La medición de conectividad en la vía visual primaria en albinismo humano recurriendo a imágenes de tensor de difusión y Tractografía

Summary

Este manuscrito describe algoritmos deterministas y probabilistas para la reconstrucción de la sustancia blanca (WM), que se utiliza para examinar las diferencias en la radiación óptica (O) conectividad entre el albinismo y controles. Aunque tractography probabilístico sigue el curso real de las fibras nerviosas más de cerca, tractography determinista se realizó para comparar la fiabilidad y reproducibilidad de ambas técnicas.

Abstract

En el albinismo, el número de ipsilateralmente sobresalen las células ganglionares de la retina (CGR) se reduce significativamente. La retina y el quiasma óptico se han propuesto como sitios candidatos para misrouting. Desde una correlación entre el número de lateral núcleo geniculado (LGN) retransmitir las neuronas y las dimensiones de LGN se ha demostrado, y en base a las reducciones ya se ha informado en los volúmenes de LGN en el albinismo humana, sugerimos que las proyecciones de fibra de LGN a la corteza visual primaria (V1) también se reducen. El estudio de las diferencias estructurales en el sistema visual de albinismo puede mejorar la comprensión del mecanismo de encaminamiento erróneo y aplicaciones clínicas posteriores. los datos de difusión y tractography son útiles para el mapeo de la O (radiación óptica). Este manuscrito describe dos algoritmos para o reconstrucción con el fin de comparar la conectividad cerebral en albinismo y escáner MRI controls.An con una bobina de la cabeza 32 de canal se utiliza para adquirir exploraciones estructurales. Una secuencia 3D-MPRAGE ponderada en T1 con 1 mm³ tamaño de vóxel isotrópico se utilizó para generar imágenes de alta resolución para la segmentación V1. densidad de protones múltiple (PD) imágenes ponderadas fueron adquiridos coronal de derecha e izquierda LGN localización. por imágenes (DTI) de tensor de difusión exploraciones fueron adquiridas con 64 direcciones de difusión. Ambos métodos de seguimiento deterministas y probabilistas se llevaron a cabo y se comparan, con LGN como la máscara de semillas y V1 como la máscara destino. Aunque DTI proporciona una resolución espacial relativamente pobre, y la delimitación exacta de O puede ser un reto debido a su baja densidad de fibra, tractography se ha demostrado que es ventajoso tanto en la investigación y clínicamente. estadística espacial en base de las vías (TBS) revelaron zonas de reducido significativamente la integridad de la materia blanca dentro de la O en pacientes con albinismo en comparación con los controles. Las comparaciones por pares revelaron una reducción significativa de LGN a la conectividad V1 en albinismo comparación con los controles. La comparación de los dos algoritmos de seguimiento revelaron resultados comunes, reforzar la fiabilidadde la técnica.

Introduction

El albinismo es una condición genética que se caracteriza principalmente por la hipopigmentación abierta observado en los individuos afectados. Es causada por mutaciones heredadas de los genes implicados en la síntesis de melanina ^1. El albinismo se presenta en dos formas principales: el albinismo oculocutáneo (OCA), un rasgo autosómico recesivo que presenta características tanto oculares y cutáneas; y albinismo ocular (OA), un rasgo ligado a X más prevalente en los hombres y se caracteriza principalmente por los síntomas oculares ^2. La melanina en el epitelio pigmentario de la retina (EPR) es crucial para el desarrollo adecuado de la vía visual central. Su ausencia en el albinismo, por tanto, da lugar a impedimentos visuales, incluyendo fotofobia, nistagmo, disminución de la agudeza visual y la pérdida de la visión binocular ^2-3. La agudeza visual se ha relacionado con la morfología foveal, que se altera en el albinismo ^4. En los seres humanos, una línea de retina decussation encuentra a lo largo de la frontera nasotemporal a través de la fóvea, con las fibras de la retina nasalcruzar al otro hemisferio, y los de retina temporal se extiende ipsilateralmente. El grado de reducción de la función visual en el albinismo se ha relacionado con el nivel de hipopigmentación. En concreto, la pigmentación es inversamente proporcional al cambio en la retina temporal de la línea de decussation ^5. Como resultado del cambio en la línea de decussation en la retina temporal, cruce de fibras del nervio óptico se incrementa – una característica común en todas las especies ^3.

Estudios de resonancia magnética estructural en humanos han mostrado más estrechos quiasmos óptica en el albinismo en comparación con los controles, lo cual es probablemente el resultado de una mayor cruce de CGR observados en el albinismo ^6-8. La retina y el quiasma óptico expresan las señales de orientación axonal como receptores de la familia Eph y sus ligandos ⁹ y por lo tanto son sitios candidatos para misrouting ^10.

Un estudio en monos con glaucoma inducido reveló una significativa diciembreRease en el número de neuronas de relevo LGN parvalbúmina inmunorreactivas y el volumen de LGN ^11. Esto sugiere una correlación entre el tamaño de LGN y el número de trayectorias de materia blanca (WM) que viajan a través de la O a V1. Un estudio post mortem en el albinismo humana también reveló LGN más pequeño con capas fusionadas M y P ^12. -RM de alta resolución estructural confirmó reducción significativa del volumen de LGN en el albinismo ^8. Tomados en conjunto, estos hallazgos sugieren que la disminución de volumen de LGN puede resultar en un número reducido de neuronas en el LGN, y a su vez en conectividad disminuido entre LGN y V1.

El examen de los patrones de conectividad anatómica en humanos ha sido limitada. Disección, la inyección del radiofármaco y la inducción de la lesión son técnicas invasivas que sólo pueden ser utilizados post mortem, y por lo general implican un número muy pequeño de pacientes. Estudios anteriores utilizando carbocianina tinte inyecciones DiI demostraron conectividad neuronal entre V1 y V2 (c visual secundariaortex) ^13, así como dentro del complejo del hipocampo en el cerebro humano post-mortem de ^aldehído-14 fija. Fibras de etiquetado de esta manera se limita a distancias de solamente decenas de milímetros desde el punto de inyección ^14. La difusión de imágenes de tensor, DTI, es una modalidad de resonancia magnética desarrollada a principios-mediados de 1990 para identificar fibra de dirección y organización de las vías. Es un método no invasivo que permite el mapeo de las grandes vías WM en el cerebro vivo. DTI es sensible a la difusión de moléculas de agua en el tejido biológico ^15. En el cerebro, la difusión de agua es anisotrópica (no uniforme) debido a las barreras tales como membranas y mielina. WM tiene anisotropía alta difusión, es decir, la difusión es mayor paralelo al de perpendicular a la orientación de las fibras ^16. anisotropía fraccional (AF) es una cantidad escalar que describe la preferencia de moléculas de difundirse de manera anisotrópica. valores de FA van desde 0-1, de bajo a alto anisotviscosa (líquido cefalorraquídeo (LCR) <materia gris (GM) <WM) ^16.

Racionalizar (determinista) y el seguimiento de fibra probabilístico son dos algoritmos diferentes de reconstrucción ruta 3D. tractography determinista utiliza un método de propagación de línea, la conexión de los voxels vecinos en una región definida de semillas. Dos criterios de parada utilizados en este algoritmo son el ángulo de giro y el valor FA. Por lo tanto, el aparato de rastreo entre voxels vecinos es poco probable a grandes ángulos de giro. El algoritmo por lo tanto también progresa sólo si el FA en un voxel excede un umbral específico, lo que limita su eficacia en la definición precisa vías cerca de la materia gris, donde las gotas de anisotropía. Tractography probabilístico, por otra parte, se obtiene un mapa de conectividad que describe la probabilidad de que un voxel de ser parte de un tracto entre dos regiones de interés (ROI) y así avanza en la materia gris como V1 ^17. Con esta aplicación MRI, estructuras clave WM como elO puede ser delineado, como se muestra en estudios previos ^18-20.

Por lo tanto, este estudio utiliza datos de difusión y tractography para explorar el efecto de misrouting axonal en la conectividad retino-geniculo-corticales. Sobre la base de las reducciones ya se ha informado en los volúmenes de LGN en el albinismo humano ^8, predecimos que las proyecciones de fibra de LGN a V1 también se reducen (Figura 1).

Protocol

Declaración de Ética: El estudio de investigación actual ha sido aprobada por los participantes humanos Comité de Revisión (HPRC) en la Universidad de York, Toronto. Todos los participantes dieron su consentimiento informado por escrito. 1. Sin perjuicio de Preparación Nota: Once participantes con OCA, con edades entre 36 ± 4 años (6 mujeres) se compararon con diez controles emparejados por edad, con edades de 32 ± 4 años (6 mujeres). Historia parti…

Representative Results

En esta sección se ofrece un resumen de los resultados obtenidos utilizando dos algoritmos diferentes de tractography, determinista y probabilística. Volúmenes de LGN en el espacio PD en el que las máscaras se extrajeron originalmente, así como en todos los demás espacios utilizados en este estudio, se registran en la Tabla 2, y LGN rastreo se ilustran en la Figura 4. Los resultados aquí presentados se basan en carreras que utiliz…

Discussion

WM alterada y, más concretamente, la disminución de la conectividad en comparación con el albinismo se esperaba que los controles. Por lo tanto, la reducción de la FA en el hemisferio derecho del albinismo en comparación con los controles, así como la disminución de la conectividad en los pacientes masculinos con albinismo aquí presentados están en línea con nuestra predicción. Género y del hemisferio efectos no son del todo claras, aunque la investigación sobre el cerebro saludable que sugiere una disminuc…

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