Difüzyon tensör görüntüleme ve traktografi kullanarak İnsan Albinizmi İlköğretim Görsel Yolu'ndaki Bağlantı Ölçme
Summary
Bu yazıda albinizm ve kontroller arasında optik radyasyon (OR) bağlantısı farklılıkları incelemek için kullanılan beyaz cevher (WM) yeniden inşası için deterministik ve olasılıklı algoritmalar açıklar. olasılıklı traktografi daha yakından sinir liflerinin gerçek seyrini takip rağmen, deterministik traktografi her iki tekniğin güvenilirliğini ve tekrarlanabilirlik karşılaştırmak için çalıştırıldı.
Abstract
albinizm olarak, ipsilateral çıkıntı retina ganglion hücrelerinin (RGCs) sayısı önemli ölçüde azalır. Retina ve optik kiazma yanlış iletilmesi için aday siteleri olarak öne sürülmüştür. lateral genikulat çekirdeği (LGN) sayısı arasında bir korelasyon nöronlar röle ve LGN boyutu gösterilen ve insan albinizm de LGN hacminde önceden bildirilen azalmasına göre beri, biz öneririz birincil görsel kortekse LGN fiber projeksiyonları (V1) Ayrıca azalır. albinizm görsel sistemdeki yapısal farklılıkları incelenmesi yanlış iletilmesi ve sonraki klinik uygulamaları mekanizmasının anlaşılmasını artırabilir. Difüzyon verileri Traktografi OR (optik radyasyon) eşleştirmek için yararlıdır. Bu yazıda 32 kanallı kafa bobin yapısal taramaları elde etmek için kullanılan ile albinizm ve controls.An MRI tarayıcısı beyin bağlantısı karşılaştırmak amacıyla için VEYA yeniden iki algoritma açıklanır. 1 mm olan bir T1 ağırlıklı 3D-MPRAGE dizisi3 izotropik voksel boyutu V1 segmentasyonu için yüksek çözünürlüklü görüntüler oluşturmak için kullanıldı. Çoklu proton dansite (PD) ağırlıklı görüntüler hakkı için koronal edinilen ve LGN lokalizasyonunu bırakılmıştır. Difüzyon tensör görüntüleme (DTG) taramaları 64 difüzyon yönleri ile elde edildi. Hem deterministik ve olasılıklı izleme yöntemleri, hedef maskesi olarak tohum maske ve V1 olarak LGN ile çalıştırın ve karşılaştırılmıştır. DTG göreceli olarak zayıf uzaysal çözünürlük ve OR doğru tarif nedeniyle düşük elyaf yoğunluklu etmek zor olabilir sağlasa da, traktografi araştırma hem de klinik olarak avantajlı olduğu gösterilmiştir. Yolu bazlı uzamsal istatistik (TBSS) kontrollere göre albinizm olan hastalarda OR içinde önemli ölçüde azalır beyaz cevher bütünlüğünün alanlarını ortaya koymuştur. İkili karşılaştırma kontrollere kıyasla albinizm V1 bağlantısı için LGN önemli bir azalma ortaya çıkardı. Karşılaştırılması izleme algoritmaları hem güvenilirliği güçlendirilmesi, ortak bulgu ortayatekniğin.
Introduction
Albinizm öncelikle etkilenen bireylerde gözlenen açık hipopigmentasyon ile karakterize genetik bir hastalıktır. Melanin sentezindeki 1 ilgili genler miras mutasyonlar neden olur. Albinizm iki ana formda ortaya çıkar göze damlatma deri albinizm (OKA), göz ve deri hem özellikleri sunan otozomal resesif özellik; ve oküler albinizm (OA), erkeklerde daha yaygın ve göz semptomları 2 öncelikle karakterize X'e bağlı özellik. retina pigment epiteli (RPE) melanin merkezi görme yolunun düzgün gelişimi için çok önemlidir. Albinizm Onun yokluğu dolayısıyla fotofobi, nistagmus, görme keskinliğinde azalma ve binoküler görme 2-3 kaybı dahil görme engelli, sonuçlanır. Görme keskinliği albinizm 4 değişmiş fovea morfoloji, bağlantılı olmuştur. İnsanlarda, çaprazlama bir retina hat burun retinadan liflerle, fovea ile nasotemporal sınırı boyunca yatıyordiğer yarımkürede ve ipsilateral uzanan zamansal retina gelenler kapısı. albinizm azalmış görme fonksiyonunun derecesi hipopigmentasyon düzeyine bağlantılı olmuştur. Spesifik olarak, pigmentasyon çaprazlama 5 hattı zamansal retina içine kayması ile ters orantılıdır. Zamansal retina içine çaprazlama doğrultusunda kaymasının bir sonucu olarak, optik sinir liflerinin geçişi artar – ortak özelliği, tüm türler 3 arasında.
İnsanlar üzerinde yapısal MRI çalışmaları olası albinizm 6-8 gözlenen RGCs artmış geçiş sonucu kontrollere kıyasla albinizm dar optik chiasms göstermiştir. Retina ve optik kiazma gibi Efesliler aile reseptörleri ve bunların ligandları 9 olarak aksonal rehberlik ipuçlarını ifade ve bu nedenle yanlış iletilmesi 10 aday sitelerdir.
kaynaklı glokom maymunlar üzerinde yapılan bir çalışmada önemli bir dec ortayaLGN parvalbumin immunoreaktif yedek nöronları ve LGN cilt 11 sayısında artma. Bu LGN boyutu ve V1 OR üzerinden seyahat beyaz cevher (WM) yörünge sayısı arasında bir korelasyon göstermektedir. İnsan albinizm üzerine Otopsi çalışma da erimiş M ve P katmanları 12 ile daha küçük LGN saptandı. Yüksek çözünürlüklü yapısal MRG albinizm 8 LGN hacminin önemli bir azalma doğruladı. Birlikte ele alındığında, bu bulgular LGN nöronların sayısı azaltılmış neden olabilir LGN hacmi azalmış ve LGN ve V1 arasında azalmış bağlantıda sırayla düşündürmektedir.
İnsanlarda anatomik bağlantı incelenmesi desenler sınırlı kalmıştır. Diseksiyon, izleyici enjeksiyon ve lezyon indüksiyon sadece otopsi kullanılabilir ve genellikle hastaların çok az sayıda içerebilir invaziv teknikler bulunmaktadır. karbosiyanin DII enjeksiyonları boya kullanılarak Önceki çalışmalar V1 ve V2 (ikincil görsel c arasındaki nöronal bağlantı gösterdiORTEX) 13, hem de aldehid sabit ölüm sonrası insan beyni 14 hipokampal kompleksi içinde. Bu şekilde, Etiketleme elyaflar enjeksiyon 14 alanına milimetre arasında sadece onlarca mesafeler ile sınırlandırılmıştır. Difüzyon tensör görüntüleme DTI, lif yolu yönünü ve organizasyonu tanımlamak için erken 1990'ların ortalarında geliştirilen bir MRI yöntemidir. Bu yaşam beyinde büyük WM yollarının haritalama sağlayan bir non-invaziv bir yöntemdir. DTG biyolojik doku 15 su moleküllerinin difüzyonuna karşı duyarlıdır. Beyinde su difüzyon nedeniyle bu tür membranlar ve miyelin olarak engellere anizotropik (düzensiz) 'dir. WM difüzyon elyafların 16 yönelimine dik daha fazla paralel, yani yüksek difüzyon anizotropiye sahiptir. Fraksiyonel anizotropi (FA) anizotropik bir şekilde yayılmasına moleküllerin tercih tanımlayan bir skaler büyüklüktür. FA değerleri düşük, yüksek anisot için, 0-1 arasında değişirvıcık vıcık (beyin omurilik sıvısı (BOS) <gri madde (GM) <WM) 16.
Streamline (deterministik) ve olasılık lif izleme 3D yol yeniden inşası için iki farklı algoritmalar vardır. Deterministik traktografi tanımlanmış bir tohum bölgede komşu vokseller bağlayan bir hat yayılım yöntemi kullanır. Bu algoritma kullanılan iki durak kriterleri dönüm açısı ve FA değeri vardır. Bu nedenle, komşu vokseller arasında izleme yolu büyük dönüm açılarında olası değildir. Algoritma olur bu nedenle de bir voksel FA anizotropi damla gri madde, yakın doğru tanımlanması yollarında etkinliğini sınırlayan, belirli bir eşiği aşarsa yalnızca ilerler. Olasılıklı traktografi, diğer taraftan, bir vokselin olasılığını anlatan bir bağlantı haritası faiz (ROI) iki bölge arasında bir yolunun parçası olmak verir ve böylece bu tür V1 17 gri madde içine ilerler. Bu MR uygulamayı kullanarak, gibi önemli WM yapılarÖnceki çalışmalarda 18-20 'de gösterildiği gibi TD, tarif edilebilir.
Bu çalışma bu nedenle retino-geniculo-kortikal bağlantısı üzerinde aksonal yanlış iletilmesi etkisini araştırmak için difüzyon verilerini ve traktografi kullanır. İnsan albinizm 8 LGN hacminde önceden bildirilen azalmalar dayanarak, V1 LGN fiber projeksiyonları da (Şekil 1) azaldığını tahmin.
Protocol
Representative Results
Discussion
Değiştirilmiş WM ve daha özel olarak, kontrol beklenen göre albinizm içinde bağlılık azalmıştır. Böylece, kontroller yanı sıra burada bildirilen albinizm olan erkek hastalarda azalmış bağlantı ile karşılaştırıldığında albinizm sağ yarımkürede azalmış FA bizim öngörü ile uyumludur. Toplumsal Cinsiyet ve yarımküre etkileri göstermektedir sağlıklı beyin üzerine araştırmalar erkeklerde kadınlara kıyasla sol yarımküredeki WM karmaşıklığı azalmakla birlikte 30-31…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
iş Doğa Bilimleri ve Kanada'nın Mühendislik Araştırma Konseyi (NSERC) tarafından kısmen desteklenmektedir. Yazarlar katılımcılara teşekkür, albinizm hasta alımına yaptığı yardım için Rick Thompson, Denis Romanovský onun yardımıyla analizlerin bazı çalışan ve bir rakam değiştirmek için, Mónica Giraldo Chica ona yardım için Traktografinin ile onun bilgi ve tavsiye, Joy Williams onun MRG analiz uzmanlığı için MR edinimi ve Aman Goyal içinde.
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).
