Het meten van connectiviteit in de primaire visuele Pathway in Human Albinisme Met behulp van Diffusion Tensor Imaging en tractografie

Summary

Dit manuscript beschrijft deterministische en probabilistische algoritmen voor witte stof (WM) de wederopbouw, wordt gebruikt om de verschillen in optische straling (OR) connectiviteit tussen albinisme en controles te onderzoeken. Hoewel probabilistische tractography volgt de werkelijke koers zenuwvezels nader werd deterministische tractography uitgevoerd om de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van beide technieken te vergelijken.

Abstract

In albinisme, wordt het aantal ipsilateraal uitstekende retinale ganglioncellen (RGC's) aanzienlijk verminderd. Het netvlies en optisch chiasma zijn voorgesteld als kandidaat-locaties voor misrouting. Omdat een correlatie tussen het aantal laterale geniculate nucleus (LGN) relais neuronen en LGN grootte is aangetoond, en op basis van eerder gerapporteerde vermindering van de LGN volumes in de menselijke albinisme, stellen we voor dat vezels projecties van LGN naar de primaire visuele cortex (V1) worden ook verminderd. Het bestuderen structuurverschillen in het visuele systeem van albinisme kan het begrip van het mechanisme van misrouting en daaropvolgende klinische toepassingen verbeteren. Diffusion gegevens en tractografie zijn nuttig voor het in kaart brengen van de OR (optische straling). Dit manuscript beschrijft twee algoritmes voor reconstructie OR om hersenen connectiviteit vergelijken albinisme en controls.An MRI scanner met een 32-kanaals hoofdspoel gebruikt structurele scans verwerven. Een T1-gewogen 3D-MPRAGE sequentie met 1 mm³ isotrope voxel grootte werd gebruikt om hoge-resolutie foto's voor V1 segmentatie te genereren. Meerdere proton dichtheid (PD) gewogen beelden werden coronaalwaarts verworven voor rechts en links LGN lokalisatie. Diffusion tensor imaging (DTI) scans werden verworven met 64 diffusie richtingen. Zowel deterministische en probabilistische volgen methoden werden uitgevoerd en vergeleken met LGN als het zaad masker en V1 als het doel masker. Hoewel DTI biedt relatief slechte ruimtelijke resolutie en nauwkeurige afbakening van OR kan problematisch zijn vanwege de lage vezeldichtheid heeft tractography gebleken voordelig zowel onderzoek als klinisch. Tract gebaseerde ruimtelijke statistiek (TBSS) bleek gebieden met een aanzienlijk verlaagde witte stof integriteit binnen de OR bij patiënten met albinisme vergelijking met controles. Paarsgewijze vergelijkingen lieten een significante vermindering van LGN te V1 connectiviteit albinisme vergelijking met controles. Het vergelijken van zowel het bijhouden van algoritmen geopenbaard gemeenschappelijke bevindingen, het versterken van de betrouwbaarheidvan de techniek.

Introduction

Albinisme is een genetische aandoening in de eerste plaats gekenmerkt door openlijke hypopigmentatie waargenomen in de getroffen personen. Het wordt veroorzaakt door erfelijke mutaties van genen betrokken bij melaninesynthese ^1. Albinisme verschijnt in twee hoofdvormen: oculo-cutane albinisme (OCA), een autosomaal recessieve eigenschap presenteren zowel oog- en cutane kenmerken; en oculaire albinisme (OA), een X-gebonden eigenschap vaker voor bij mannen en voornamelijk gekenmerkt door de oculaire symptomen ^2. Melanine in de retinale pigment epitheel (RPE) is van cruciaal belang voor een goede ontwikkeling van de centrale visuele route. Zijn afwezigheid in albinisme leidt daarom tot een visuele handicap, met inbegrip van fotofobie, nystagmus, verminderde gezichtsscherpte en verlies van binoculair zien ^2-3. Gezichtsscherpte is gekoppeld aan foveale morfologie, die is gewijzigd albinisme ^4. Bij de mens, een retinale lijn van decussation ligt langs de nasotemporal grens door de fovea, met vezels uit nasale retinaovertocht naar het andere halfrond en die van tijdelijke retina ipsilateraal uitstrekt. De mate van verminderde visuele functie in albinisme is gekoppeld aan het niveau van hypopigmentatie. Specifiek, pigmentatie is omgekeerd evenredig met de verschuiving naar tijdelijke retina van de lijn van decussation ^5. Als gevolg van de verschuiving in de lijn van decussation in de temporale netvlies, is overschrijding van de optische zenuw vezels verhoogd – een kenmerk gemeen in alle soorten ^3.

Structurele MRI studies op mensen aangetoond smaller optische chiasms albinisme in vergelijking met controles, die waarschijnlijk het gevolg van de toegenomen overschrijding van RGC waargenomen albinisme ^6-8. Het netvlies en optische chiasm uiten axonale begeleiding signalen zoals Eph familie receptoren en hun liganden ⁹ en zijn dus kandidaat-locaties voor misrouting ^10.

Een studie over apen met geïnduceerde glaucoom bleek een significant decemberrease van het aantal LGN parvalbumin-immunoreactieve relay neuronen en LGN volume ^11. Dit suggereert een verband tussen LGN grootte en het aantal witte stof (WM) trajecten reizen door de OF V1. Een post mortem onderzoek op de menselijke albinisme bleek ook kleinere LGN met gesmolten M en P lagen ^12. Hoge-resolutie structurele MRI bevestigd significante vermindering van de omvang van de LGN in albinisme ^8. Samengenomen suggereren deze bevindingen dat LGN daalde kan een kleiner aantal neuronen in de LGN, en op zijn beurt een verminderde connectiviteit tussen LGN en V1.

Het onderzoeken van patronen van anatomische connectiviteit bij de mens is beperkt. Dissection, tracer injectie en laesie inductie zijn invasieve technieken die alleen kan worden gebruikt post mortem, en meestal om een ​​zeer klein aantal patiënten. Vorige studies met behulp van carbocyanine kleurstof DII injecties aangetoond neuronale verbindingen tussen V1 en V2 (secundaire visuele cortex) ^13, alsmede in de hippocampus complex in-aldehyde vaste post-mortem menselijke hersenen ^14. Labeling vezels op deze wijze is beperkt tot afstanden van enige tientallen millimeters vanaf het injectiepunt ^14. Diffusion tensor imaging, DTI, is een MRI-modaliteit ontwikkeld in het begin-midden van de jaren 1990 tot fiber-darmkanaal richting en de organisatie te identificeren. Het is een niet-invasieve methode die in kaart brengen van grote WM trajecten in de levende hersenen mogelijk maakt. DTI is gevoelig voor de diffusie van watermoleculen in biologisch weefsel ^15. In de hersenen, de diffusie van water anisotrope (ongelijkmatige) door barrières zoals membranen en myeline. WM heeft hoge diffusie anisotropie, wat betekent dat de verspreiding groter dan parallel loodrecht op de oriëntatie van de vezels ^16. Fractionele anisotropie (FA) is een scalaire hoeveelheid die de voorkeur van moleculen te diffunderen in een anisotrope wijze beschrijft. FA waarden variëren 0-1, van laag tot hoog anisotstroperige (cerebrospinale vloeistof (CSF) <grijze stof (GM) <WM) ^16.

Stroomlijn (deterministische) en probabilistische fiber bijhouden van zijn twee verschillende algoritmen voor 3D-reconstructie pad. Deterministische tractografie maakt gebruik van een lijn voortplanting methode, het aansluiten van de naburige voxels passen in een bepaald zaad regio. Twee stop criteria die in dit algoritme zijn de draaihoek en de FA waarde. Daarom darmkanaal tracing tussen naburige voxels is onwaarschijnlijk grote keerpunt hoeken. Het algoritme zou daarom vordert ook alleen als de FA in een voxel boven een bepaalde drempel, het beperken van de effectiviteit ervan bij het nauwkeurig definiëren van paden in de buurt van grijze stof, waarbij anisotropie daalt. Probabilistische tractography, aan de andere kant, levert een verbinding map waarin de waarschijnlijkheid van een voxel een deel van een kanaal tussen twee gebieden van belang (ROI) en dus vordert in grijze materie, zoals V1 ^17. Met behulp van deze MRI toepassing, de belangrijkste WM structuren zoals deOf kan worden afgebakend, zoals in eerdere studies ^18-20.

Deze studie maakt gebruik van daarom verspreiding van gegevens en tractografie om het effect van axonale misrouting op retino-geniculo-corticale connectiviteit te verkennen. Omdat eerder gerapporteerde vermindering van LGN delen in menselijke albinisme ^8, voorspellen we dat vezels projecties van LGN naar V1 ook verminderd (figuur 1).

Protocol

Ethiek Verklaring: Het huidige onderzoek is goedgekeurd door de Human Deelnemers Toetsingscommissie (HPRC) aan de Universiteit van York, Toronto. Alle deelnemers gaven schriftelijk toestemming op de hoogte. 1. Onder voorbehoud van Voorbereiding Let op: Elf deelnemers met OCA, de leeftijd van 36 ± 4 jaar (6 vrouwen) werden vergeleken met tien-jarige leeftijd gematchte controles, de leeftijd van 32 ± 4 jaar (6 vrouwen). Deelnemer geschiedenis in tabel…

Representative Results

Dit hoofdstuk geeft een overzicht van de resultaten verkregen met behulp van twee verschillende algoritmes van tractografie, deterministische en probabilistische. LGN delen in PD ruimte waarin maskers oorspronkelijk getrokken, alsook in alle andere ruimten die in dit onderzoek worden in tabel 2 en LGN tracering wordt geïllustreerd in figuur 4. De hier gerapporteerde resultaten zijn gebaseerd op een standaard runs bol gebruikt als LGN RO…

Discussion

Veranderde WM en meer in het bijzonder verminderde connectiviteit albinisme vergelijking met controles werden verwacht. Zo is de verminderde FA in de rechter hersenhelft van albinisme in vergelijking met controles, evenals de verminderde connectiviteit bij mannelijke patiënten met albinisme hier vermeld zijn in lijn met onze voorspelling. Geslacht en hemisfeer effecten niet volledig duidelijk, hoewel onderzoek op gezonde hersenen suggereert dat verminderde WM complexiteit in de linkerhelft van mannen dan bij vrouwen <s…

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