DTI-fMRI integration methods: multimodal analysis of brain anatomical-functional coupling in major depressive disorder

Neuroimaging research strives to unveil the complex relationship between brain structure and function, which is deemed to underlie behavior, cognition, and any impairments in these domains observed in psychiatric disorders. Diffusion tensor imaging (DTI) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) offer complementary insights into white matter (WM) microstructure and brain activity in gray matter (GM) areas, respectively. Given the intrinsic coupling between WM and GM, multimodal DTI-fMRI analysis may significantly advance our understanding of brain processes both in physiology and in cognitive and clinical neurosciences. In this study, DTI and fMRI data from healthy controls (n=26) and individuals with major depressive disorder (MDD, n=26) were analyzed. Following unimodal analyses to identify primary structural and functional connections, multiple DTI-fMRI integration methods were addressed, including symmetric and asymmetric approaches. We developed a novel DTI-driven fMRI model that establishes a normative framework to investigate the role of brain structure in shaping functional dynamics. Additionally, we proposed an innovative trimodal framework that integrates heart rate variability (HRV), DTI, and fMRI, to comprehensively explore brain connectivity underlying peripheral autonomic regulation. The potential advantages of multimodal neuroimaging in capturing the complex anatomical-functional coupling and in revealing connectivity patterns invisible to either modality alone have been assessed. This study further investigated differences in brain connectivity and in the underlying structure-function interplay between MDD and HC. Multimodal approaches revealed altered connections in key regions implicated in the MDD psychopathology. These findings highlight the potential of DTI-fMRI integration to uncover objective neuroimaging-based biomarkers of MDD for advancing the understanding, diagnosis, and treatment of this complex disorder.

La ricerca nel campo del neuroimaging si propone di chiarire la complessa interazione tra struttura e funzione cerebrale, considerata alla base del comportamento, della cognizione e delle rispettive alterazioni legate a disturbi psichiatrici. L'imaging a tensore di diffusione (DTI) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) sono tecniche di risonanza magnetica che offrono informazioni complementari: la DTI ricostruisce i tratti di materia bianca (WM) che collegano regioni del cervello funzionalmente specializzate, mentre la fMRI misura l’attività cerebrale nelle aree di materia grigia (GM). Considerato l'intrinseco accoppiamento tra WM e GM, l'analisi multimodale basata sull'integrazione dei dati DTI ed fMRI può rappresentare uno strumento critico per la comprensione dei processi neurali in ambito fisiologico, cognitivo e clinico. In questo studio sono stati analizzati dati DTI ed fMRI raccolti da controlli sani (HC, n=26) e soggetti affetti da disturbo depressivo maggiore (MDD, n=26). A seguito di analisi unimodali per identificare le principali connessioni strutturali e funzionali, sono stati sviluppati diversi metodi di integrazione DTI-fMRI, tra cui un modello normativo innovativo basato su DTI per l'analisi della connettività funzionale, che permetta di indagare come le proprietà delle connessioni strutturali condizionino la connettività funzionale associata. Inoltre, abbiamo introdotto un nuovo approccio trimodale che integra misure di variabilità della frequenza cardiaca (HRV) con fMRI e DTI, per esplorare gli aspetti anatomici e funzionali della connettività cerebrale associata alla regolazione autonomica periferica. Sono stati valutati i possibili vantaggi derivanti da approcci multimodali nel catturare la complessa interazione tra struttura e funzione cerebrale, evidenziando schemi di connettività non osservabili per mezzo di analisi unimodali. Infine, sono state valutate le potenziali differenze nella connettività cerebrale e nell'accoppiamento anatomico-funzionale tra HC e MDD. L'analisi multimodale ha permesso di identificare alterazioni specifiche nelle connessioni che interessano regioni cerebrali affette in MDD, supportando la validità di approcci basati sull'integrazione DTI-fMRI come strumento di ricerca per individuare biomarcatori utili per la comprensione, la diagnosi e il trattamento di questo complesso disturbo.