Mesure de la connectivité dans la voie visuelle primaire en albinisme humaine Utilisation Diffusion Tensor Imaging and Tractography
Summary
Ce manuscrit décrit des algorithmes déterministes et probabilistes pour la matière blanche (WM) reconstruction, utilisé pour examiner les différences dans le rayonnement optique (OR) la connectivité entre l'albinisme et les contrôles. Bien que tractographie probabiliste suit de plus près le véritable cours de fibres nerveuses, tractographie déterministe a été effectué pour comparer la fiabilité et la reproductibilité des deux techniques.
Abstract
Dans l'albinisme, le nombre de saillie ipsilatérale cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) est considérablement réduite. La rétine et chiasma optique ont été proposés comme sites candidats pour misrouting. Depuis une corrélation entre le nombre de noyau genouillé latéral (LGN) relais neurones et la taille LGN a été démontré, et sur la base des réductions précédemment rapportées dans des volumes LGN dans l'albinisme humaine, nous suggérons que les projections de fibres de LGN au cortex visuel primaire (V1) sont également réduits. L'étude des différences structurelles dans le système visuel de l'albinisme peut améliorer la compréhension du mécanisme de misrouting et les applications cliniques ultérieures. les données de diffusion et tractographie sont utiles pour la cartographie de la OR (de rayonnement optique). Ce manuscrit décrit deux algorithmes pour la reconstruction OU afin de comparer la connectivité du cerveau dans l'albinisme et le scanner IRM controls.An avec une bobine de tête 32 canaux a été utilisé pour acquérir des analyses structurelles. Une séquence 3D-MPRAGE pondérée en T1 avec 1 mm3 isotrope taille de voxel a été utilisé pour générer des images à haute résolution pour V1 segmentation. densité de protons multiples (PD) des images pondérées ont été acquises pour coronale droite et à gauche LGN localisation. Tenseur de diffusion d'imagerie (DTI) scans ont été acquises avec 64 directions de diffusion. Les deux méthodes de suivi déterministes et probabilistes ont été effectuées et comparées, avec LGN comme masque de semences et V1 comme masque cible. Bien que DTI offre une résolution spatiale relativement faible, et la délimitation précise des OR peut être difficile en raison de sa faible densité de fibres, tractographie a été montré pour être avantageux à la fois dans la recherche et clinique. statistiques de secteurs sur la base spatiale (TBSS) ont révélé les domaines de l'intégrité de la matière blanche considérablement réduite au sein de l'OR chez les patients atteints d'albinisme par rapport aux témoins. Des comparaisons par paires ont montré une réduction significative de LGN à la connectivité V1 albinisme par rapport aux témoins. En comparant les deux algorithmes de suivi ont révélé des résultats communs, le renforcement de la fiabilitéde la technique.
Introduction
L'albinisme est une maladie génétique caractérisée principalement par hypopigmentation manifeste observé chez les individus affectés. Elle est causée par des mutations héréditaires de gènes impliqués dans la synthèse de la mélanine 1. Albinisme apparaît sous deux formes principales: albinisme oculo-cutané (OCA), un trait récessif autosomique présentant des caractéristiques à la fois oculaires et cutanées; et albinisme oculaire (OA), un trait lié à l'X plus répandue chez les hommes et caractérisé principalement par les symptômes oculaires 2. Mélanine dans l'épithélium pigmentaire rétinien (EPR) est crucial pour le bon développement de la voie visuelle centrale. Son absence dans l' albinisme se traduit donc par une déficience visuelle, y compris la photophobie, nystagmus, acuité visuelle réduite et la perte de la vision binoculaire 2-3. L' acuité visuelle a été liée à la morphologie de la fovéa, qui est modifiée dans l' albinisme 4. Chez l'homme, une ligne rétinienne de entrecroisement se trouve le long de la frontière nasotemporal par la fovéa, avec des fibres de la rétine nasaletraversée vers l'autre hémisphère et ceux de la rétine temporelle étendant ipsilatérale. Le degré de la fonction visuelle réduite albinisme a été lié au niveau de l'hypopigmentation. Plus précisément, la pigmentation est inversement proportionnelle au décalage dans la rétine temporelle de la ligne de decussation 5. En conséquence du décalage dans la ligne de entrecroisement dans la rétine temporelle, croisement des fibres du nerf optique est augmentée – une caractéristique commune à travers toutes les espèces 3.
Des études d'IRM structurelles sur l' homme ont montré plus étroites chiasmes optiques dans l' albinisme par rapport aux témoins, ce qui est probablement le résultat de l' augmentation de traversée de RGC observées dans l' albinisme 6-8. La rétine et chiasma optique expriment des signaux de guidage axonal tels que les récepteurs de la famille Eph et leurs ligands 9 et sont donc des sites candidats pour misrouting 10.
Une étude sur des singes avec le glaucome induit a révélé une importante décembrerease dans le nombre de neurones de relais parvalbumin-immunoréactive LGN et le volume LGN 11. Ceci suggère une corrélation entre la taille de LGN et le nombre de la matière blanche (WM) des trajectoires de déplacement à travers le OU à V1. Une étude post mortem sur l' albinisme humaine a également révélé plus petit LGN avec fusionnés M et P couches 12. Haute résolution IRM structurelle confirme une réduction significative du volume de LGN dans albinisme 8. Pris ensemble, ces résultats suggèrent que la diminution du volume LGN peut entraîner une réduction du nombre de neurones dans le LGN, et à son tour une diminution de la connectivité entre les LGN et V1.
Examiner les modèles de connectivité anatomique chez l'homme a été limitée. Dissection, injection de traceur et induction de la lésion sont des techniques invasives qui ne peuvent être utilisés post-mortem, et impliquent généralement un très petit nombre de patients. Des études antérieures utilisant carbocyanine teignent injections DiI ont démontré la connectivité neuronale entre V1 et V2 (secondaire c visuelleortex) 13, ainsi que dans le complexe hippocampique en post-mortem de cerveaux humains aldéhyde fixe 14. Fibres d'étiquetage de cette manière est limitée à des distances de quelques dizaines de millimètres du point d'injection 14. imagerie du tenseur de diffusion, DTI, est une modalité IRM développée au début des années 1990-milieu pour identifier la direction des voies de la fibre et de l'organisation. Elle est une méthode non invasive qui permet de cartographier des grandes voies de MW dans le cerveau vivant. DTI est sensible à la diffusion des molécules d'eau dans les tissus biologiques 15. Dans le cerveau, la diffusion de l'eau est anisotrope (inégale) en raison d'obstacles tels que les membranes et la myéline. WM a une grande diffusion anisotropie, ce qui signifie la diffusion est plus parallèle à que perpendiculairement à l'orientation des fibres 16. anisotropie fractionnelle (FA) est une grandeur scalaire décrivant la préférence des molécules à diffuser de manière anisotrope. Les valeurs FA vont de 0-1, de bas en haut anisotfilants (liquide céphalo – rachidien (LCR) <matière grise (GM) <WM) 16.
Rationaliser (déterministe) et suivi de la fibre probabiliste sont deux algorithmes différents pour la reconstruction du chemin 3D. tractographie déterministes utilise une méthode de propagation de la ligne reliant voxels voisins dans une région de semences définie. Deux critères d'arrêt utilisés dans cet algorithme sont l'angle de braquage et la valeur FA. Par conséquent, les voies de traçage entre voxels voisins est peu probable que les grands angles de braquage. L'algorithme serait donc progresse également que si la FA dans un voxel dépasse un certain seuil, ce qui limite son efficacité dans la définition précise des voies près de la matière grise, où anisotropie gouttes. Tractographie probabilistes, d'autre part, donne une carte de connectivité décrivant la probabilité d'un voxel à faire partie d'un tube entre deux régions d'intérêt (ROI) et progresse dans la matière grise tels que V1 17 ainsi. En utilisant cette application IRM, structures clés WM comme leOu peuvent être délimitées, comme illustré dans les études précédentes 18-20.
Cette étude utilise donc des données de diffusion et tractographie pour explorer l'effet de misrouting axonale sur la connectivité rétino-geniculo-corticale. Sur la base des réductions précédemment rapportées dans des volumes LGN dans l' albinisme humaine 8, nous prévoyons que les projections de fibres de LGN à V1 sont également réduits (Figure 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
WM modifié et, plus particulièrement, une diminution de la connectivité dans albinisme par rapport aux témoins étaient attendus. Ainsi, la réduction de FA dans l'hémisphère droit de l'albinisme par rapport aux témoins, ainsi que la diminution de la connectivité chez les hommes atteints d'albinisme rapportés ici sont en ligne avec notre prévision. Genre et hémisphère effets ne sont pas tout à fait clair, bien que la recherche sur le cerveau sain qui suggère une diminution de la complexité WM …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Le travail est soutenu en partie par le Conseil de recherches en génie du Canada en sciences naturelles et en génie (CRSNG). Les auteurs remercient les participants, le Dr Rick Thompson pour son aide dans le recrutement des patients de l'albinisme, Denis Romanovsky pour son aide en cours d'exécution certaines des analyses et la modification d'une figure, Mónica Giraldo Chica pour ses connaissances et des conseils avec tractographie, Joy Williams pour son aide dans l'acquisition IRM, et Aman Goyal pour son IRM expertise d'analyse.
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 |
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