Mess Konnektivität im primären Sehbahn im Bereich Human Albinismus Diffusion Tensor-Bildgebung und Traktographie

Summary

Dieses Manuskript beschreibt deterministischen und probabilistischen Algorithmen für die weiße Substanz (WM) für den Wiederaufbau, verwendet, um Unterschiede in Sehstrahlung zu untersuchen (OR) Konnektivität zwischen Albinismus und Kontrollen. Obwohl probabilistischen tractography war der wahre Verlauf der Nervenfasern stärker determinis tractography folgt ausführen, um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit beider Techniken zu vergleichen.

Abstract

In Albinismus, wird die Anzahl der ipsilateral Projizieren retinale Ganglionzellen (RGCs) signifikant reduziert. Die Retina und Chiasma wurden als mögliche Standorte für Fehlleitung vorgeschlagen. Da eine Korrelation zwischen der Anzahl der Corpus geniculatum laterale (LGN) Relais Neuronen und LGN Größe gezeigt wurde, und basierend auf den bereits gemeldeten Reduktionen in LGN Volumina im menschlichen Albinismus, schlagen wir vor, dass Faser Projektionen von LGN zur primären visuellen Kortex (V1) werden ebenfalls reduziert. Studium strukturelle Unterschiede im visuellen System des Albinismus kann das Verständnis des Mechanismus der Fehlleitung und anschließende klinische Anwendungen verbessern. Diffusionsdaten und tractography sind nützlich zum Abbilden des OR (optische Strahlung). Dieses Manuskript beschreibt zwei Algorithmen zur Rekonstruktion oder um Gehirn-Konnektivität in Albinismus und controls.An MRI-Scanner mit einem 32-Kanal-Kopfspule verwendet strukturelle Scans zu erwerben wurde zu vergleichen. Ein T1-gewichteten 3D-MPRAGE Sequenz mit 1 mm³ isotropen Voxelgröße wurde verwendet , hochauflösende Bilder für V1 Segmentierung zu erzeugen. Mehrere Protonendichte (PD) gewichtete Bilder wurden kranz für Recht erworben und LGN Lokalisierung links. Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) Scans wurden mit 64 Diffusionsrichtungen erworben. Sowohl deterministische und probabilistische Tracking-Methoden wurden durchgeführt und verglichen mit LGN als Keimmaske und V1 als Zielmaske. Obwohl DTI relativ schlechte räumliche Auflösung bietet und genaue Abgrenzung der OR kann aufgrund seiner geringen Faserdichte eine Herausforderung sein, tractography wurde sowohl in der Forschung als auch klinisch vorteilhaft erwiesen. Tract basierend räumlichen Statistik (TBSS) ergab Bereiche deutlich reduziert weißen Substanz Integrität innerhalb der oder bei Patienten mit Albinismus Vergleich zu den Kontrollen. Paarweise Vergleiche ergeben, in Albinismus eine signifikante Reduktion der LGN zu V1 Konnektivitäts Vergleich zu den Kontrollen. Vergleicht man beide Tracking-Algorithmen offenbart gemeinsame Erkenntnisse, um die Zuverlässigkeit zu stärkender Technik.

Introduction

Albinismus ist eine genetisch bedingte Erkrankung in erster Linie durch offenkundige hypopigmentation in den betroffenen Individuen beobachtet gekennzeichnet. Es wird von ererbten Mutationen Gene verursacht ¹ in Melaninsynthese beteiligt. Albinismus erscheint in zwei Hauptformen: oculo-kutane Albinismus (OCA), eine autosomal-rezessiv vererbt sowohl Augen- und Hautmerkmale aufweist; und okulare Albinismus (OA), eine X-chromosomal trait häufiger bei Männern und vor allem durch die Augensymptome ² gekennzeichnet. Melanin in retinalen Pigmentepithel (RPE) ist entscheidend für die richtige Entwicklung des zentralen Sehbahn. Sein Fehlen in Albinismus führt daher zu Fehlsichtigkeiten, einschließlich Photophobie, Nystagmus, reduzierte Sehschärfe und Verlust des binokularen Sehens ^2-3. Die Sehschärfe wurde Fovea – Morphologie verknüpft, die in Albinismus ⁴ verändert wird. Beim Menschen liegt eine Netzhautlinie decussation entlang der nasotemporal Grenze durch die Fovea, mit Fasern aus nasalen RetinaKreuzung auf der anderen Hemisphäre und die aus zeitlichen Retina erstreckt ipsilateral. Der Grad der reduzierten visuellen Funktion in Albinismus wurde auf das Niveau von hypopigmentation verknüpft. Insbesondere ist Pigmentierung umgekehrt proportional zur Verschiebung in temporal Retina des Linie decussation ^5. Als Folge der Verschiebung der Leitung von decussation in der zeitlichen Retina, Überschreiten der Sehnervenfasern erhöht wird – ein gemeinsames Merkmal in allen ^drei Arten.

Structural MRI Studien am Menschen haben schmalere optic Chiasmen in Albinismus gezeigt im Vergleich zu Kontrollen, die ^6-8 in Albinismus wahrscheinlich das Ergebnis der erhöhten Kreuzungs von RGCs beobachtet wird. Die Netzhaut und Chiasma axonalen Führung Cues Eil wie Eph – Familie – Rezeptoren und deren Liganden ⁹ und sind daher mögliche Standorte für Fehlleitung ^10.

Eine Studie an Affen mit induzierten Glaukom zeigte einen signifikanten Dezemberrease in der Anzahl der LGN Parvalbumin-immunoreaktive Neuronen Relais und LGN Volumen ^11. Dies deutet auf eine Korrelation zwischen LGN Größe und der Anzahl der weißen Substanz (WM) Trajektorien durch die OR zu V1 fährt. Eine post mortem Studie an menschlichen Albinismus zeigte auch kleinere LGN mit verschmolzenen M und P Schichten ^12. Hochauflösende strukturelle MRT bestätigt signifikante Verringerung des Volumens von LGN in Albinismus ^8. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse, dass LGN Volumen verringerte sich in einer reduzierten Anzahl von Neuronen in der LGN führen und wiederum in verringerten Konnektivität zwischen LGN und V1.

Prüfungsmuster anatomischer Konnektivitäts beim Menschen begrenzt. Sezierung, Tracerinjektion und Läsion Induktion sind invasive Techniken, die nur post mortem verwendet werden kann, und in der Regel eine sehr kleine Anzahl von Patienten einzubeziehen. Frühere Studien mit Carbocyaninfarbstoffes Dil Injektionen zeigten neuronale Verbindungen zwischen V1 und V2 (sekundäre visual c färbenORTEX) ^13, sowie im Hippocampus – Komplex in Aldehyd-fixierten postmortalen menschlichen Gehirnen ^14. Kennzeichnungs Fasern auf diese Weise wird auf Entfernungen von nur beschränkt zehn Millimeter von der Injektionsstelle ^14. Diffusion Tensor Imaging, DTI, ist eine MRI-Modalität entwickelt Anfang-Mitte der 1990er Jahre Faserzug Richtung und Organisation zu identifizieren. Es ist eine nicht-invasive Methode, die Kartierung großer WM Wege im lebenden Gehirn ermöglicht. DTI ist in biologischem Gewebe ¹⁵ zur Diffusion von Wassermolekülen empfindlich. Im Gehirn ist die Diffusion von Wasser anisotrop (unebene) aufgrund von Barrieren wie Membranen und Myelin. WM hat eine hohe Diffusions Anisotropie, was bedeutet , die Diffusions größer parallel als senkrecht zu der Ausrichtung der Fasern ¹⁶ ist. Fractional Anisotropie (FA) ist eine skalare Größe, die die Präferenz von Molekülen diffundieren in anisotroper Weise beschreibt. FA-Werte reichen von 0-1, von niedrig bis hoch anisotropy (Liquor (CSF) <graue Substanz (GM) <WM) ^16.

Rationalisieren (deterministisch) und probabilistische Fiber Tracking sind zwei verschiedene Algorithmen für 3D-Pfad Rekonstruktion. Determinis tractography verwendet eine Linie Ausbreitungsverfahren, benachbarte Voxel in einem definierten Seed-Region verbindet. Zwei Abbruchkriterien in diesem Algorithmus verwendet werden, sind der Drehwinkel und der FA-Wert. Daher Trakt zwischen benachbarten Voxel Tracing ist bei großen Drehwinkel unwahrscheinlich. Der Algorithmus wäre daher schreitet auch nur, wenn der FA in einem Voxel eine bestimmte Schwelle überschreitet, in genau definieren Wege in der Nähe der grauen Substanz ihre Wirksamkeit zu begrenzen, wo Anisotropie fällt. Probabilistische tractography, auf der anderen Seite ergibt eine Konnektivitätskarte die Wahrscheinlichkeit eines Voxel beschreibt Teil eines Darm – Trakt zwischen zwei Regionen von Interesse (ROIs) und damit schreitet in der grauen Substanz wie V1 ¹⁷ zu sein. Mit dieser MRI-Anwendung, Schlüssel WM Strukturen wie dieOR kann abgegrenzt werden, wie ^18-20 in früheren Studien gezeigt.

Diese Studie verwendet daher Diffusionsdaten und tractography die Wirkung von axonalen Fehlleitung auf retino-geniculo-kortikalen Konnektivität zu erkunden. Basierend auf den bereits gemeldeten Reduktionen in LGN Volumina im menschlichen Albinismus ^8, sagen wir voraus , dass Faser Projektionen von LGN zu V1 werden ebenfalls reduziert (Abbildung 1).

Protocol

Ethik-Statement: Die aktuelle Studie wurde von den menschlichen Teilnehmern Review Committee (HPRC) an der York University, Toronto genehmigt. Alle Teilnehmer gaben ihr schriftliches Einverständnis informiert. 1. Gegenstand Vorbereitung Hinweis: Elf Teilnehmer mit OCA, im Alter von 36 ± 4 Jahre (6 Frauen) wurden im Vergleich zu zehn altersangepassten Kontrollen, im Alter von 32 ± 4 Jahre (6 Frauen). Teilnehmerhistorie ist in Tabelle 1 aufg…

Representative Results

Dieser Abschnitt enthält eine Zusammenfassung der Ergebnisse mit zwei verschiedenen Algorithmen von tractography, deterministischen und probabilistischen erhalten. LGN Volumina in PD Raum , in dem Masken wurden ursprünglich gezeichnet, ebenso wie in allen anderen Räumen in dieser Studie verwendet wurden , sind in Tabelle 2 aufgezeichnet werden, und LGN Verfolgung ist in Abbildung 4 dargestellt. Die hier vorgestellten Ergebnisse basier…

Discussion

Veränderte WM und insbesondere verringerte Konnektivität in Albinismus Vergleich zu Kontrollen wurden erwartet. Somit sind die reduzierte FA in der rechten Hemisphäre des Albinismus im Vergleich zu Kontrollen sowie die verringerte Konnektivität bei männlichen Patienten mit Albinismus hier berichtet im Einklang mit unserer Vorhersage. Geschlecht und Hemisphäre Effekte sind nicht ganz klar, obwohl die Forschung auf dem gesunden Gehirn , die in der linken Hemisphäre von Männern im Vergleich zu Frauen verringerte WM…

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