The study of white matter microscopic damage in neurodegenerative pathologies : atlas based and fMRI guided tractography

Aim - The aim of this study was to introduce and clinically validate methods based on tractography for the study of white matter (WM) microstructural damages occurring in neurodegenerative pathologies or, more generally, in neurological disorders affecting WM fibers. Background - Tractography based on diffusion tensor imaging (an advanced magnetic resonance technique) allows the virtual 3D reconstruction of WM fibers. However, some difficulties have to be overcome in pathological brains, due to tissue damages, higher inter-subject anatomical variability, and difficulties in localizing and segmenting the structures of interest. Hence, strategies such as the use of reference templates of the tracts, called tractographic atlases, are employed in order to assess the integrity of WM bundles even when individual reconstruction is difficult. Further, the integration of tractography with other magnetic resonance imaging (MRI) techniques, such as functional MRI (fMRI), can help in overcoming tractography limitations, such as operator-dependent bundle segmentation through regions of interest (ROIs), and permits the combined study of anatomical and functional deficits. Protocols and Results - (i) Methodological Developments. A fine tuning of the atlas-based tractography approach was performed, involving the construction of probabilistic tractographic atlases and the adoption of different strategies to diminish inaccuracies in the application of atlases to patients (exclusion of voxels with low diffusion anisotropy, thresholding at high probability values). Probabilistic atlases of the main WM bundles in an elderly population, not available in literature yet, were created. Further, the first large-sample study of the middle longitudinal fascicle, recently discovered and investigated in humans, was performed and an atlas for this bundle was also provided. The method of integration between fMRI and tractography (i.e. fMRI-guided tractography), not standardized in literature yet, was optimized, with the aim of exploring the WM connections beyond a specific functional activation. Then, a novel technique of group analysis was proposed, allowing to obtain an fMRI-guided ensemble (group) tract including the 3D trajectories involved in a specific task for a particular population, extremely important for clinical studies where the main interest is to characterize different groups of subjects. Finally, an alternative method symmetric to fMRI-guided tractography was proposed, aiming at labeling the cortical areas onto which specific WM bundles are projected. This novel approach was preliminarily experimented for the superior longitudinal fascicle that resulted connected with Broca’s and Wernicke’s areas, coherently with previous findings. (ii) Applications. Two clinical applications of atlas-based tractography were explored, allowing for the assessment of the clinical value of the proposed procedure. The first one consisted in the analysis of the corpus callosum (CC) in 19 subjects with amnestic mild cognitive impairment (aMCI) and 37 with Alzheimer’s disease (AD), and showed the capability of the atlas-based tractography in characterizing the pattern of damage of AD and aMCI along the CC. Congruent results were obtained by a comparison with tract-based spatial statistics (TBSS), a common method based on tract skeleton, even though the atlas-based approach proved to provide more predictive results in the pathology recognition. The second application regarded the analysis of the cortico-spinal tract in 59 patients with multiple sclerosis (MS) at different stages and it demonstrated the capability of the atlas-based method in assessing the specific neuro-motory damage in MS patients, and also in distinguishing between the different disease stages. As regards the fMRI-guided tractography, a preliminary work on the individual analysis was performed on a case of cortico-basal gegeneration; a proper tuning of this technique permitted the correct identification of the asymmetric brain damage characterizing the pathology. Then, the novel method of group analysis was clinically validated on 15 subjects affected by aMCI, and 14 affected by AD and 14 elderly healthy controls; different activation patterns were found for the groups, and it was possible to highlight the compensation circuits activated in the aMCI condition. Conclusion – Special MRI neuroimaging methods concerning the WM microscopic fiber structure and the functional response of cortical areas do offer high potentials in neurodegenerative diseases, but require specific tuning and integration tools. The present work has demonstrated and validated both the optimization of known protocols and also novel approaches in basically two directions: 1) construction of normal tractographic atlases and projection onto diseased brains; 2) integration of fMRI and tractography at individual and group level. Discussed results are promising towards an improvement of evidence based diagnosis, follow-up, and prognosis in neurodegenerative diseases.

Obiettivi – Lo scopo di questo lavoro consiste nell’introduzione e validazione clinica di metodi basati su trattografia per lo studio dei danni microstrutturali di Sostanza Bianca (SB) caratterizzanti le patologie neurodegenerative. Introduzione – La trattografia è una tecnica con enormi potenzialità basata sull’imaging del tensore di diffusione (tecnica avanzata di risonanza magnetica, RM), che consente la ricostruzione virtuale delle fibre di SB. Tuttavia, nel caso di cervelli patologici, l’analisi con trattografia può presentare difficoltà non banali relative alla localizzazione e segmentazione delle strutture di interesse, a causa dell’elevata variabilità intra-individuale delle strutture danneggiate. Per questo motivo, si rende necessario l’impiego di atlanti anatomici di riferimento, detti atlanti trattografici, che consentono di valutare l’integrità e le caratteristiche delle fibre danneggiate anche nei casi in cui la ricostruzione trattografica individuale venga impedita. Inoltre, l’integrazione con altre tecniche di RM, ad esempio la RM funzionale (RMf), consente di superare i suddetti limiti della trattografia, evitando la segmentazione manuale di regioni di interesse, e rende inoltre possibile lo studio combinato dei danni anatomici e funzionali. Metodi e Risultati – (i) Sviluppi Metodologici. In primo luogo, è stata effettuata un’accurata ottimizzazione dell’approccio di trattografia basata su atlante, riguardante sia il metodo di costruzione di atlanti probabilistici, che l’adozione di strategie per la diminuzione degli errori nell’applicazione degli atlanti ai pazienti (esclusione dei voxel con bassa anisotropia, sogliatura a valori di alta probabilità). Sono stati dunque realizzati atlanti dei principali fasci di SB nell’anziano sano, che, nonostante appaiano di notevole importanza in studi che coinvolgono soggetti anziani (es. demenze), non compaiono ad oggi in letteratura. Inoltre, si è effettuato il primo studio su un campione elevato di soggetti del fascicolo longitudinale medio, la cui presenza è stata soltanto recentemente provata nel cervello umano. Un atlante è stato realizzato anche per tale fascio. Per quanto riguarda la tecnica di trattografia guidata da RMf, è stata introdotta una metodologia innovativa relativa all’analisi di gruppo, ancora molto poco esplorata in letteratura, ma di fondamentale importanza nell’applicazione a studi clinici. In tale contesto, è stato proposto un metodo che consente di ottenere un tratto d’insieme per il gruppo esaminato, contenente i fasci di SB “attivati” durante un task specifico. Inoltre, è stato preliminarmente introdotto un secondo metodo di integrazione dell’informazione anatomica e funzionale, che può essere considerato come l’approccio inverso del primo. Tale metodo consiste infatti nella ricerca di quali aree corticali siano connesse con un dato fascio in SB. Un’analisi preliminare riguardante il fascicolo longitudinale superiore ha evidenziato connessioni di tale fascio con le aree corticali di Broca e di Wernicke, coerentemente con quanto già riportato in letteratura. (ii) Applicazioni. Due applicazioni cliniche di trattografia basata sugli atlanti costruiti sono state sperimentate. La prima, riguardante l’analisi del corpo calloso (CC) in 19 soggetti affetti da amnestic mild cognitive impairment (aMCI) e 37 da Alzheimer’s disease (AD), ha dimostrato la capacità dell’approccio basato su atlante di caratterizzare il danno del CC in presenza di tali patologie, dimostrandosi anche più accurata della tecnica di tract-based spatial statistics (TBSS), metodo diffuso basato sull'analisi dello scheletro dei tratti. La seconda, invece, riguardante lo studio del tratto cortico-spinale in 59 soggetti con sclerosi multipla (SM), ha messo in luce la capacità della trattografia basata su atlante di individuare il danno motorio specifico nei pazienti con SM a diversi stadi. Per quanto riguarda la trattografia guidata da RMf, uno studio preliminare sull’analisi individuale focalizzato su un singolo caso di degenerazione cortico-basale ha dimostrato l’apporto da parte di tale tecnica di un aiuto significativo alla diagnosi, che può rivelarsi difficoltosa nello stadio iniziale della patologia. Il metodo di analisi di gruppo è stato invece sperimentato su un casistica di 15 soggetti con aMCI e 14 con AD, dimostrando la capacità di evidenziare i diversi pattern di attivazione dei gruppi e, in particolare, i circuiti anatomici attivati per compensazione dalla popolazione di aMCI, al fine di mantenere una buona funzionalità cerebrale. Conclusione – Tecniche avanzate di RM riguardanti l'analisi microscopica delle fibre di SB e lo studio della risposta funzionale delle aree corticali posseggono effettive potenzialità nello studio delle patologie neurodegenerative, ma richiedono un'ottimizzazione specifica per l'applicazione di interesse. Nel presente lavoro si è proceduto sia all'ottimizzazione di tecniche esistenti, che allo sviluppo di nuovi metodi, essenzialmente in due direzioni: 1) costruzione di atlanti trattografici e loro applicazione a cervelli patologici; 2) integrazione di trattografia e RMf per l'analisi individuale e di gruppo. I risultati trovati appaiono promettenti per il miglioramento di diagnosi, follow-up e prognosi nel contesto delle patologie neurodegenerative.