EXTRACTING GEOMETRICAL FEATURES & PEAK FRACTIONAL ANISOTROPY FROM THE ODF FOR WHITE MATTER CHARACTERIZATION

International audienceSpherical Functions (SF) play a pivotal role in Diffusion MRI (dMRI) in representing sub-voxel-resolution micro- architectural information of the underlying tissue. This in- formation is encoded in the geometric shape of the SF. In this paper we use a polynomial approach to extract geometric characteristics from SFs in dMRI such as the maxima, min- ima and saddle-points. We then use differential geometric tools to quantify further details such as principal curvatures at the extrema. Finally we propose new scalar measures like the Peak Fractional Anisotropy (PFA) and Total-PFA, to represent this rich source of information for characteriz- ing white-matter (WM) fibers. As an example we illustrate our method on the Orientation Distribution Function (ODF) estimated from real data

Computing and visualising intra-voxel orientation-specific relaxation-diffusion features in the human brain

Diffusion MRI techniques are used widely to study the characteristics of the human brain connectome in vivo. However, to resolve and characterise white matter (WM) fibres in heterogeneous MRI voxels remains a challenging problem typically approached with signal models that rely on prior information and constraints. We have recently introduced a 5D relaxation–diffusion correlation framework wherein multidimensional diffusion encoding strategies are used to acquire data at multiple echo‐times to increase the amount of information encoded into the signal and ease the constraints needed for signal inversion. Nonparametric Monte Carlo inversion of the resulting datasets yields 5D relaxation–diffusion distributions where contributions from different sub‐voxel tissue environments are separated with minimal assumptions on their microscopic properties. Here, we build on the 5D correlation approach to derive fibre‐specific metrics that can be mapped throughout the imaged brain volume. Distribution components ascribed to fibrous tissues are resolved, and subsequently mapped to a dense mesh of overlapping orientation bins to define a smooth orientation distribution function (ODF). Moreover, relaxation and diffusion measures are correlated to each independent ODF coordinate, thereby allowing the estimation of orientation‐specific relaxation rates and diffusivities. The proposed method is tested on a healthy volunteer, where the estimated ODFs were observed to capture major WM tracts, resolve fibre crossings, and, more importantly, inform on the relaxation and diffusion features along with distinct fibre bundles. If combined with fibre‐tracking algorithms, the methodology presented in this work has potential for increasing the depth of characterisation of microstructural properties along individual WM pathways

Decomposition of higher-order homogeneous tensors and applications to HARDI

High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI) holds the promise to provide insight in connectivity of the human brain in vivo. Based on this technique a number of different approaches has been proposed to estimate the ¿ber orientation distribution, which is crucial for ¿ber tracking. A spherical harmonic representation is convenient for regularization and the construction of orientation distribution functions (ODFs), whereas maxima detection and ¿ber tracking techniques are most naturally formulated using a tensor representation. We give an analytical formulation to bridge the gap between the two representations, which admits regularization and ODF construction directly in the tensor basis

Beyond fractional anisotropy: Extraction of bundle-specific structural metrics from crossing fiber models

Diffusion MRI (dMRI) measurements are used for inferring the microstructural properties of white matter and to reconstruct fiber pathways. Very often voxels contain complex fiber configurations comprising multiple bundles, rendering the simple diffusion tensor model unsuitable. Multi-compartment models deliver a convenient parameterization of the underlying complex fiber architecture, but pose challenges for fitting and model selection. Spherical deconvolution, in contrast, very economically produces a fiber orientation density function (fODF) without any explicit model assumptions. Since, however, the fODF is represented by spherical harmonics, a direct interpretation of the model parameters is impossible. Based on the fact that the fODF can often be interpreted as superposition of multiple peaks, each associated to one relatively coherent fiber population (bundle), we offer a solution that seeks to combine the advantages of both approaches: first the fiber configuration is modeled as fODF represented by spherical harmonics and then each of the peaks is parameterized separately in order to characterize the underlying bundle. In this work, the fODF peaks are approximated by Bingham distributions, capturing first and second-order statistics of the fiber orientations, from which we derive metrics for the parametric quantification of fiber bundles. We propose meaningful relationships between these measures and the underlying microstructural properties. We focus on metrics derived directly from properties of the Bingham distribution, such as peak length, peak direction, peak spread, integral over the peak, as well as a metric derived from the comparison of the largest peaks, which probes the complexity of the underlying microstructure. We compare these metrics to the conventionally used fractional anisotropy (FA) and show how they may help to increase the specificity of the characterization of microstructural properties. While metric relying on the first moments of the Bingham distributions provide relatively robust results, second-order metrics representing the peak spread are only meaningful, if the SNR is very high and no fiber crossings are present in the voxel

HARDI Methods: tractography reconstructions and automatic parcellation of brain connectivity

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012A neuroanatomia humana tem sido objecto de estudo científico desde que surgiu o interesse na organização do corpo humano e nas suas funções, quer como um todo quer através das partes que o constituem. Para atingir este fim, as autópsias foram a primeira forma de revelar algum conhecimento, o qual tem vindo a ser catalogado e sistematizado à medida que a medicina evolui. Passando por novas técnicas de conservação e tratamento de tecido humano, de que são exemplo as dissecções de Klinger, nas quais se fazem secções de material conservado criogenicamente, bem como por estudos histológicos através da utilização de corantes, conseguiu-se uma forma complementar de realizar estes estudos. Permanecia, no entanto, a impossibilidade de analisar in vivo a estrutura e função dos diferentes sistemas que constitutem o Homem. Com o surgimento das técnicas imagiológicas o diagnóstico e monitorização do corpo humano, bem como das patologias a ele associadas, melhoraram consideravelmente. Mais recentemente, com o aparecimento da ressonância magnética (MRI: do Inglês "Magnetic Resonance Imaging"), tornou-se possível estudar as propriedades magnéticas do tecido, reflectindo as suas características intrínsecas com base na aplicação de impulsos de radiofrequência. Através de ressonância magnética é possível estudar essas propriedades em vários núcleos atómicos, sendo mais comum o estudo do hidrogénio, pois somos maioritariamente consistituídos por água e gordura. Uma vez que só é possível medir variações do campo magnético, aplicam-se impulsos de radiofrequência para perturbar o equilíbrio dos spins e medir os seus mecanismos de relaxação, os quais, indirectamente, reflectem a estrutura do tecido. Contudo, o sinal medido é desprovido de qualquer informação espacial. De facto, para podermos proceder a essa quantificação, é necessária a utilização de gradientes de campo magnético, que permitem modificar localmente a frequência de precessão dos protões, através da alteração local do campo magnético, permitindo assim, adquirir o sinal de forma sequencial. A informação obtida constitui uma função variável no espaço e através da transformação de Fourier pode ser quantificada em frequências espaciais, sendo estes dados armazenados no espaço k. O preencimento deste espaço, caracterizado por frequências espaciais, bem como os gradientes de campo magnético que são aplicados, permitem determinar a resolução da imagem que podemos obter, aplicando uma transformação de Fourier inversa. O estudo da ressonância magnética não se restringe à análise da estrutura mas também ao estudo da função e difusão das moléculas de água. A difusão é um processo aleatório, que se traduz pelo movimento térmico das moléculas de água, e o seu estudo permite inferir sobre o estado do tecido e microestrutura associada, de uma forma não invasiva e in vivo. A técnica de imagiologia de ressonância magnética ponderada por difusão (DWI: do Inglês "Diffusion Weighted Imaging") permite o estudo da direccionalidade das moléculas de água e extracção de índices que reflectem directamente a integridade dos tecidos biológicos. De modo a sensibilizar as moléculas de água à difusão, é necessário aplicar sequências de ressonância magnética modificadas, nas quais se aplicam gradientes de campo magnético de difusão para quantificar o deslocamento das moléculas e a sua relação com o coeficiente de difusão das mesmas. Num ambiente livre e sem barreiras a difusão das moléculas de água é isotrópica, uma vez que se apresenta igual em todas as direcções. Todavia, tal não se verifica no corpo humano. A presença destas barreiras leva a que, na verdade, apenas possa ser medido um coeficiente de difusão aparente. Este, por sua vez, traduz a interacção entre as moléculas de água com a microestrutura e, como tal, uma anisotropia na sua difusão. Como caso particular de difusão anisotrópica a nível cerebral, tem-se a difusão das moléculas de água na matéria branca, uma vez que esta apresenta uma direccionalidade preferencial de acordo com a orientação dos axónios, visto estarem presentes menos restrições à sua propagação, ao contrário do que acontece com a direcção perpendicular (devido à membrana celular e às bainhas de mielina). Por oposição, a matéria cinzenta, constituída pelo aglomerado dos corpos celulares dos neurónios, e o líquido cefalorraquidiano apresentam uma difusão sem direcção preferencial (i.e. aproximadamente isotrópica). A informação obtida através da difusão das moléculas de água encontra-se limitada pelo número de direcções segundo o qual aplicamos os gradientes de difusão. Deste modo, surgiu a imagiologia por tensor de difusão (DTI: do Inglês "Diffusion Tensor Imaging"). 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. A distribuição destas moléculas pode, então, ser vista como um elipsóide, no qual o principal vector próprio do tensor representa a contribuição da difusão das moléculas segundo a direcção do axónio (ou paralela), sendo os dois restantes componentes responsáveis pela contribuição transversal. Além da difusividade média (MD: do Inglês "Mean Diffusivity") e das contribuições da difusão paralela (MD//) e perpendicular (MD ) às fibras, é também possível extrair outros índices, como a anisotropia fraccional (FA: do Inglês "Fractional Anisotropy"), que fornece informação acerca da percentagem de difusão anisotrópica num determinado voxel. Para a matéria branca, tal como já foi referido, existe difusão preferencial e, portanto, a anisotropia fraccional será elevada. Por outro lado, para a matéria cinzenta e para o líquido cefalorraquidiano, verificar-se-á uma FA reduzida, devido à ausência de anisotropia. Todavia, regiões com reduzida anisotropia fraccional podem camuflar regiões de conformação de cruzamento de fibras, ou fibras muito anguladas, que a imagiologia por tensor de difusão não consegue resolver. A razão para esta limitação reside no número reduzido de diferentes direcções de difusão que são exploradas, assim como o pressuposto de que a distribuição das moléculas de água é Gaussiana em todo o cérebro, o que não é necessariamente verdade. A fim de se ultrapassar estas limitações, novas técnicas surgiram, nomeadamente as de elevada resolução angular (HARDI: do Inglês "High Angular Resolution Diffusion Imaging"). Estas fazem uso de uma aquisição em função de múltiplas direcções de gradiente e de uma diferente modelação dos dados obtidos, dividindo-se em dois tipos. As técnicas livres de modelos permitem extrair uma função de distribuição da orientação das fibras num determinado voxel directamente do sinal e/ou transformações da função densidade de probabilidade do deslocamento das moléculas de água. Contrariamente, as técnicas baseadas em modelos admitem existir determinados constrangimentos anatómicos e que o sinal proveniente de um determinado voxel é originado por um conjunto de sinais individuais de fibras, caracterizados por uma distribuição preferencial das direcções das fibras. Todos estes métodos têm como objectivo principal recuperar a direcção preferencial da difusão das moléculas de água e reconstruir um trajecto tridimensional que represente a organização das fibras neuronais, pelo que se designam métodos de tractografia. Esta representa a única ferramenta não invasiva de visualização in vivo da matéria branca cerebral e o seu estudo tem revelado uma grande expansão associada ao estabelecimento de marcador biológico para diversas patologias. Adicionalmente, esta técnica tem vindo a tornar-se uma modalidade clínica de rotina e de diversos protocolos de investigação, sendo inclusivamente utilizada para complementar o planeamento em cirurgia, devido à natureza dos dados que gera. Particularmente no caso de dissecções manuais, nas quais os dados de tractografia são manuseados por pessoal especializado, com vista a realizar a parcelização de diferentes tractos de interesse, o processo é moroso e dependente do utilizador, revelando-se necessária a automatização do mesmo. Na realidade, já existem técnicas automáticas que fazem uso de algoritmos de agregação1, nos quais fibras são analisadas e agrupadas segundo características semelhantes, assim como técnicas baseadas em regiões de interesse, em que se extraem apenas os tractos seleccionados entre as regiões escolhidas. O objectivo principal desta dissertação prende-se com a análise automática de dados de tractografia, bem como a parcelização personalizada de tractos de interesse, também esta automática. Em primeiro lugar, foi desenvolvido um algoritmo capaz de lidar automaticamente com funções básicas de carregamento dos ficheiros de tractografia, o seu armazenamento em variáveis fáceis de manusear e a sua filtragem básica de acordo com regiões de interesse de teste. Neste processo de filtragem é feita a avaliação das fibras que atravessam a região de interesse considerada. Assim, após a localização das fibras entre as regiões de interesse os tractos resultantes podem ser guardados de duas formas, as quais têm, necessariamente, que ser especificadas antes de utilizar o software: um ficheiro que contém todas as fibras resultantes da parcelização e outro que contém o mapa de densidade associado, isto é, o número de fibras que se encontra em cada voxel. Após esta fase inicial, a flexibilidade e complexidade do software foi aumentando, uma vez que foram implementados novos filtros e a possibilidade de utilizar regiões de interesse de diferentes espaços anatómicos padrão. Fazendo uma análise a esta última melhoria, pode referir-se que, através de um procedimento de registo não linear da imagem anatómica do espaço padrão ao espaço individual de cada sujeito, foi possível, de forma automática, guardar o campo de deformações que caracteriza a transformação e, assim, gerar regiões de interesse personalizadas ao espaço do sujeito. Estas regiões de interesse serviram depois para a parcelização básica e para seleccionar tractos, mas também para filtragens adicionais, como a exclusão de fibras artefactuosas2 e um filtro especial, no qual apenas os pontos que ligam directamente as diferentes regiões são mantidos. Além do que já foi referido, recorreu-se também à aplicação de planos de interesse que actuam como constrangimentos neuroanatómicos, o que não permite, por exemplo, no caso da radiação óptica, que as fibras se propaguem para o lobo frontal. Esta ferramenta foi utilizada com sucesso para a parcelização automática do Fascículo Arcuado, Corpo Caloso e Radiação Óptica, tendo sido feita a comparação com a dissecção manual, em todos os casos. O estudo do Fasciculo Arcuado demonstrou ser o teste ideal para a ferramenta desenvolvida na medida que permitiu identificar o segmento longo, assim como descrito na literatura. O método automático de duas regiões de interesse deu a origem aos mesmos resultados obtidos manualmente e permitiu confirmar a necessidade de estudos mais aprofundados. Aumentando a complexidade do estudo, realizou-se a parcelização do Corpo Caloso de acordo com conectividade estrutural, isto é, com diferentes regiões envolvidas em funções distintas. Procedeu-se deste modo, e não com base em informação acerca de divisões geométricas, uma vez que estas já demonstraram incongruências quando correlacionadas com subdivisões funcionais. O uso adicional de regiões de interesse para a exclusão de fibras demonstrou-se benéfico na obtenção dos mapas finais. Finalmente, incluiu-se a utilização de um novo filtro para realizar a parcelização da Radiação Óptica, comparando os resultados para DTI e SD(do Inglês "Spherical Deconvolution"). Foi possível determinar limitações na primeira técnica que foram, no entanto, ultrapassadas pela utilização de SD. O atlas final gerado apresenta-se como uma mais-valia para o planeamento cirúrgico num ambiente clínico. O desenvolvimento desta ferramenta resultou em duas apresentações orais em conferências internacionais e encontra-se, de momento, a ser melhorada, a fim de se submeter um artigo de investigação original. Embora se tenha chegado a um resultado final positivo, tendo em conta a meta previamente estabelecida, está aberto o caminho para o seu aperfeiçoamento. Como exemplo disso, poder-se-á recorrer ao uso combinado das duas abordagens de parcelização automática e à utilização de índices específicos dos tractos, o que poderá trazer uma nova força à delineação dos tractos de interesse. Adicionalmente, é também possível melhorar os algoritmos de registo de imagem, tendo em conta a elevada variabilidade anatómica que alguns sujeitos apresentam. 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, sem que, no entanto, exista consenso na comunidade científica acerca da melhor abordagem a seguir.Diffusion weighted imaging (DWI) has provided us a non-invasive technique to determine physiological information and infer about 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. Only with Diffusion Tensor Imaging (DTI) it was possible to fully characterize anisotropy by offering estimations for average diffusivities in each voxel. However, these methods were limited, not being able to reflect the index of anisotropic diffusion in regions with complex fibre conformations. It was possible to reduce those problems through the acquisition of many gradient directions with High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI). There are model-free approaches such as Diffusion Spectrum Imaging (DSI) and Q-ball Imaging (QBI) which retrieve an orientation distribution function (ODF) directly from the water molecular displacement. Another method is Spherical Deconvolution, which is a model-based approach based on the computation of a fibre orientation distribution (FOD) from the deconvolution of the diffusion signal and a chosen fibre response function. Reconstructing the fibre orientations from the diffusion profile, generates a three-dimensional reconstruction of neuronal fibres (Tractography) whether in a deterministic, probabilistic or global way. Tractography has two main purposes: non-invasive and in vivo mapping of human white matter and neurosurgical planning. In order to achieve those purposes it is common to apply parcellation techniques which can be subdivided into ROI-based or Clustering base. The aim of this project is to develop an automated method of tract-based parcellation of different brain regions. This tool is essential to retrieve information about the architecture and connectivity of the brain, overcoming time consuming and expertise related issues derived from manual dissections. Firstly we investigated basic functions to handle diffusion and tractography data. In particular, we focused on how to load track files, filter them according to regions of interest and save the output in different formats. Results were always compared with manual dissection. The developed tool increased complexity by introduction a new filtering and the use of regions of interest from different standard spaces, created trough non-linear registrations. Three major tracts of interest were analysed: Arcuate Fasciculus, Corpus Callosum and Optic Radiation

Brain Microstructure: Impact of the Permeability on Diffusion MRI

Diffusion Magnetic Resonance Imaging (dMRI) enables a non invasive in-vivo characterization of the brain tissue. The disentanglement of each microstructural property reflected on the total dMRI signal is one of the hottest topics in the field. The dMRI reconstruction techniques ground on assumptions on the signal model and consider the neurons axons as impermeable cylinders. Nevertheless, interactions with the environment is characteristic of the biological life and diffusional water exchange takes place through cell membranes. Myelin wraps axons with multiple layers constitute a barrier modulating exchange between the axon and the extracellular tissue. Due to the short transverse relaxation time (T2) of water trapped between sheets, myelin contribution to the diffusion signal is often neglected. This thesis aims to explore how the exchange influences the dMRI signal and how this can be informative on myelin structure. We also aimed to explore how recent dMRI signal reconstruction techniques could be applied in clinics proposing a strategy for investigating the potential as biomarkers of the derived tissue descriptors. The first goal of the thesis was addressed performing Monte Carlo simulations of a system with three compartments: intra-axonal, spiraling myelin and extra-axonal. The experiments showed that the exchange time between intra- and extra-axonal compartments was on the sub-second level (and thus possibly observable) for geometries with small axon diameter and low number of wraps such as in the infant brain and in demyelinating diseases. The second goal of the thesis was reached by assessing the indices derived from three dimensional simple harmonics oscillator-based reconstruction and estimation (3D-SHORE) in stroke disease. The tract-based analysis involving motor networks and the region-based analysis in grey matter (GM) were performed. 3D-SHORE indices proved to be sensitive to plasticity in both white matter (WM) and GM, highlighting their viability as biomarkers in ischemic stroke. The overall study could be considered the starting point for a future investigation of the interdependence of different phenomena like exchange and relaxation related to the established dMRI indices. This is valuable for the accurate dMRI data interpretation in heterogeneous tissues and different physiological conditions

Predictive Diagnosis of Alzheimer's Disease using Diffusion MRI

Age-related neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s Disease (AD), are an increasing cause of concern for the world’s ageing population. The current consensus in the research community is that the main setbacks in the treatment of AD include the inability to diagnose it in its early stages and the lack of accurate stratification techniques for the prodromal stages of the disease and normal control (NC) subject groups. Numerous studies show that AD causes damage to the white matter microstructure in the brain. Commonly used techniques for diagnosing this disease include, neuropsychological assessments, genetics, proteomics, and image-based analysis. However, unlike these techniques, recent advances in Diffusion Magnetic Resonance Imaging (dMRI) analysis posits its sensitivity to the microstructural organization of cerebral white matter, and hence its applicability for early diagnosis of AD. Since tissue damage is reflected in the pattern of water diffusion in neural fibre structures, dMRI can be used to track disease-related changes in the brain. Contemporary dMRI approaches are broadly classified as being either region-based or tract-based. This thesis draws on the strengths of both these approaches by proposing an original extension of region-based methods to the simultaneous analysis of multiple brain regions. A predefined set of features is derived from dMRI data and used to compute the probabilistic distances between different brain regions. The resulting statistical associations can be modelled as an undirected and fully-connected graph encoding a unique brain connectivity pattern. Subsequently, the characteristics of this graph are used for the stratification of AD and NC subjects. Although the current work focuses on AD and NC subject populations, the perfect separability achieved between the two groups suggests the suitability of the technique for separating NC, AD, in addition to subjects in the prodromal stage of the disease, i.e., mild cognitive impairment (MCI)

Extraction of Structural Metrics from Crossing Fiber Models

Diffusion MRI (dMRI) measurements allow us to infer the microstructural properties of white matter and to reconstruct fiber pathways in-vivo. High angular diffusion imaging (HARDI) allows for the creation of more and more complex local models connecting the microstructure to the measured signal. One of the challenges is the derivation of meaningful metrics describing the underlying structure from the local models. The aim hereby is to increase the specificity of the widely used metric fractional anisotropy (FA) by using the additional information contained within the HARDI data. A local model which is connected directly to the underlying microstructure through the model of a single fiber population is spherical deconvolution. It produces a fiber orientation density function (fODF), which can often be interpreted as superposition of multiple peaks, each associated to one relatively coherent fiber population (bundle). Parameterizing these peaks one is able to disentangle and characterize these bundles. In this work, the fODF peaks are approximated by Bingham distributions, capturing first and second order statistics of the fiber orientations, from which metrics for the parametric quantification of fiber bundles are derived. Meaningful relationships between these measures and the underlying microstructural properties are proposed. The focus lies on metrics derived directly from properties of the Bingham distribution, such as peak length, peak direction, peak spread, integral over the peak, as well as a metric derived from the comparison of the largest peaks, which probes the complexity of the underlying microstructure. These metrics are compared to the conventionally used fractional anisotropy (FA) and it is shown how they may help to increase the specificity of the characterization of microstructural properties. Visualization of the micro-structural arrangement is another application of dMRI. This is done by using tractography to propagate the fiber layout, extracted from the local model, in each voxel. In practice most tractography algorithms use little of the additional information gained from HARDI based local models aside from the reconstructed fiber bundle directions. In this work an approach to tractography based on the Bingham parameterization of the fODF is introduced. For each of the fiber populations present in a voxel the diffusion signal and tensor are computed. Then tensor deflection tractography is performed. This allows incorporating the complete bundle information, performing local interpolation as well as using multiple directions per voxel for generating tracts. Another aspect of this work is the investigation of the spherical harmonic representation which is used most commonly for the fODF by means of the parameters derived from the Bingham distribution fit. Here a strong connection between the approximation errors in the spherical representation of the Dirac delta function and the distribution of crossing angles recovered from the fODF was discovered. The final aspect of this work is the application of the metrics derived from the Bingham fit to a number of fetal datasets for quantifying the brain’s development. This is done by introducing the Gini-coefficient as a metric describing the brain’s age

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