Medição Conectividade no Visual principal via de albinismo humano utilizando tensor de difusão e tractography

Summary

Este manuscrito descreve algoritmos determinísticos e probabilísticos para a matéria branca (WM) reconstrução, usado para examinar as diferenças na radiação óptica (OR) conectividade entre albinismo e controles. Embora tractography probabilística segue o verdadeiro curso de fibras nervosas mais de perto, tractography determinista foi executado para comparar a confiabilidade e reprodutibilidade de ambas as técnicas.

Abstract

Em albinismo, o número de ipsilateralmente projectam células ganglionares da retina (RGCs) é significativamente reduzido. A retina e quiasma têm sido propostos como locais candidatos para misrouting. Desde uma correlação entre o número de lateral do núcleo geniculado (LGN) retransmitir neurônios e tamanho LGN foi mostrado, e com base em reduções previamente relatados em volumes LGN em albinismo humano, sugerimos que as projeções de fibra de LGN para o córtex visual primário (V1) também são reduzidos. Estudando as diferenças estruturais no sistema visual de albinismo pode melhorar a compreensão do mecanismo de misrouting e aplicações clínicas subsequentes. dados de difusão e tractography são úteis para mapear o OR (radiação óptica). Este manuscrito descreve dois algoritmos para ou reconstrução, a fim de comparar a conectividade cerebral em albinismo e scanner de ressonância magnética controls.An com uma bobina de cabeça de 32 canais foi usado para adquirir varreduras estruturais. A sequência de MPRAGE 3D ponderadas em T1 com 1 mm³ tamanho do voxel isotrópico foi usado para gerar imagens de alta resolução para a segmentação V1. Multiple densidade de prótons (PD) imagens ponderadas foram adquiridos coronariamente para direita e esquerda LGN localização. Tensor de difusão de imagem (DTI) scans foram adquiridos com 64 indicações de difusão. Ambos métodos de rastreamento determinísticos e probabilísticos foram executados e comparados, com LGN como a máscara de sementes e V1 como a máscara alvo. Embora DTI fornece relativamente pobre resolução espacial, e o delineamento preciso do ou pode ser difícil, devido à sua baixa densidade da fibra, tractography foi demonstrado ser vantajoso tanto na pesquisa como clinicamente. Trato estatísticas espaciais baseados (TBSS) revelou áreas de reduzida significativamente integridade da substância branca dentro da OR em pacientes com albinismo em relação aos controles. Comparações pareadas revelou uma redução significativa na LGN à conectividade V1 em albinismo relação aos controles. Comparando ambos os algoritmos de rastreamento revelou achados comuns, fortalecendo a confiabilidadeda técnica.

Introduction

O albinismo é uma condição genética caracterizada principalmente por hipopigmentação ostensiva observada em indivíduos afetados. É causada por mutações hereditárias de genes envolvidos na síntese de melanina ^1. Albinismo aparece em duas formas principais: albinismo óculo-cutâneo (OCA), autossómica recessiva que apresenta características tanto oculares e cutâneas; e albinismo ocular (OA), uma característica ligada ao cromossoma X mais prevalente nos homens e principalmente caracterizada pelos sintomas oculares ^2. A melanina no epitélio pigmentado da retina (RPE) é crucial para o desenvolvimento adequado da via visual central. Sua ausência em albinismo, portanto, resulta em deficiência visual, incluindo fotofobia, nistagmo, redução da acuidade visual e perda da visão binocular ^2-3. A acuidade visual tem sido associada a morfologia da fóvea, o que é alterado em ^quatro albinismo. Nos seres humanos, uma linha de retina de decussação encontra-se ao longo da fronteira nasotemporal através da fóvea, com fibras a partir de retina nasalatravessar para o outro hemisfério e os da retina temporal, estendendo-se ipsilateralmente. O grau de redução da função visual em albinismo tem sido associada ao nível de hipopigmentação. Especificamente, a pigmentação é inversamente proporcional à mudança para a retina temporal da linha de decussação ^5. Como resultado da mudança de linha de decussação na retina temporal passagem das fibras do nervo óptico é aumentada – uma característica comum entre todas as espécies ^3.

Exames de ressonância magnética estrutural em seres humanos demonstraram chiasms óptica mais estreitos em albinismo comparados aos controles, o que é provável que o resultado do aumento da passagem de RGCs observados em albinismo ^6-8. A retina e óptica chiasm expressar pistas de orientação axonal como receptores da família Ef e seus ligantes ⁹ e, portanto, são locais candidatos para misrouting ^10.

Um estudo sobre macacos com glaucoma induzido revelou uma significativa dezembroRease no número de neurônios LGN relé parvalbumina-imunorreativa e volume de LGN ^11. Isto sugere uma correlação entre o tamanho do LGN e do número de substância branca (WM) trajetórias que viajam através do OR para V1. Um estudo post mortem em albinismo humano também revelou menor LGN com fundidos M e P camadas ^12. De alta resolução de ressonância magnética estrutural confirmou redução significativa no volume de LGN no albinismo ^8. Tomados em conjunto, estes resultados sugerem que a diminuição do volume LGN pode resultar em um número reduzido de neurônios no LGN, e por sua vez em diminuição da conectividade entre LGN e V1.

padrões examinando de conectividade anatômica em seres humanos tem sido limitada. Dissecção, a injeção do radiofármaco e indução da lesão são as técnicas invasivas que só podem ser utilizados post mortem e, normalmente, envolvem um número muito pequeno de pacientes. Estudos anteriores, usando carbocianina tingir injeções DII demonstrado conectividade neuronal entre V1 e V2 (visual c secundárioortex) ^13, bem como dentro do complexo do hipocampo no cérebro humano post-mortem fixa-aldeído ^14. Fibras de rotulagem dessa forma é restrito a distâncias de apenas dezenas de milímetros a partir do ponto de injecção ^14. Difusão de imagens tensor, DTI, é uma modalidade de ressonância magnética desenvolvido no início de meados dos anos 1990 para identificar direção do trato fibra e organização. É um método não-invasivo que permite o mapeamento de grandes vias WM no cérebro vivo. DTI é sensível para a difusão de moléculas de água no tecido biológico ^15. No cérebro, a difusão da água é anisotrópica (irregular) devido a obstáculos, tais como membranas e mielina. WM tem alta anisotropia de difusão, o que significa que a difusão é maior do que paralelamente à perpendicular à orientação das fibras ^16. anisotropia fracionada (FA) é uma quantidade escalar que descreve a preferência de moléculas para se difundir de forma anisotrópica. valores de FA variam de 0-1, de baixo a alto anisotropy (líquido cefalorraquidiano (LCR) <matéria cinzenta (GM) <WM) ^16.

Dinamize (determinístico) e rastreamento de fibra probabilística são dois algoritmos diferentes para a reconstrução caminho 3D. tractography determinístico utiliza um método de propagação de linha, ligando voxels vizinhos em uma região de sementes definida. Dois critérios de paragem utilizados neste algoritmo é o ângulo de rotação e o valor FA. Portanto, trato rastreamento entre voxels vizinhos é improvável a grandes ângulos de viragem. O algoritmo seria, portanto, também progride apenas se a FA em um voxel exceder um limite específico, limitando a sua eficácia no que definem com precisão as vias próximas massa cinzenta, onde a anisotropia cai. Tractography probabilística, por outro lado, produz um mapa de conectividade que descrevem a probabilidade de um voxel de fazer parte de um intervalo entre duas regiões de interesse (ROI) e, portanto, avança para a matéria cinzenta, tal como V1 ^17. Usando esta aplicação MRI, estruturas fundamentais como a WMOU pode ser delineada, como demonstrado em estudos anteriores ^18-20.

Este estudo utiliza, portanto, dados de difusão e tractography para explorar o efeito da misrouting axonal na conectividade de retino-geniculo cortical. Com base em reduções previamente relatados em volumes LGN em albinismo humano ^8, prevemos que as projeções de fibra de LGN para V1 também são reduzidos (Figura 1).

Protocol

Declaração de Ética: A pesquisa atual foi aprovada pelos Participantes Humanos Comitê de Revisão (HPRC) da Universidade de York, Toronto. Todos os participantes deram consentimento informado por escrito. 1. Sob Preparação Nota: os participantes Onze com OCA, com idades entre 36 ± 4 anos (6 fêmeas) foram comparados com dez controles pareados por idade, com idades entre 32 ± 4 anos (6 fêmeas). História participante está registado na Tabela …

Representative Results

Esta seção fornece um resumo dos resultados obtidos utilizando dois algoritmos diferentes de tractography, determinista e probabilística. LGN volumes de espaço em DP em que mascara foram originalmente desenhada, bem como em todos os outros espaços usados ​​neste estudo, estão registados na Tabela 2, e LGN rastreio é ilustrado na Figura 4. Os resultados aqui apresentados são baseados em corridas que usaram uma esfera padrão c…

Discussion

WM alterada e, mais especificamente, diminuiu a conectividade em albinismo comparação com os controlos eram esperados. Assim, a FA reduzida no hemisfério direito do albinismo em relação aos controles, bem como a conectividade diminuiu em pacientes do sexo masculino com albinismo aqui relatados estão em linha com a nossa previsão. Gênero e hemisfério efeitos não são totalmente claras, embora a pesquisa sobre o cérebro saudável, que sugere diminuição da complexidade WM no hemisfério esquerdo de machos em r…

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