Advanced MRI techniques in multiple sclerosis: multimodal assessment of WM and GM damage mechanisms

Aim: The aim of this study was to implement and test objective methods for quantifying the relationships between gray matter (GM) and white matter (WM) damage, applicable in regards to neurodegenerative diseases, with a particular focus on multiple sclerosis (MS). Background: Conventional imaging techniques are insufficient to fully characterize the underlying pathological substrates involved in MS. Moreover, it is now widely recognized that MS damage is much more widespread than just focal WM lesions. A number of advanced acquisition and post-processing techniques have been developed for both a more precise description and a better localization of the effects of the disease. However, the effects of MS-related focal damage often require careful evaluation and tuning of the algorithms commonly in use within the neuroimaging community. Nonetheless, advanced techniques offer the possibility to interrogate the various pathological processes involved in MS. Examples include morphological reconstruction of the cortex and subcortical GM structures for a better characterization of tissue atrophy, diffusion imaging and tractographic reconstruction for quantitative assessment of WM characteristics (including the so-called normal appearing WM (NAWM)) and susceptibility-weighted imaging for assessing iron deposition. Furthermore, the integration of the aforementioned techniques can provide information on the associations and interactions between tissue damage in the WM and GM compartments. Protocol and Results: (i) Methodological Developments: The impact of WM lesions on cortical reconstructions was qualitatively assessed in a sample of relapsing remitting MS patients. As WM lesions were found to negatively affect automated cortical reconstructions, we developed and implemented an optimized process for lesion filling as pre-processing step. We combined cortical reconstruction and tractography techniques to assess the relationship between WM injury and cortical thinning in a functionally and anatomically connected region. As WM pathology was found to interfere with tractography of the WM fiber tracts (both for deterministic and probabilistic approaches), we implemented a method for generating probabilistic atlases based on successful reconstructions in healthy controls (HC). The effect of lesions on automated deep GM (DGM) segmentations was also quantified. Finally, we implemented a novel, optimized and unbiased processing pipeline for assessing the relationship between putative iron deposition in the DGM and injury within the connected WM tracts. (ii) Applications: The optimized lesion filling process was used in all four studies that make up the current work. In a sample of 51 MS patients, we found that NAWM injury within the corticospinal tract (CST) was the best predictor of cortical thinning in the primary motor cortex. This appears to be specific to MS as no such relation was found in the HC group. In a group of 152 MS patients, we demonstrated a clear effect of WM lesions on automated thalamic and caudate segmentations. This motivated the use of lesion filled images in our third study which investigated the relationships between DGM atrophy and cognitive status in a sample of 64 MS patients. We highlighted the advantage of surface-based methods for a more precise localization of the effects of atrophy. Specifically, anterior thalamic atrophy was found to correlate with decreased processing speed over the course of three years of follow-up. Notably, such an effect was not detectable when using other commonly used imaging assessments. Lastly, we applied our processing pipeline for combining iron-sensitive imaging and tractography techniques in a sample of 66 MS patients. Our results demonstrated for the first time in the literature an association between putative iron deposition in the DGM and increased WM damage in the associated tracts. Conclusion: The aim of this study was to implement and test objective methods for quantifying the relationships between GM and WM damage in multiple sclerosis. We consistently demonstrated the importance of paying close attention, in the preprocessing phase, to the confounding effects of WM lesions in terms of obtaining reliable results. In two separate studies, we found clear evidence of an association between WM injury and GM pathology. For the former, we used WM tractographic methodologies while for the latter we utilized both cortical morphological reconstruction and iron-sensitive acquisition/post-processing techniques. We found that both cortical thinning and a putative marker of increased iron deposition were related to increased NAWM injury in the connected tracts. We also showed for the first time that focal atrophy of the thalamus is associated with a decline in cognitive processing speed over three years of follow-up. Taken together, the results obtained from the investigations performed as part of this thesis appear to be promising in leading to a better characterization of the association between structure-specific GM, both deep and cortical, and WM injury in multiple sclerosis. These results, moreover, foster new insights yielded by multimodal imaging approaches for studying the multifaceted aspects of the disease.

Aim: Lo scopo di questo studio è di implementare e validare metodi di quantificazione oggettiva della relazione tra danno della sostanza grigia (SG) e sostanza bianca (SB) applicabili a malattie neurodegenerative, con particolare interesse per la sclerosi multipla (SM). Background: le tecniche di imaging convenzionale non sono in grado di caratterizzare adeguatamente il substrato patologico sottostante la SM. Per di più, è stato dimostrato che i danni provocati dalla SM non si limitano alle lesioni della SB ma appaiono molto più diffusi. Per ovviare a questo problema, sono state sviluppate diverse tecniche avanzate di acquisizione e post-processing per caratterizzare meglio qualitativamente l’entità e la localizzazione del danno correlato alla patologia. Spesso però, gli effetti della patologia focale tipica della SM richiedono una valutazione attenta e un adeguamento degli algoritmi normalmente utilizzati nella comunità di neuroimaging. Le tecniche avanzate di neuroimaging consentono la possibilità di valutare i diversi processi patologici coinvolti nella SM. Alcuni esempi includono la ricostruzione morfologica della SG corticale e sottocorticale allo scopo di caratterizzare l’atrofia tissutale, le tecniche di diffusione per definire quantitativamente le caratteristiche della SB (inclusa la cosiddetta sostanza bianca apparentemente normale), la ricostruzione trattografica dei fasci di fibre di interesse e il susceptibility-weighted imaging per lo studio dei depositi di ferro. Inoltre, l’uso integrato delle tecniche sopramenzionate può fornire informazioni preziose sulle associazioni, ed eventuali interazioni tra il danno della SB e della SG. Protocolllo e risultati- (i) sviluppo delle metodologie: è stata quantificata l’influenza delle lesioni focali della SB sulla ricostruzione della corteccia di pazienti affetti da SM recidivante remittente. Siccome è stato verificato un impatto negativo delle lesioni sulla ricostruzione automatica del distretto corticale, abbiamo sviluppato e implementato un processo ottimizzato per il filling delle lesioni in fase di pre-processing. Abbiamo quindi combinato la ricostruzione della corteccia e le tecniche di trattografia per studiare la relazione tra la riduzione dello spessore corticale e il danno della SB in aree funzionalmente ed anatomicamente correlate. Il danno tissutale a carico della SB interferisce con la ricostruzione trattografica dei fasci di fibre di SB (sia utilizzando un approccio deterministico che probabilistico); abbiamo quindi implementato un metodo di generazione di atlanti probabilistici basati sulla ricostruzione degli stessi fasci di fibre in un campione di soggetti sani. È stato inoltre quantificato l’effetto delle lesioni focali sulla segmentazione automatica delle strutture di SG profonda. Da ultimo, abbiamo implementato una nuova procedura, ottimizzata e libera da bias per la definizione della relazione tra depositi di ferro nella SG profonda e danno all’interno dei fasci di fibre di SB ad essa connessi. (ii): applicazioni: il processo ottimizzato di filling delle lesioni è stato utilizzato in tutti e 4 gli studi descritti nel presente lavoro. Abbiamo analizzato un campione di 51 pazienti affetti da SM, in cui il danno della SB apparentemente normale appartenente al tratto cortico-spinale (CST) è risultato essere il maggiore fattore predittivo di riduzione dello spessore corticale nella corteccia motoria primaria. Questo dato, non essendo presente nella popolazione di soggetti sani, pare essere specificamente correlato alla patologia in esame. Abbiamo anche dimostrato un evidente effetto delle lesioni della SM sulla segmentazione automatica di talamo e nucleo caudato in un campione di 152 pazienti affetti da SM. Questo riscontro ha motivato l’utilizzato di immagini lesion filled nel terzo lavoro qui descritto, in cui abbiamo studiato la relazione tra atrofia della SG profonda e stato delle funzioni cognitive in una popolazione di 64 pazienti affetti da SM. Abbiamo sottolineato il vantaggio di metodi surface-based per una localizzazione più precisa degli effetti dell’atrofia tissutale. Più nel dettaglio, l’atrofia delle regioni anteriori del talamo correla con una riduzione della velocità di processazione delle informazioni, nell’ambito di un follow-up di tre anni. È interessante sottolineare che non è stato possibile riscontrare lo stesso dato utilizzando altri metodi di imaging comunemente utilizzanti. Infine, abbiamo applicato la nostra procedura ottimizzata al fine di combinare tecniche di trattografia a imaging sensibile al ferro in un campione di 66 pazienti affetti da SM. I nostri risultati hanno dimostrato per la prima volta in letteratura una associazione tra la probabile presenza di depositi di ferro nella SG profonda e un aumento del danno della SB nei tratti associati. Conclusioni: lo scopo del presente studio era identificare e validare l’efficacia di metodi di imaging oggettivi per la quantificazione della relazione tra danno della SB e nella SG nella SM. Abbiamo ripetutamente dimostrato l’importanza di tenere in considerazione nel preprocessing gli effetti delle lesioni in SB, per ottenere risultati attendibili. In due diversi studi abbiamo riscontrato una chiara evidenza di associazione tra danno della SB e della SG. Per indagare e quantificare il danno della SB abbiamo utilizzato metodiche trattografiche, mentre per quanto riguarda la SG abbiamo utilizzato sia tecniche di ricostruzione morfologica della corteccia che tecniche di imaging sensibili al ferro per l’acquisizione e il post-processing. A questo proposito abbiamo rilevato che il danno della SG in termini sia di assottigliamento corticale che di indici di possibile presenza di depositi di ferro erano correlati ad un aumento del danno della SB nei tratti anatomicamente connessi. Abbiamo anche dimostrato per la prima volta che l’atrofia focale del talamo è associata ad un declino delle funzioni cognitive, in particolare della velocità di processazione delle immagini nel corso di un follow-up della durata di tre anni. Considerati globalmente, i risultati ottenuti dagli studi presentati sembrano aprire uno scenario promettente nell’ambito della ricerca di imaging sulla SM, avendo ottenuto una migliore caratterizzazione dell’associazione tra danno, struttura-specifico, della SG, sia profonda che corticale, e della SB nella sclerosi multipla. Questi risultati, in aggiunta, promuovono una migliore comprensione fornita da un approccio multimodale per lo studio delle varie caratteristiche della patologia in esame.