Reduced apparent fiber density in the white matter of premature-born adults

Premature-born adults exhibit lasting white matter alterations as demonstrated by widespread reduction in fractional anisotropy (FA) based on diffusion-weighted imaging (DWI). FA reduction, however, is non-specific for microscopic underpinnings such as aberrant myelination or fiber density (FD). Using recent advances in DWI, we tested the hypothesis of reduced FD in premature-born adults and investigated its link with the degree of prematurity and cognition. 73 premature- and 89 mature-born adults aged 25–27 years underwent single-shell DWI, from which a FD measure was derived using convex optimization modeling for microstructure informed tractography (COMMIT). Premature-born adults exhibited lower FD in numerous tracts including the corpus callosum and corona radiata compared to mature-born adults. These FD alterations were associated with both the degree of prematurity, as assessed via gestational age and birth weight, as well as with reduced cognition as measured by full-scale IQ. Finally, lower FD overlapped with lower FA, suggesting lower FD underlie unspecific FA reductions. Results provide evidence that premature birth leads to lower FD in adulthood which links with lower full-scale IQ. Data suggest that lower FD partly underpins FA reductions of premature birth but that other processes such as hypomyelination might also take place

Diffusion imaging and tractography of congenital brain malformations.

Diffusion imaging is an MRI modality that measures the microscopic molecular motion of water in order to investigate white matter microstructure. The modality has been used extensively in recent years to investigate the neuroanatomical basis of congenital brain malformations. We review the basic principles of diffusion imaging and of specific techniques, including diffusion tensor imaging (DTI) and high angular resolution diffusion imaging (HARDI). We show how DTI and HARDI, and their application to fiber tractography, has elucidated the aberrant connectivity underlying a number of congenital brain malformations. Finally, we discuss potential uses for diffusion imaging of developmental disorders in the clinical and research realms

Integration of multi-shell diffusion imaging derived metrics in tractography reconstructions of clinical data

Tese de mestrado integrado Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019Nos últimos anos, com o rápido avanço das técnicas imagiológicas, a oportunidade de mapear o cérebro humano in vivo com uma resolução sem precedentes tornou-se realidade, permanecendo ainda hoje como uma das áreas de maior interesse da neurociência. Sabendo que o movimento natural das moléculas de água nos tecidos biológicos é altamente influenciado pelo ambiente microestrutural envolvente, e que a anisotropia que este processo aleatório assume na matéria branca pode ser explorada com o intuito de inferir características importantes associadas ao tecido neuronal, a ressonância magnética ponderada por difusão (dMRI, do inglês “Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging") afirmou-se como a técnica de imagem mais amplamente utilizada para a investigação in vivo e não invasiva da conectividade cerebral. A primeira técnica padrão de dMRI foi a imagiologia por tensor de difusão (DTI, do inglês "Diffusion Tensor Imaging"). Implementada com a capacidade de fornecer sensibilidade à microestrutura do tecido, esta técnica permite extrair informação acerca da tridimensionalidade da distribuição da difusão de moléculas de água através da aplicação de seis gradientes de difusão não colineares entre si. Além da difusividade média (MD, do inglês "Mean Diffusivity"), é também possível extrair outros índices microestruturais, como a anisotropia fraccional (FA, do inglês "Fractional Anisotropy"), que fornece informação acerca da percentagem de difusão anisotrópica num determinado voxel. Ambas as métricas são amplamente utilizadas como medidas de alterações microestruturais, todavia, apesar da sua sensibilidade, estes marcadores não são específicos quanto às características individuais da microestrutura tecidual. Regiões com reduzida FA podem camuflar regiões de conformação de cruzamento de fibras, ou fibras muito anguladas, que a DTI não consegue resolver. A razão para esta limitação reside no número reduzido de diferentes direções de difusão que são exploradas, assim como no pressuposto de que a distribuição das moléculas de água é gaussiana, o que não é necessariamente verdade. De forma alternativa e com o intuito de tais limitações serem ultrapassadas, é possível implementar uma representação matemática do sinal adquirido de forma a explorar o propagador de difusão, da qual a imagiologia por ressonância magnética do propagador aparente médio (MAP-MRI, do inglês “Mean Apparent Propagator Magnetic Resonance Imaging”) é exemplo. Esta técnica analítica caracteriza-se pelo cálculo da função de densidade de probabilidade associada ao deslocamento de spin, o que permite descrever o caráter não-gaussiano do processo de difusão tridimensional e quantificar índices escalares inerentes ao processo de difusão, os quais sublinham as características complexas intrínsecas à microestrutura do tecido. Estes parâmetros incluem o deslocamento médio quadrático (MSD, em inglês “mean square displacement”), a probabilidade de retorno à origem (RTOP, do inglês “return-to-the origin probability”) e suas variantes de difusão em uma e duas dimensões – a probabilidade de retorno ao plano (RTPP, do inglês “return-to-the plane probability”) e a probabilidade de retorno ao eixo (RTAP, do inglês “return-to-the axis probability”), respetivamente. Em resposta às limitações da DTI associadas à falta de especificidade para distinguir características microestruturais dos tecidos, surgiu ainda o modelo de Dispersão de Orientação de Neurite e Imagem de Densidade (NODDI, do inglês “Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging”), o qual utiliza o processo de difusão para estimar a morfologia das neurites. Tendo como premissa subjacente que o sinal de difusão pode ser definido pela soma da contribuição dos sinais de diferentes compartimentos, este modelo biofísico diferencia o espaço intra e extracelular o que, por sua vez, permite quantificar a dispersão e densidade das neurites. Deste modo, dois parâmetros intrínsecos à microestrutura envolvente podem ser calculados: a densidade neurítica e o índice de dispersão da orientação das neurites. No entanto, de forma a garantir a viabilidade clínica do modelo, este pode ser aplicado por meio do método AMICO (do inglês “Accelerated Microstructure Imaging via Convex Optimization”) através do seu ajuste linear, o que permite o cálculo do índice de dispersão da orientação das neurites (ODI, do inglês “Orientation Dispersion Index”), da fração de volume intracelular (ICVF do inglês, “Intracellular Volume Fraction”), e da fração de volume isotrópico (ISOVF, do inglês “Isotropic Volume Fraction”). O estudo da configuração arquitetural das estruturas cerebrais in vivo, por meio da dMRI associada aos métodos de tractografia, permitiu a reconstrução não invasiva das fibras neuronais e a exploração da informação direcional inerente às mesmas, sendo que o seu estudo tem revelado uma enorme expansão por meio do estabelecimento de marcadores biológicos perante a presença de diversas condições patológicas. O objetivo principal desta dissertação prende-se com existência de uma variação proeminentenas métricas de difusão ao longo dos tratos de matéria branca no cérebro humano. Atualmente, a maioriados estudos de tractografia tem por base uma abordagem que se resume à análise do valor escalar médio da métrica de difusão para a estrutura cerebral em estudo, pelo que se tem verificado um crescente interesse na utilização de métodos que considerem a extensão da variabilidade nas métricas de difusão ao longo dos tratos de modo a providenciarem um maior nível de detalhe ao nível do processo de difusão, evitando interpretações erróneas dos parâmetros microestruturais. Desta forma, em primeiro lugar, foi desenvolvido uma análise ao longo dos tratos de matéria branca, tendo por base a variação dos valores assumidos pelos parâmetros microestruturais acima mencionados. No presente estudo foi possível demonstrar a eficácia de tal abordagem ao longo de três tratos de matéria de branca (fascículo arqueado, trato corticoespinhal, e corpo caloso), para além de permitir, através da variância assumida pelos diversos parâmetros microestruturais, o estudo detalhado de regiões anatómicas que assumem uma distribuição complexa de múltiplos conjuntos populacionais de fibras, como é o caso do centro semioval, o qual constitui uma região de cruzamento de fibras provenientes dos três tratos de matéria branca em estudo. De seguida, esta técnica foi utilizada com sucesso na identificação de diferenças microestruturais por meio do estudo dos diversos parâmetros de difusão em pacientes com diagnóstico prévio de epilepsia no lobo temporal (TLE, do inglês “Temporal Lobe Epilepsy”), com foco epiléptico localizado no hemisfério esquerdo, e controlos. O estudo do ambiente microestrutural por meio dos múltiplos mapas escalares permitiu averiguar a alteração do processo de difusão e/ou anisotropia, associadas ao efeito fisiopatológico da TLE na organização da matéria branca. Os resultados revelaram diferenças localizadas, as quais se traduziram num aumento da difusividade e redução da anisotropia do processo de difusão ao longo dos tratos em estudo dos pacientes com TLE, sugerindo deste modo uma perda na organização das diversas estruturas anatómicas e a expansão do espaço extracelular face aos controlos. Verificou-se ainda que pacientes com esta condição neurológica sofrem de alterações microestruturais que afetam redes cerebrais em grande escala, envolvendo regiões temporais e extratemporais de ambos os hemisférios. Adicionalmente, aplicada como técnica capaz de investigar padrões de mudança na matéria branca, procedeu-se à realização de um estudo assente na estatística espacial baseada no trato (TBSS, do inglês “Tract-Based Spatial Statistics”). Após a exploração das diversas métricas de difusão, os pacientes com TLE (com lateralização à esquerda) demonstraram alterações no processo de difusão, ilustradas pelos diversos padrões de mudança microestrutural de cada métrica em estudo, concordantes com os resultados anteriormente aferidos pela análise ao longo do trato. Por fim, uma análise baseada em fixel (FBA, do inglês “Fixel-Based Analysis”) foi realizada, a qual permitiu uma análise estatística abrangente de medidas quantitativas da matéria branca, com o intuito de detetar alterações no volume intra-axonal por variação na densidade intra-voxel e/ou reorganização da morfologia macroscópica. Para identificar tais diferenças entre pacientes e controlos, três parâmetros foram considerados: densidade das fibras (FD, do inglês “Fibre Density”), seção transversal do feixe de fibras (FC, do inglês “Fibre-bundle Cross-section”), e densidade de fibras e seção transversal (FDC, do inglês “Fibre Density and Cross-section). Reduções na FD, FC e FDC foram identificadas em pacientes com TLE (com lateralização à esquerda) em comparação com os controlos, o que está de acordo com as mudanças microestruturais que resultam do processo de degeneração que afeta as estruturas de matéria branca com a perda de axónios na presença de uma condição neuropatológica como a TLE. Apesar do resultado final positivo, tendo em conta a meta previamente estabelecida, está aberto o caminho para o seu aperfeiçoamento, tendo em vista as direções futuras que emergem naturalmente desta dissertação. Como exemplo disso, poder-se-á recorrer ao estudo pormenorizado das metodologias técnicas associadas à abordagem apresentada que tem por base a análise das métricas de difusão ao longo dos tratos de matéria branca, uma vez que o desvio padrão associado a cada valor atribuído pelas diversas métricas foi significativo, o que de alguma forma poderá ter influenciado os resultados e, consequentemente, as conclusões deles extraídas, tendo em vista a sua viabilidade enquanto aplicação clínica. Como nota final, gostaria apenas de salientar que a imagiologia por difusão e, em particular, a tractografia têm ainda muito espaço para progredir. A veracidade desta afirmação traduz-se pela existência de uma grande variedade de modelos e algoritmos implementados, bem como de técnicas e metodologias de análise à informação microestrutural retida tendo por base o perfil de difusão que carateriza cada trato em estudo, sem que no entanto, exista consenso na comunidade científica acerca da melhor abordagem a seguir.Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (dMRI) is a non-invasive imaging method which has been successfully applied to study white matter (WM) in order to determine physiological information and infer tissue microstructure. The human body is filled with barriers affecting the mobility of molecules and preventing it from being constant in different directions (anisotropic diffusion). In the brain, the sources for this anisotropy arise from dense packing axons and from the myelin sheath that surrounds them. Diffusion Tensor Imaging (DTI) is widely used to extract fibre directions from diffusion data, but it fails in regions containing multiple fibre orientations. The constrained spherical deconvolution technique had been proposed to address this limitation. It provides an estimate of the fibre orientation distribution that is robust to noise whilst preserving angular resolution. As a noninvasive technique that generates a three-dimensional reconstruction of neuronal fibres, tractography is able to map in vivo the human WM based on the reconstruct of the fibre orientations from the diffusion profile. Most of the tractography studies use a “tract-averaged” approach to analysis, however it is well known that there is a prominent variation in diffusion metrics within WM tracts. In this study we address the challenge of defining a microstructural signature taking into account the potentially rich anatomical variation in diffusion metrics along the tracts. Therefore, a workflow to conduct along-tract analysis of WM tracts (namely, arcuate fasciculus, corticospinal and corpus callosum) and integrate not only DTI derived measures, but also more advanced parameters from Mean Apparent Propagator-Magnetic Resonance Imaging (MAP-MRI) and Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging (NODDI) model, was developed across healthy controls and patients with Temporal Lobe Epilepsy (TLE). Beyond the true biological variation in diffusion properties along tracts, this technique was applied to show that it allows a more detailed analysis of small regions-of-interest extracted from the tract in order to avoid fibres from WM pathways in the neighbourhood, which might lead to equivocal biological interpretations of the microstructural parameters. Consequently, the along-tract streamline distribution from the centrum semiovale, which is known to be a complex fibre geometry with multiple fibres populations from arcuate fasciculus, corticospinal and corpus callosum, was investigated. Finally, to validate our approach and highlight the strength of this extensible framework, two other methods were implemented in order to support the conclusions derived from the along-tract analysis computed between-groups. Firstly, a tract-based spatial statistics (TBSS) analysis was performed to study the WM change patterns across the whole brain in patients with TLE, and explore the alteration of multiple diffusion metrics. This voxel-based technique provides a powerful and objective method to perform multi-subject comparison, based on voxel-wise statistics of diffusion metrics but simultaneous aiming to minimize the effects of misalignment using a conventional voxel-based analysis method. With this in mind, the results showed increased diffusivity and reduced diffusion anisotropy, suggesting a loss of structural organization and expansion of the extracellular space in the presence of neuropathological condition as TLE. Secondly, the fixel-based analysis (FBA) was performed allowing a comprehensive statistical analysis of WM quantitative measures in order to have access to changes that may result within WM tracts in the presence of TLE. The microstructural/macrostructural changes in WM tracts of TLE patients were observed in temporal and extratemporal regions of both hemispheres, which agrees with the concept that epilepsy is a network disorder

Recent advances in diffusion neuroimaging: applications in the developing preterm brain

Measures obtained from diffusion-weighted imaging provide objective indices of white matter development and injury in the developing preterm brain. To date, diffusion tensor imaging (DTI) has been used widely, highlighting differences in fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) between preterm infants at term and healthy term controls; altered white matter development associated with a number of perinatal risk factors; and correlations between FA values in the white matter in the neonatal period and subsequent neurodevelopmental outcome. Recent developments, including neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI) and fixel-based analysis (FBA), enable white matter microstructure to be assessed in detail. Constrained spherical deconvolution (CSD) enables multiple fibre populations in an imaging voxel to be resolved and allows delineation of fibres that traverse regions of fibre-crossings, such as the arcuate fasciculus and cerebellar-cortical pathways. This review summarises DTI findings in the preterm brain and discusses initial findings in this population using CSD, NODDI, and FBA

Diffusion and Functional MRI of the Brain Following Sports-Related Impacts and Concussion

Concussion is a prevalent injury associated with contact sports, however the underlying brain changes associated with concussion remain poorly understood. Therefore it is critical to (a) understand the complex sequelae that underlie concussion, (b) when or if the brain recovers, and (c) if there are brain changes associated with contact sports in general. Advanced imaging techniques may be sensitive to changes that persist beyond relatively prompt symptom recovery and clearance to return to play. Resting state functional MRI (RS-fMRI) and diffusion tensor imaging (DTI) data was acquired on the 3T at Robarts Research Institute from healthy and concussed athletes from three separate cohorts. Healthy male hockey players were compared to longitudinal data acquired from concussed peers participating in Bantam-level hockey at 24-72 hours and 3 months after the injury. There were alterations in diffusion measures along multiple tracts with the largest significant decreases located along the superior longitudinal fasciculus at both times post-concussion. DTI tractography was used to relate diffusion changes with acute changes in functional connectivity. At 3 months post-concussion, network and regional connectivity analysis revealed compensatory functional hyperconnectivity patterns based on correlations with clinical symptoms and diffusion data. Longitudinal imaging data was acquired from concussed female rugby players post-concussion (at 24-72 hours, 3 and 6 months after injury) and compared to non-concussed teammates throughout the in- and off-season. Using a data-driven linked independent component analysis we observed acute disruptions in diffusion metrics inferiorly along the brainstem that recovered by 3 months post-concussion. However, we also observed long-lasting signatures that reflect co-varying alterations in brain microstructure and functional connectivity that related to the number of self-reported concussions. Based on these findings it appears that concussion initiates both acute and persistent changes to central white matter structures with subtle changes in functional connectivity. Given these findings, we acquired data from varsity-level female swimmers and rowers that were also scanned during the in- and off-season in order to directly compare with healthy rugby players and rule out the effects of high-level competitive exercise. We used accelerometers to quantify head rotational accelerations in a subset of the rowers and rugby players to confirm the number and magnitude of subclinical impacts. We quantified DTI alterations along major white matter tracts in contact compared to non-contact athletes that were in the opposite direction of our concussion findings. Diffusion changes within the genu and splenium of the corpus callosum were related to a history of concussion. Fluctuations in brainstem diffusion parameters between the in- and off-season as well as functional hyperconnectivity patterns within the default mode and medial visual networks were observed in contact athletes only. Together, these studies suggest that concussions result in an acute set of symptoms and microstructural brain changes. Despite quick resolution of symptoms, evidence of persistent axonal disruption exists at 3 and 6 months post-concussion and well-beyond symptomatic recovery. While functional hyperconnectivity may be one mechanism that allows the brain to function despite these disruptions, concussion may also compromise neuroprotective microstructural changes that protect the young, healthy brain throughout years of contact play. It remains to be seen if the brain changes associated with contact play and concussions are directly related to later risks of neurodegenerative processes

Obrazowanie tensora dyfuzji u pacjentów z chorobą Alzheimera i łagodnymi zaburzeniami poznawczymi

A wide range of imaging studies provides growing support for the potential role of diffusion tensor imaging (DTI) in evaluating microstructural white matter integrity in Alzheimer disease (AD) and mild cognitive impairment (MCI). Our review aims to present DTI principles, post-processing and analysis frameworks and to report the results of particular studies. The distribution of AD-related white matter abnormalities is widely discussed in the light of deteriorated connectivity within certain tracts due to secondary white matter degeneration; primary alterations are also assumed to contribute to the pattern. The question whether it is more effective to assess the whole-brain diffusion or to directly concentrate on specific regions remains an interesting issue. Assessing white matter microstructure alterations, as evaluated by group-level differences of tensor-derived parameters, may be a promising neuroimaging tool for differential diagnosis between AD, MCI and other cognitive disorders, as well as being particularly helpful in the interpretation of underlying pathological processes.Rosnąca liczba badań naukowych wskazuje na znaczenie obrazowania tensora dyfuzji (DTI) w ocenie mikrostrukturalnej integralności istoty białej w chorobie Alzheimera (ChA) i łagodnych zaburzeniach poznawczych (ŁZP). W niniejszej pracy przeglądowej omówiono zasady obróbki danych oraz analizy DTI i przedstawiono wyniki poszczególnych badań prezentujących różne modele charakterystycznych dla ChA zmian w istocie białej. Szeroko dyskutowane jest rozmieszczenie uszkodzeń w istocie białej, głównie w odniesieniu do wtórnego zwyrodnienia poszczególnych włókien wskutek zaniku istoty szarej lub pierwotnego zwyrodnienia istoty białej. Interesujący i nierozstrzygnięty pozostaje dylemat, czy bardziej efektywne jest obrazowanie zmian dyfuzji w całym mózgu, czy skupianie się na konkretnych strukturach. Zastosowanie DTI w ocenie mikrostrukturalnych zmian zachodzących w istocie białej mózgu może być obiecującym narzędziem w różnicowaniu pomiędzy ChA, ŁZP i innymi zaburzeniami poznawczymi; jest szczególnie przydatne przy interpretacji leżących u ich podłoża procesów patologicznych

CSF T-Tau/Aβ42 Predicts White Matter Microstructure in Healthy Adults at Risk for Alzheimer’s Disease

Cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers T-Tau and Aβ42 are linked with Alzheimer’s disease (AD), yet little is known about the relationship between CSF biomarkers and structural brain alteration in healthy adults. In this study we examined the extent to which AD biomarkers measured in CSF predict brain microstructure indexed by diffusion tensor imaging (DTI) and volume indexed by T1-weighted imaging. Forty-three middle-aged adults with parental family history of AD received baseline lumbar puncture and MRI approximately 3.5 years later. Voxel-wise image analysis methods were used to test whether baseline CSF Aβ42, total tau (T-Tau), phosphorylated tau (P-Tau) and neurofilament light protein predicted brain microstructure as indexed by DTI and gray matter volume indexed by T1-weighted imaging. T-Tau and T-Tau/Aβ42 were widely correlated with indices of brain microstructure (mean, axial, and radial diffusivity), notably in white matter regions adjacent to gray matter structures affected in the earliest stages of AD. None of the CSF biomarkers were related to gray matter volume. Elevated P-Tau and P-Tau/Aβ42 levels were associated with lower recognition performance on the Rey Auditory Verbal Learning Test. Overall, the results suggest that CSF biomarkers are related to brain microstructure in healthy adults with elevated risk of developing AD. Furthermore, the results clearly suggest that early pathological changes in AD can be detected with DTI and occur not only in cortex, but also in white matter

Disconnected aging: cerebral white matter integrity and age-related differences in cognition.

Cognition arises as a result of coordinated processing among distributed brain regions and disruptions to communication within these neural networks can result in cognitive dysfunction. Cortical disconnection may thus contribute to the declines in some aspects of cognitive functioning observed in healthy aging. Diffusion tensor imaging (DTI) is ideally suited for the study of cortical disconnection as it provides indices of structural integrity within interconnected neural networks. The current review summarizes results of previous DTI aging research with the aim of identifying consistent patterns of age-related differences in white matter integrity, and of relationships between measures of white matter integrity and behavioral performance as a function of adult age. We outline a number of future directions that will broaden our current understanding of these brain-behavior relationships in aging. Specifically, future research should aim to (1) investigate multiple models of age-brain-behavior relationships; (2) determine the tract-specificity versus global effect of aging on white matter integrity; (3) assess the relative contribution of normal variation in white matter integrity versus white matter lesions to age-related differences in cognition; (4) improve the definition of specific aspects of cognitive functioning related to age-related differences in white matter integrity using information processing tasks; and (5) combine multiple imaging modalities (e.g., resting-state and task-related functional magnetic resonance imaging; fMRI) with DTI to clarify the role of cerebral white matter integrity in cognitive aging

Optimization of the diffusion-weighted MRI processing pipeline for the longitudinal assessment of the brain microstructure in a rat model of Alzheimer’s disease

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019The mechanism that triggers Alzheimer’s disease (AD) is not well-established, with amyloid plaques, neurofibrillary tangles of tau protein, microgliosis and glucose hypometabolism all likely involved in the early cascade. One main advantage of animal models is the possibility to tease out the impact of each insult on the neurodegeneration. Following an intracerebroventricular (icv) injection of streptozotocin (STZ), rats and monkeys develop impaired brain glucose metabolism, i.e. “diabetes of the brain”. Nu-merous studies have reported AD-like features in icv-STZ animals, but this model has never been char-acterized in terms of Magnetic Resonance Imaging (MRI)-derived biomarkers beyond structural brain atrophy. White matter degeneration has been proposed as a promising biomarker for AD that well pre-cedes cortical atrophy and correlates strongly with disease severity. Therefore, this project proposes a longitudinal study of white matter degeneration in icv-STZ rats using diffusion MRI. An existing image processing pipeline was primarily used to obtain preliminary results and propose an optimization strat-egy to improve it in terms of data quality and reliability. These strategies were tested and implemented in the pipeline when confirmed to be valuable, in order to achieve results as reproducible as possible and find the spatio-temporal pattern of brain degeneration in this animal model. All experiments were approved by the local Service for Veterinary Affairs. Male Wistar rats (N=18) (236±11 g) underwent a bilateral icv-injection of either streptozotocin (3 mg/kg, STZ group, N=10) or buffer (control group, CTL, N=8). Rats were scanned at four timepoints following surgery on a 14 T Varian system. Diffusion data were acquired using a semi-adiabatic SE-EPI PGSE sequence as follows: 4 (b=0 ms/μm2), 12 (b=0.8 ms/μm2), 16 (b=1.3 ms/μm2) and 30 (b=2 ms/μm2) directions; TE/TR=48/2500 ms, 9 coronal 1 mm slices, δ/Δ=4/27 ms, FOV=23x17 mm2, matrix=128x64 and 4 shots. The existing image processing pipeline included image denoising and eddy-correction. Moreover, diffusion and kurtosis tensors were calculated for each voxel, producing parametric maps of fractional anisotropy (FA), mean, axial and radial diffusivity (MD, AxD and RD) and mean, axial and radial kur-tosis (MK, AK and RK). Additionally, the two-compartment WMTI-Watson model was further esti-mated to provide specificity to the microstructure assessment. The following metrics were derived from the model: volume water fraction , parallel intra-axonal diffusivity , parallel ,║ and perpendicular extra-axonal diffusivities ,ꓕ and dispersion of fiber orientations 2. Since the model allows for two mathematical solutions, the >,║ solution was retained based on recent evidence. Considering pre-vious findings, the corpus callosum, cingulum, fornix and fimbria were chosen as white matter regions of interest (ROIs) and automatically segmented using anatomical atlas-based registration. Mean diffu-sion metrics were calculated in each ROI for each dataset. CTL and STZ groups were compared using two-sided t-tests at each timepoint. Within-group longitudinal changes were assessed using one-way ANOVA. Because of the small cohort, statistical analysis excluded the last time point. In the course of this project, strategies to optimize the existing pipeline were developed and tested. The existing brain atlas template was supplemented with white matter labels, rat brain extraction was semi-automated, and bias field correction of anatomical data was added before registration. Ventricle enlargement is typically reported in icv-STZ animals and normally constitutes an issue of misalignment in registration. In order to better match the label ROIs with the respective underlying tissue, several registration procedures were tested with different FA and color-coded FA template images. Color-coded FA-based registration dramatically improved the segmentation of the corpus callosum and the fimbria and reliability of diffusion metrics extracted from these regions. Moreover, additional fiber metrics were extracted from a newly developed tractography pipeline to compare with tensors metrics and finally, tensors metrics were evaluated in the gray matter for a more comprehensive spatio-temporal character-ization of brain degeneration. Results from statistical analysis were obtained after implementing the successful optimization strat-egies into the pipeline. There were few significant differences within groups over time. However, be-tween-group differences at each time point were more pronounced. White matter microstructure altera-tions were consistent with previous studies of histology and cognitive performance of the icv-STZ model. Changes in tensors metrics indicate early axonal injury in the fimbria and fornix at 2 weeks after injection, a period of potential recovery at 6 weeks after injection and late axonal injury at 13 weeks in all ROIs. The WMTI-Watson biophysical model provided specificity to the underlying microstructure, by showing intra-axonal damage in the fimbria and corpus callosum as early as 2 weeks, followed by a recover period and definite axonal loss at 13 weeks after injection. Results from tensors metrics and the WMTI-Watson model are not only complementary, they are consistent with each other and with previously-established trends for structural thickness, memory per-formance, amyloid deposition and inflammation. The icv-STZ model displays white matter changes in tracts reportedly affected by AD, while the degeneration is induced primarily by impaired brain glucose metabolism. The icv-STZ constitutes an excellent model to reproduce sporadic AD and should allow to further explore the hypothesis of AD being “type III diabetes”. The combination of diffusion information extracted from tensor imaging and biophysical modelling is a promising set of tools to assess white matter in the AD brain and might be the upcoming strategy to assess the human brain. Regarding future work, it will focus on estimating the correlation between microstructural alterations and functional con-nectivity (from resting-state functional MRI), glucose hypometabolism (from FDG-PET), and patholog-ical features (from histological stainings) – all currently under processing at CIBM. Tractography is a cutting-edge methodology to assess brain connectivity and the pipeline created could be further devel-oped to improve understanding and support diffusion metrics. The relationship between white and gray matter will also improve the understanding of spatio-temporal degeneration and the progression nature of the disease.O mecanismo que desencadeia a doença de Alzheimer (DA) não é bem conhecido, contudo sabe-se que a presença de placas amilóides e de emaranhados neurofibrilares da proteína tau, microgliose e ainda hipometabolismo de glucose estão envolvidos na fase inicial da cascata de desenvolvimento da doença. A principal vantagem dos modelos animais é justamente a possibilidade de estudar individualmente o impacto de cada um destes mecanismos no processo de neurodegeneração. Após uma injeção intracere-broventricular (icv) de estreptozotocina (STZ), várias espécies de animais mostraram um metabolismo anormal de glucose no cérebro, processo que foi referido como “diabetes do cérebro”. Vários estudos demonstraram que animais icv-STZ são portadores de características típicas de DA, mas este modelo animal nunca foi estudado em termos de biomarcadores derivados de técnicas de imagem por ressonân-cia magnética (IRM), exceto atrofia estrutural do cérebro. Um biomarcador promissor de DA que se acredita preceder a atrofia do córtex cerebral é a degeneração da matéria branca do cérebro, uma vez que foi fortemente correlacionado com a progressão e gravidade da doença. Logo, este projeto propõe um estudo longitudinal da degeneração da matéria branca em ratazanas icv-STZ utilizando IRM de di-fusão. O plano de processamento de imagem existente foi utilizado primeiramente para obter resultados preliminares e viabilizar a proposta de estratégias de otimização da mesma, em termos de melhoramento da qualidade de imagem e credibilidade das variáveis extraídas das imagens resultantes. Estas estratégias foram testadas e implementadas no plano de processamento quando a sua performance confirmou ser de valor, para que os resultados fossem o mais reproduzíveis possível em caracterizar a distribuição espácio-temporal da degeneração do cérebro neste modelo animal. Todos os procedimentos aqui descritos foram aprovados pelo serviço local dos assuntos veterinários. Ratazanas macho Wistar (N=18, 236±11 g) foram submetidas a uma injeção icv de STZ (3 mg/kg) no caso do grupo infetado (N=10) ou de um buffer no caso do grupo de controlo (N=8). As ratazanas foram examinadas no scanner de IRM do tipo Varian de 14 T em quatro momentos no tempo: 2, 6, 13 e 21 semanas após a injeção. As imagens por difusão foram adquiridas com uma sequência semi-adiabática spin-echo EPI PGSE com os seguintes parâmetros: 4 (b=0), 12 (b=0.8 ms/μm2), 16 (b=1.3 ms/μm2) and 30 (b=2 ms/μm2) direções; TE/TR=48/2500 ms, 9 secções coronais de 1 mm, δ/Δ=4/27 ms, FOV=23x17 mm2, matriz=128x64 e 4 shots. O plano existente de processamento de imagem incluía a correção das imagens ao nível de ruído e correntes-eddy. Posteriormente, os tensores de difusão e curtose foram estimados para cada voxel e os mapas paramétricos de anisotropia fracional (FA), difusão média, axial e radial (MD, AD e RD) e cur-tose média, axial e radial (MK, AK e RK) foram calculados. Adicionalmente, um modelo de difusão de água nas fibras da matéria branca foi utilizado para providenciar maior especificidade ao estudo da microestrutura do cérebro. Como tal, o modelo de dois compartimentos denominado WMTI-Watson foi também estimado e as seguintes variáveis foram derivadas do mesmo: a fração do volume de água , a difusividade paralela intra-axonal , as difusividades paralela ,║ e perpendicular ,ꓕ extra-axonais e, finalmente, a orientação da dispersão axonal 2. Este modelo matemático tem duas soluções possíveis dada a sua natureza quadrática, pelo que a solução >,║ foi imposta com base em evidências re-centes. Considerando estudos anteriores, as regiões de interesse (RDIs) da matéria branca escolhidas para analisar a microestrutura cerebral foram o corpo caloso, o cíngulo, a fimbria e a fórnix. Estes foram automaticamente segmentados através de registo de imagem de um atlas das regiões do cérebro da rata-zana e as médias das medidas extraídas dos tensores de difusão e curtose e ainda do modelo biofísico neuronal foram calculadas em cada RDI para cada conjunto de imagens obtidas. Os dois grupos de teste e controlo foram comparados usando testes t de Student bilaterais em cada momento do tempo, e a comparação das alterações longitudinais em cada grupo foi feita usando uma ANOVA. Devido ao baixo número de amostras, o último momento no tempo às 21 semanas foi excluído da análise. No decorrer deste projeto, várias estratégias para otimizar o processamento de imagem ou comple-mentar a análise da informação disponível foram testadas. Nomeadamente, o atlas cerebral da ratazana foi aperfeiçoado relativamente às regiões de matéria branca, a segmentação do cérebro foi testada com algoritmos automáticos e a correção do bias field em imagens estruturais de IRM foi adicionada ao plano antes do registo de imagem. O aumento dos ventrículos cerebrais é uma característica frequente em animais icv-STZ, constituindo um problema de alinhamento nos métodos de registo de imagem. No sentido de otimizar a correspondência entre as regiões do atlas e as respetivas regiões na imagem estru-tural e por difusão, vários procedimentos de registo de imagem foram testados. O co-registo de imagem convencional utiliza imagens estruturais para normalizar o espaço das imagens por difusão, no entanto os mapas paramétricos de FA têm vindo a substituir este conceito dado o excelente contraste que provi-denciam entre a matéria branca e cinzenta do cérebro. Mapas de FA com diferentes direções predomi-nantes mostraram uma melhoria significante da segmentação do corpo caloso e da fimbria e também do poder estatístico das variáveis extraídas destas RDIs. Adicionalmente, um novo plano de processamento de tratografia foi construído de raiz no âmbito deste projeto para extrair variáveis adicionais das fibras de interesse e compará-las com as variáveis de difusão obtidas por análise voxel-a-voxel. Por último, as variáveis calculadas através dos tensores de difusão e curtose foram avaliadas na matéria cinzenta do cérebro para uma caracterização espácio-temporal da degeneração cerebral na DA. Os resultados da análise estatística foram obtidos após integrar no plano de processamento as estra-tégias que mostraram valorizar o projeto em termos de qualidade de imagem ou credibilidade das vari-áveis. Houve poucas diferenças significativas ao longo do tempo em cada grupo, no entanto as diferen-ças entre grupos foram bastante acentuadas. As alterações ao nível da microestrutura da matéria branca foram consistentes com estudos prévios em animais icv-STZ usando métodos histológicos e avaliações das suas capacidades cognitivas. Alterações nas variáveis extraídas dos tensores indicaram deficiência axonal inicial na fimbria e no fórnix 2 semanas após injeção no grupo de teste, um potencial período de recuperação às 6 semanas e novamente deficiência axonal às 13 semanas, sendo que neste período tardio todas as RDIs foram afetadas. O modelo biofísico WMTI-Watson confirmou aumentar especificidade ao estudo da microestrutura, visto que demostrou danos intra-axonais na fimbria e no corpo caloso 2 semanas após injeção, seguidos de um período de recuperação e de perda de estrutura axonal definitiva às 13 semanas em todas as RDIs. Não só estes dois métodos de análise de IRM de difusão se complementam, como são também con-sistentes entre eles e com as tendências de alterações ao longo do tempo descritas noutros estudos. Além disso, o animal icv-STZ mostrou alterações características da DA, mesmo tendo a degeneração cerebral sido induzida pela disrupção do metabolismo de glucose no cérebro. Como tal, este modelo animal é excelente para reproduzir a doença e deverá continuar a ser avaliado nas diferentes áreas multidiscipli-nares para explorar a hipótese de a DA ser desencadeada pela falha do sistema insulina/glucose. A com-binação da informação de difusão obtida dos tensores e da modelação da difusão neuronal provou ser uma ferramenta promissora no estudo das fibras da matéria branca do cérebro e poderá vir a ser o desafio futuro no que toca a investigação clínica da DA. Este estudo focar-se-á em correlacionar as alterações microestruturais aqui descritas com dados de conectividade funcional (obtida por IRM funcional em repouso), hipometabolismo de glucose (por FDG-PET) e outras características patológicas (por colora-ção histológica) – todos já em curso no CIBM. Tratografia é a metodologia topo de gama para aceder à conetividade cerebral e o plano de processamento gerado neste projeto poderá continuar a ser desenvol-vido no futuro para informação adicional, assim como a relação entre a matéria branca e cinzenta poderá suplementar a compreensão da progressão da doença no espaço e no tempo

Towards in vivo g-ratio mapping using MRI: unifying myelin and diffusion imaging

The g-ratio, quantifying the comparative thickness of the myelin sheath encasing an axon, is a geometrical invariant that has high functional relevance because of its importance in determining neuronal conduction velocity. Advances in MRI data acquisition and signal modelling have put in vivo mapping of the g-ratio, across the entire white matter, within our reach. This capacity would greatly increase our knowledge of the nervous system: how it functions, and how it is impacted by disease. This is the second review on the topic of g-ratio mapping using MRI. As such, it summarizes the most recent developments in the field, while also providing methodological background pertinent to aggregate g-ratio weighted mapping, and discussing pitfalls associated with these approaches. Using simulations based on recently published data, this review demonstrates the relevance of the calibration step for three myelin-markers (macromolecular tissue volume, myelin water fraction, and bound pool fraction). It highlights the need to estimate both the slope and offset of the relationship between these MRI-based markers and the true myelin volume fraction if we are really to achieve the goal of precise, high sensitivity g-ratio mapping in vivo. Other challenges discussed in this review further evidence the need for gold standard measurements of human brain tissue from ex vivo histology. We conclude that the quest to find the most appropriate MRI biomarkers to enable in vivo g-ratio mapping is ongoing, with the potential of many novel techniques yet to be investigated.Comment: Will be published as a review article in Journal of Neuroscience Methods as parf of the Special Issue with Hu Cheng and Vince Calhoun as Guest Editor