拡散テンソルイメージングとラクトを用いたヒト色素欠乏症における一次視覚経路で接続を測定します

Summary

この原稿は、光学放射（OR）白皮症と対照との間の接続性の違いを調べるために用い白質（WM）復興のための決定論と確率的アルゴリズムを説明します。確率論的トラクトグラフィは、より密接に神経線維の真の経過をたどるが、決定論的トラクトグラフィは、両方の技術の信頼性と再現性を比較するために行きました。

Abstract

白皮症において、同側に突出する網膜神経節細胞（RGC）の数が大幅に低減されます。網膜や視交叉はmisroutingのための候補地として提案されています。外側膝状核（LGN）ニューロンおよびLGNのサイズを中継数との相関関係が示されており、人間の白化におけるLGNボリュームで以前に報告された削減に基づいているので、私たちは一次視覚野（V1）に、LGNからの繊維の突起を示唆していますまた低減されます。白皮症の視覚系の構造的な違いを学ぶことmisroutingとその後の臨床応用のメカニズムの理解を向上させることができます。拡散データ及びラクトは、OR（光学放射）をマッピングするために有用です。この原稿は32チャンネルヘッドコイルは構造的なスキャンを取得するために使用されたと白皮症とcontrols.An MRIスキャナで脳の接続性を比較するために、または再構成の2つのアルゴリズムを説明しています。 1ミリメートルとT1強調3D-MPRAGEシーケンス³等方性のボクセルサイズはV1分割用の高解像度画像を生成するために使用されました。複数のプロトン密度（PD）強調画像は、左右のLGNのローカライズのために冠状に取得しました。拡散テンソルイメージング（DTI）スキャンは、64の拡散方向を用いて取得しました。両方の決定論的及び確率論的追跡方法は、対象マスクとしてシードマスクV1としてLGNで、実行して比較しました。 DTIは、比較的低い空間分解能を提供し、または正確な描写は、その低い繊維密度に挑戦することができるが、ラクトは、研究および臨床の両方に有利であることが示されています。管ベースの空間統計（TBSS）は、対照と比較して、アルビノの患者ではOR内に有意に減少白質の整合性の領域を明らかにしました。一対比較は、対照と比較して白皮症でV1の接続にLGNの大幅な削減を明らかにしました。両方の追跡アルゴリズムを比較すると信頼性を強化し、共通の調査結果を明らかにしました技術の。

Introduction

白皮症は、主に罹患した個体で観察された明白な低色素沈着によって特徴づけられる遺伝子疾患です。これは、メラニン合成¹に関与する遺伝子に継承突然変異によって引き起こされます。白皮症は、主に2つの形式で表示されます。oculo-皮膚白皮症（OCA）、眼および皮膚の両方の機能を提示する常染色体劣性形質。そして、眼白子症（OA）、男性でより普及および眼症状²によって主に特徴付けられるX連鎖特色。網膜色素上皮（RPE）におけるメラニンは、中央視覚経路の適切な発達のために重要です。白化現象におけるその不在は、したがって、羞明、眼振、視力低下や両眼視^2-3の損失を含む視覚障害、になります。視力は白皮症⁴に変更された中心窩の形態、にリンクされています。ヒトでは、交叉の網膜のラインは鼻網膜からの繊維と、中心窩を通じてnasotemporal国境沿いに位置します他の半球に交差し、一時的な網膜からのものが同側に伸びます。白皮症で減少した視覚機能の程度が低色素沈着のレベルにリンクされています。具体的には、色素沈着が交叉⁵のラインの一時的な網膜へのシフトに反比例します。一時的な網膜への交叉のラインのシフトの結果、視神経繊維の交差が増加する-共通の特徴をすべての種³渡って。

ヒトへの構造的MRI研究は、おそらく白皮症^6-8で観察されたRGCの増加交差点の結果である対照と比較して、白化現象が狭い光学chiasmsを、示しています。網膜や視神経視交叉は、Ephファミリー受容体およびそれらのリガンド⁹と軸索ガイダンスの手がかりを表現するため、misrouting ¹⁰の候補部位です。

緑内障とサルの研究は重要な12月を明らかにしましたLGNのパルブアルブミン免疫反応性の中継ニューロンの数とLGNのボリューム¹¹でrease。これはLGNのサイズとV1にORを通って移動する白質（WM）軌道の数との相関関係を示唆しています。人間の白皮症に死後の研究はまた、融合MとP層¹²と小さいLGNを明らかにしました。高分解能構造MRIは、白皮症⁸ LGNの量の有意な減少が確認されました。まとめると、これらの知見はLGNのニューロン数の減少をもたらす可能性がLGN量を減少し、LGNとV1の間の減少の接続で順番にすることを示唆しています。

ヒトでの解剖学的接続の調査パターンが限定されています。解剖、トレーサー注射および病変の誘発は、死後に使用することができる侵襲性の技術であり、通常は患者のごく少数を含みます。カルボ色素DiIで注射を使用して、以前の研究では、V1とV2（二次のVisual C間の神経の接続性を実証しました^{ortex）13、}ならびにアルデヒド固定死後の人間の脳¹⁴内の海馬コンプレックス内。このようにラベリング繊維は、注入¹⁴の点からミリメートルの唯一の数十の距離に制限されています。拡散テンソル画像、DTIは、線維トラクトの方向と組織を識別するために、早期1990年代半ばに開発されたMRIモダリティです。それは生きている脳内の大WM経路のマッピングを可能にする非侵襲的方法です。 DTIは、生体組織¹⁵内の水分子の拡散に敏感です。脳では、水の拡散は、このような膜およびミエリンなどの障壁に起因する異方性（不均一）です。 WMは、拡散に対するファイバ¹⁶の方向に垂直なより大きい平行である意味、高い拡散異方性を有しています。 フラクショナル異方性（FA）は、異方性的に拡散する分子の好みを説明するスカラー量です。 FA値は、ローからハイanisotに、0-1の範囲粘着性の（脳脊髄液（CSF）<灰白質^{（GM）<WM）16。}

（決定論的）合理化と確率論ファイバートラッキング3Dパス再構成のための2つの異なるアルゴリズムです。決定論的トラクトグラフィは、定義されたシード領域に隣接したボクセルを結ぶ、直線伝搬法を使用しています。このアルゴリズムで使用される2つの停止基準は、回転角度とFA値です。したがって、隣接ボクセルの間のトレース管は、大きなターニング角度ではほとんどありません。このアルゴリズムは、したがって、ボクセル内のFAが正確に異方性が低下灰白質、近くの経路を定義することでその有効性を制限し、特定のしきい値を超えた場合にのみ進行することになります。確率論的トラクトグラフィは、一方で、関心対象の2つの領域間の道の一部であるボクセルの確率を記述する接続性マップ（関心領域）が得られるので、このようなV1 ¹⁷と灰白質に進行します。このMRIのアプリケーションを使用して、などの主要WM構造以前の研究^18-20に示すようにOR、描写することができます。

この研究は、したがって、レチノ – geniculo皮質接続上の軸索misroutingの効果を調査するために、拡散データとラクトを使用しています。人間の色素欠乏症⁸でLGNボリュームで以前に報告された削減に基づいて、我々はV1に、LGNから繊維突起はまた、（ 図1）に低減されていると予測しています。

Protocol

倫理文：現在の調査研究は、ヨーク大学、トロントでの人間の参加者審査委員会（HPRC）によって承認されています。すべての参加者は書面によるインフォームドコンセントを与えました。 1.件名の準備注意：OCAとイレブンの参加者、36±4年（6匹）高齢者が高齢者10年齢をマッチさせたコントロール、32±4年（6匹）と比較しました。参加者の履歴を…

Representative Results

このセクションでは、決定論と確率論的トラクトグラフィ、二つの異なるアルゴリズムを用いて得られた結果の要約を提供します。マスクが最初に描画されたPDの空間において、ならびに本研究で用いたすべての他の空間におけるLGNボリュームは、 表2に記録され、およびLGNのトレースは、図 4に示されています。ここで報告され?…

Discussion

WMを変更し、より具体的には、期待された対照と比較して白皮症で接続性を減少させました。このように、対照と比較して白皮症の右半球だけでなく、ここで報告アルビノと男性患者で減少し、接続中の還元FAは、当社の予測と一致しています。ジェンダーと半球効果が示唆している健康な脳の研究は、女性に比べて男性の左半球にWMの複雑さを減少したものの^30-31本研究で観察され?…

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