Måling Forbindelse i Primary Visual Pathway i Human albinisme Brug Diffusion Tensor Imaging og traktografi

Summary

Dette manuskript beskriver deterministiske og probabilistiske algoritmer til hvid substans (WM) genopbygning, der anvendes til at undersøge forskelle i optisk stråling (OR) forbindelse mellem albinisme og kontrol. Selvom probabilistisk traktografi følger den sande kurs af nervefibre nærmere, blev deterministisk traktografi kørt for at sammenligne pålideligheden og reproducerbarheden af ​​begge teknikker.

Abstract

I albinisme, er antallet af ipsilaterally rager retinale ganglieceller (RGC'er) signifikant reduceret. Nethinden og optisk chiasm er blevet foreslået som kandidat sites for misrouting. Da en sammenhæng mellem antallet af laterale geniculate nucleus (LGN) relæ neuroner og LGN størrelse er blevet vist, og er baseret på tidligere rapporterede reduktioner i LGN mængder i human albinisme, foreslår vi, at fiber fremskrivninger fra LGN til den primære visuelle cortex (V1) reduceres også. Studere strukturelle forskelle i det visuelle system af albinisme kan forbedre forståelsen af ​​den mekanisme for misrouting og efterfølgende kliniske anvendelser. Diffusion data og traktografi er nyttige til kortlægning af OR (optisk stråling). Dette håndskrift beskriver to algoritmer til OR genopbygning for at sammenligne hjernen konnektivitet i albinisme og controls.An MRI-scanner med en 32-kanals hoved spole blev anvendt til at erhverve strukturelle scanninger. En T1-vægtet 3D-MPRAGE sekvens med 1 mm³ isotropisk voxel størrelse blev anvendt til at generere billeder i høj opløsning til V1 segmentering. Multiple proton densitet (PD) vægtede billeder blev erhvervet coronalt for højre og venstre LGN lokalisering. Diffusion tensor imaging (DTI) scanninger blev erhvervet med 64 diffusion retninger. Både deterministiske og probabilistiske sporingsmetoder blev kørt og sammenlignet med LGN som frø maske og V1 som mål maske. Selvom DTI giver relativt ringe rumlig opløsning, og præcis afgrænsning af OR kan være en udfordring på grund af sin lave fiber tæthed, er traktografi vist sig at være en fordel både i forskning og klinisk. Tract baseret rumlig statistik (TBSS) viste områder med stærkt reduceret hvide substans integritet inden for eller hos patienter med albinisme sammenlignet med kontrolgruppen. Parvise sammenligninger afslørede en signifikant reduktion i LGN til V1-forbindelse i albinisme sammenlignet med kontroller. Sammenligning både sporing algoritmer afslørede fælles resultater, styrkelse af pålidelighedaf teknikken.

Introduction

Albinisme er en genetisk sygdom primært karakteriseret ved åbenlys hypopigmentering observeret i de ramte personer. Det er forårsaget af arvelige mutationer til gener involveret i melanin syntese ^1. Albinisme vises i to hovedformer: okulo- kutan albinisme (OCA), en autosomal recessivt træk præsentere både okulære og kutane funktioner; og okulær albinisme (OA), en X-bundet træk mere fremherskende hos mænd og karakteriseret primært af øjensymptomer ^2. Melanin i retinale pigment epitel (RPE) er afgørende for en ordentlig udvikling af den centrale visuelle pathway. Dens fravær i albinisme resulterer derfor i synshandicap, herunder fotofobi, nystagmus, nedsat synsstyrke og tab af binokulært syn ^2-3. Synsstyrken er blevet forbundet med foveal morfologi, som er ændret i albinisme ^4. Hos mennesker, en retinal linje af decussation ligger langs nasotemporal grænse gennem fovea, med fibre fra nasal nethindenkrydser til den anden halvkugle, og dem fra timelige nethinde strækker ipsilaterally. Graden af ​​nedsat synsfunktion i albinisme er blevet forbundet med niveauet af hypopigmentering. Specifikt pigmentering er omvendt proportional med forskydningen i tidsmæssig nethinden af linjen af decussation ^5. Som følge af skift i linje decussation i den tidsmæssige nethinden, er krydsning af optiske nervefibre forøget – en karakteristisk fælles på tværs af alle arter ^3.

Strukturelle MRI undersøgelser på mennesker har vist smallere optiske chiasms i albinisme sammenlignet med kontroller, hvilket sandsynligvis skyldes øget passage af RGC'er observeret i albinisme ^6-8. Nethinden og optisk chiasm udtrykke axonal vejledning signaler såsom Ef familie receptorer og deres ligander ⁹ og er derfor kandidat sites for misrouting ^10.

En undersøgelse af aber med induceret glaukom viste en signifikant decemberrease i antallet af LGN parvalbumin-immunreaktive relæ neuroner og LGN volumen ^11. Dette tyder på en korrelation mellem LGN størrelse og antallet af hvide substans (WM) baner rejser gennem OR til V1. En undersøgelse post mortem på menneskers albinisme afslørede også mindre LGN med smeltet M og P lag ^12. Høj opløsning strukturelle MRI bekræftede betydelig reduktion i mængden af LGN i albinisme ^8. Tilsammen disse resultater tyder på, at faldet LGN volumen kan resultere i et reduceret antal neuroner i LGN, og til gengæld i nedsat forbindelse mellem LGN og V1.

Undersøgelse mønstre af anatomiske tilslutning hos mennesker har været begrænset. Dissektion, sporstof injektion og læsion induktion er invasive teknikker, der kun kan bruges post mortem, og som regel involverer en meget lille antal patienter. Tidligere undersøgelser under anvendelse carbocyanin farvestof DII injektioner demonstrerede neuronal konnektivitet mellem V1 og V2 (sekundær Visual Cortex) ^13, samt i hippocampus kompleks i aldehyd-fikseret efter slagtning menneskelige hjerne ^14. Mærkning fibre på denne måde er begrænset til afstande på kun snese millimeter fra injektionsstedet ^14. Diffusion tensor imaging, DTI, er en MRI modalitet udviklet i begyndelsen-midten af ​​1990'erne for at identificere fiber tarmkanalen retning og organisation. Det er en ikke-invasiv fremgangsmåde, som tillader kortlægning af store WM veje i den levende hjerne. DTI er følsom over for diffusion af vandmolekyler i biologisk væv ^15. I hjernen diffusionen af ​​vand er anisotrop (ujævn) på grund af hindringer, såsom membraner og myelin. WM har høj diffusion anisotropi, hvilket betyder diffusionen er større parallelt end vinkelret på orienteringen af fibrene ^16. Fractional anisotropi (FA) er en skalar mængde, der beskriver præference for molekyler at diffundere i en anisotropisk måde. FA Værdierne går fra 0-1, fra lav til høj anisotropy (cerebrospinalvæske (CSF) <grå stof (GM) <WM) ^16.

Streamline (deterministisk) og probabilistisk fiber sporing er to forskellige algoritmer til 3D sti genopbygning. Deterministisk traktografi anvender en linje formeringsmetode, der forbinder tilstødende voxler i en afgrænset frø region. To stop-kriterier, der anvendes i denne algoritme er drejevinklen og FA værdi. Derfor tarmkanalen sporing mellem nabolande voxels er usandsynligt ved store drejning vinkler. Algoritmen vil derfor skrider også kun, hvis FA i en voxel overstiger en bestemt tærskel, begrænser dens effektivitet i præcist definerer veje nær grå materie, hvor anisotropi dråber. Probabilistisk traktografi, på den anden side, giver en connectivity kort beskriver sandsynligheden for en voxel at være en del af en kontrakt mellem to regioner af interesse (ROI'er), og dermed skrider ind grå stof såsom V1 ^17. Brug af denne MRI ansøgning, centrale WM strukturer som denOR kan være afgrænset som vist i tidligere undersøgelser ^18-20.

Denne undersøgelse anvender derfor diffusion data og traktografi at udforske effekten af ​​axonal misrouting på retino-geniculo-kortikal tilslutningsmuligheder. Baseret på tidligere rapporterede reduktioner i LGN mængder i human albinisme ^8, forudser vi, at fiber fremskrivninger fra LGN til V1 også reduceres (figur 1).

Protocol

Etik Statement: Den aktuelle forskningsundersøgelse er godkendt af Human Deltagere Review Committee (HPRC) på York University, Toronto. Alle deltagere gav informeret skriftligt samtykke. 1. Med forbehold Forberedelse Bemærk: Elleve deltagere med OCA i alderen 36 ± 4 år (6 hunner) blev sammenlignet med ti aldersmatchede kontroller i alderen 32 ± 4 år (6 hunner). Deltager historie er registreret i tabel 1. Bed hver deltager …

Representative Results

Dette afsnit indeholder en oversigt over resultater opnået ved hjælp af to forskellige algoritmer af traktografi, deterministisk og probabilistisk. LGN mængder i PD rum, hvori masker oprindeligt rensede, såvel som i alle andre rum, der anvendes i denne undersøgelse, er angivet i tabel 2, og LGN sporing er illustreret i figur 4. Resultaterne rapporteres her, er baseret på kørsler, der brugte en standard kugle som LGN ROI. Standard …

Discussion

Altered WM og mere specifikt faldt forbindelse i albinisme sammenlignet med kontroller var forventet. Således reducerede FA i højre hjernehalvdel af albinisme i forhold til kontroller samt nedsat tilslutningsmuligheder i mandlige patienter med albinisme rapporteret her er i tråd med vores forudsigelse. Køn og halvkugle virkninger er ikke helt klart, selvom forskning i sund hjerne, der antyder formindsket WM kompleksitet i den venstre hemisfære af mænd sammenlignet med kvinder ^30-31 kunne forklare nogle …

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