عصبي مثل مستقبلات الأسرة أفسس وبروابط من 9، وبالتالي فهي المواقع المرشحة لmisrouting 10.
كشفت دراسة عن القرود مع الزرق يسببها ديسمبر كبيراrease في عدد من LGN-parvalbumin متفاعل مناعيا الخلايا العصبية تتابع وحجم LGN 11. هذا يشير إلى وجود ارتباط بين حجم LGN وعدد من المادة البيضاء (WM) مسارات السفر عبر أو إلى V1. كما كشفت دراسة ما بعد الوفاة على المهق الإنسان LGN أصغر مع تنصهر M و P طبقات 12. أكد عالية الدقة التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي انخفاض كبير في حجم LGN في المهق 8. معا، وتشير هذه النتائج إلى أن انخفاض حجم LGN قد يؤدي إلى انخفاض عدد الخلايا العصبية في LGN، وبدوره في الربط بين انخفاض LGN وV1.
أنماط دراسة الربط التشريحية في البشر كان محدودا. تشريح، حقن التتبع والاستقراء الآفة والتقنيات الغازية التي يمكن أن تستخدم إلا بعد الوفاة، وعادة ما تنطوي على عدد قليل جدا من المرضى. أظهرت الدراسات السابقة باستخدام carbocyanine صبغ الحقن الجاذبة اتصال الخلايا العصبية بين V1 و V2 (ج البصرية الثانويةortex) 13، وكذلك داخل المجمع الحصين في وظيفة الوفاة العقول البشرية الثابتة ألدهيد 14. يقتصر الألياف وصفها بهذه الطريقة لمسافات عشرات فقط من ملليمتر من وجهة حقن 14. نشر الموترة التصوير، وزارة التجارة والصناعة، هو طريقة التصوير بالرنين المغناطيسي وضعت في أوائل 1990s منتصف لتحديد الألياف الاتجاه المسالك والتنظيم. وهي طريقة غير الغازية التي تسمح رسم خرائط لمسارات WM كبيرة في الدماغ المعيشة. زارة التجارة والصناعة حساسة لنشر جزيئات الماء في الأنسجة البيولوجية (15). في الدماغ، ونشر المياه متباين الخواص (متفاوتة) بسبب الحواجز مثل الأغشية والمايلين. WM يحتوي على نسبة عالية نشر تباين، وهذا يعني نشر هو مواز أكبر من عمودي على اتجاه الألياف 16. تباين كسور (FA) هو كمية العددية التي تصف تفضيل من الجزيئات لنزع فتيل بطريقة متباين الخواص. وتتراوح قيم الاتحاد الانجليزي 0-1، من أدنى إلى أعلى مستوى anisotلزج (السائل النخاعي (CSF) <المادة الرمادية (GM) <WM) 16.
تبسيط (حتمية) وتتبع الألياف احتمالي نوعان من خوارزميات مختلفة لإعادة بناء مسار 3D. يستخدم tractography حتمية طريقة انتشار الخط، وربط voxels المجاورة في المنطقة المصنفة تحديدا. معيارين توقف المستخدمة في هذه الخوارزمية هي زاوية تحول وقيمة الاتحاد الانجليزي. ولذلك، الجهاز تتبع بين voxels المجاورة من غير المرجح في زوايا تحول كبيرة. ولذلك، فإن خوارزمية تقدم أيضا إلا إذا كان اتحاد كرة القدم في فوكسل يتجاوز عتبة محددة، مما يحد من فعاليته في تحديد بدقة مسارات بالقرب المادة الرمادية، حيث ينخفض تباين. tractography احتمالي، من ناحية أخرى، ينتج خريطة الاتصال واصفا احتمال فوكسل لتكون جزءا من الجهاز بين منطقتين من الفائدة (رويس)، وبالتالي يتطور إلى المادة الرمادية مثل V1 17. استخدام هذا التطبيق التصوير بالرنين المغناطيسي، والهياكل WM رئيسية مثلأو يمكن أن يرسم، كما هو مبين في الدراسات السابقة 18-20.
لذا يستخدم هذه الدراسة بيانات نشرها وtractography لاستكشاف تأثير misrouting المحاور على الاتصال retino-geniculo-القشرية. وبناء على تخفيضات ذكرت سابقا في حجم LGN في المهق الإنسان 8، نتوقع أن التوقعات الألياف من LGN لV1 يتم تخفيض أيضا (الشكل 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
تغيير WM، وبشكل أكثر تحديدا، انخفض الاتصال في المهق مقارنة ومن المتوقع الضوابط. وبالتالي، فإن انخفاض الاتحاد الانجليزي في النصف الأيمن من المهق مقارنة مع الضوابط وكذلك انخفضت الاتصال في المرضى الذكور مع المهق ذكرت هنا تتماشى مع توقعاتنا. الجنس ونصف الكرة الآثار ليست…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويدعم هذا العمل في جزء من العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC). شكرا المؤلفين المشاركين، والدكتور ريك طومسون لمساعدته في تجنيد المرضى المهق، دينيس رومانوفسكي لمساعدته تشغيل بعض التحليلات وتعديل الشكل، مونيكا جيرالدو تشيكا لمعرفتها والمشورة مع tractography، والفرح ويليامز لمساعدتها في اكتساب التصوير بالرنين المغناطيسي، وأمان غويال لخبرته تحليل التصوير بالرنين المغناطيسي.
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).
