White matter changes in episodic migraine : a neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI) study

Nowadays, Migraine could be classified as an intense pulsatile painful neurological condition, characterized by the presence of several headaches attacks in a span of three months (not more than 14 headaches for Episodic Migraineurs, more than 14 episodes for Chronic Migraneiurs). In particular, this work was centered on the analysis of Menstrual Migraine, which is a type of Episodic Migraine where migraine attacks directly relate to the menstruation period of the subject. Neuroimaging has been extensively used to characterize brain changes in migraine patients but there are still not many effective therapeutic plans against this type of disease. For this reason, the analysis of the white-matter alterations was still considered a challenge by the whole scientific community. The purpose of this work is to detect white matter alterations in Episodic Migraine patients by the use of diffusion MRI. Particularly, the neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI) model has been applied. NODDI is a model of the signal measured with diffusion-weighted MRI, which differs from other more common models (like Diffusion Tensor Imaging or Diffusion Kurtosis Imaging) by its capability of providing quantitative compartment-specific metrics. Thus, with NODDI is possible to provide the contribution given by the singular tissue components, showing what influence the singular tissues have in the final image. The data collected from a group of 14 control subjects and 9 menstrual migraineurs was analyzed with the application of the NODDI model followed by a TBSS analysis. The acquisition of the controls has been performed for two conditions: premenstrual (before the start of the menstrual cycle) and midcycle (during the menstrual cycle). Regarding the episodic migraineurs, the acquisition has been performed in four different conditions: interictal (in between two different seizures), preictal (before the start of the seizure), ictal (during the seizure), and postictal (after the seizure). Relevant white-matter alterations were found in the left inferior fronto-occipital fasciculus (p-value=0.048), left forceps major (p-value=0.028), left superior longitudinal fasciculus (p-value=0.040), and left cingulum (p-value=0.038) for the ISOVF (Isotropic Volume Fraction) parameter in the comparison between midcycle phase (controls) and interictal phase (Episodic Migraine patients). No relevant results were found for the parameters ICVF (Intracellular Volume Fraction) and ODI (Orientation Dispersion Index) in this comparison. Moreover, the author tried to implement the statistical analysis using the Region-of- interest (ROI) analysis based on the results obtained from the previous TBSS analysis, with the use of the JHU (Johns Hopkins University) white matter atlases, considering a total number of 14 controls and 10 episodic migraineurs. The ROI analysis has been applied to 10 ROIs in total, obtaining significant differences between controls and migraineurs in the left splenium of corpus callosum (uncorrected p-value=0.01766), left anterior thalamic radiation (uncorrected p-value=0.01535), left posterior corona radiata (uncorrected p-value=0.02696), left inferior fronto-occipital fasciculus (uncorrected p-value=0.04392) and left superior longitudinal fasciculus (uncorrected p-value=0.02871) for the ISOVF (Isotropic Volume Fraction) parameter. It has been possible to state that the results that were found with the ROI analysis have shown consistency just for the left inferior fronto-occipital fasciculus compared to the previous TBSS analysis. Generally, the availability of a small sample size related to the specific migraine phases could be seen as a strong limitation of the present study. Indeed, a large dataset should be required in order to investigate deeply the alteration of the whole-brain white-matter tracts in menstrual migraine. Moreover, it was not fully certain that the NODDI model should be the most suitable one for the case of episodic migraine.

L’emicrania è definita come una condizione neurologica caratterizzata dalla presenza di numerosi attacchi di cefalea nell’arco di tre mesi (non più di 14 episodi per l’emicrania episodica, più di 14 episodi per l’emicrania cronica) di grave entità dolorosa e a carattere pulsante. In particolare, questo lavoro è stato incentrato sull’analisi dell’emicrania mestruale, la quale è un tipo di emicrania episodica in cui gli attacchi di emicrania sono direttamente correlati al periodo mestruale del soggetto. Varie tecniche di neuroimagiologia sono state ampiamente utilizzate per caratterizzare le modifiche cerebrali nei pazienti con emicrania, ma non ci sono ancora protocolli terapeutici del tutto efficaci contro questo tipo di malattia. Per tale motivo, l’analisi delle alterazioni della sostanza bianca è ancora considerata una sfida da tutta la comunità scientifica. Lo scopo di questo studio è rilevare le alterazioni della sostanza bianca nei pazienti con emicrania episodica mediante l’uso della risonanza magnetica di diffusione. In particolare, è stato applicato il modello NODDI (neurite orientation dispersion and density imaging). NODDI è un modello di segnale misurato con la risonanza magnetica pesata in diffusione, che differisce da altri modelli più comuni (come Diffusion Tensor Imaging o Diffusion Kurtosis Imaging) per la sua capacità di fornire metriche quantitative specifiche dei singoli compartimenti presenti nei voxels. Inoltre, con tale metodica è possibile fornire informazioni sul contributo dato dai singoli componenti tissutali, mostrando quale influenza hanno i singoli tessuti nell’immagine finale. I dati raccolti da un gruppo di 14 soggetti di controllo e 9 soggetti con emicrania mestruale sono stati analizzati con l’applicazione del modello NODDI seguito dalla analisi statistica TBSS. L’acquisizione dei soggetti di controllo è stata effettuata in due condizioni: premestruale (prima dell’inizio del ciclo mestruale) e midcycle (durante il ciclo mestruale). Per quanto riguarda i pazienti con emicrania episodica, l’acquisizione è stata eseguita in quattro diverse condizioni: interictale (tra due diverse crisi), preictale (prima dell’inizio della crisi), ictale (durante la crisi) e postictale (dopo la crisi). Rilevanti alterazioni della sostanza bianca sono state riscontrate nel fascicolo fronto-occipitale inferiore sinistro (p-value=0,048), forcipe maggiore sinistro (p-value=0,028), fascicolo longitudinale superiore sinistro (valore p=0,040) e cingolo sinistro (p-value=0.038) per il parametro ISOVF (Isotropic Volume Fraction) nel confronto tra la fase midcycle (soggetti di controllo) e la fase interictale (pazienti con emicrania episodica). In questo confronto non sono stati trovati risultati rilevanti per i parametri ICVF (Intracellular Volume Fraction) e ODI (Orientation Dispersion Index). Inoltre, l’autore ha cercato di implementare l’analisi statistica utilizzando l’analisi della regione di interesse (ROI) basata sui risultati ottenuti dalla precedente analisi TBSS, con l’utilizzo degli JHU (Johns Hopkins University) white matter atlases, considerando un totale numero di 14 controlli e 10 emicranici episodici. L’analisi ROI è stata applicata a 10 ROIs in totale, ottenendo differenze significative tra i soggetti di controllo e i pazienti con emicrania nello splenio sinistro del corpo calloso (uncorrected p-value=0,01766), radiazione talamica anteriore sinistra (uncorrected p-value=0,01535), corona radiata (uncorrected p-value = 0,02696), fascicolo fronto-occipitale inferiore sinistro (uncorrected p-value = 0,04392) e fascicolo longitudinale superiore sinistro (uncorrected p-value = 0,02871) per il parametro ISOVF (isotropic volume fraction). È stato possibile affermare che i risultati che sono stati trovati con l’analisi ROI hanno mostrato coerenza solo per il fascicolo fronto-occipitale inferiore sinistro comparati alla precedente analisi TBSS. In generale, la disponibilità di una dataset ridotto potrebbe essere vista come una forte limitazione per il presente studio. Un ampio dataset è richiesto al fine di indagare in profondità sull’alterazione dei tratti di sostanza bianca per l’intero emisfero cerebrale nell’emicrania mestruale. Inoltre, non era del tutto certo che il modello NODDI potrebbe essere il modello più adatto nel caso di emicrania episodica.