Assessing functional connectivity in the newborn brain using fNIRS

Functional connectivity represents a powerful approach to describe the intrinsic activity of the brain. It reveals the organization and correlations among anatomically separated regions supporting similar cognitive and sensory processes. Using functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI), the recurrent spatial characteristics of these patterns have been extensively explored in the adult brain and their disruption has been found to be associated with psychiatric and developmental disorders. Unveiling the processes of emergence of resting state networks at a very early stage of life could shed light on the neuronal origins of these diseases. However, the study of the inception and development of functional connectivity in the newborn brain poses exceptional challenges, due to the complexity of dealing with non-compliant subjects. To this end, cortical activity at birth can be investigated using functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) that represents a promising non-invasive neuroimaging method for developmental studies. In the present thesis, I applied fNIRS to assess functional connectivity in term neonates. The first part of the dissertation is dedicated to investigating the maturation of a specific resting state network, the Default Mode Network, within the first 48 hours of life. The study aimed to examine its emergence, for the first time, using optical imaging on newborns immediately after birth. While the majority of fMRI literature focused on large-scale spatial patterns, I took a different approach measuring an intrinsic and localized fingerprint feature of the network, consistently detected in adult subjects. In the second part of the dissertation, I aimed at improving the anatomical representation of brain connectivity, inferred only from signals collected at the scalp. Thus, I developed and validated a method for the reconstruction of spatially distributed functional signals on a dedicated template for term newborn subjects. The intent is to promote the shift from a sensor space description (one signal for each channel) to a source space representation in which the origin of the signal is reconstructed with better anatomical fidelity. The reliability of the reconstruction method was tested on synthetic and real data. In the former case, I simulated spatially correlated neural activity in the cortex, thus enabling assessment of the reconstructed images against a ground-truth map. Analyses of functional connectivity in both sensor and source space showed that the Default Mode Network is still immature at birth, with a lack of homotopic correlation in the lateral parietal cortices, and no evidence of anticorrelation with the Dorsal Attention Network, a well established feature in the adult brain. Overall the work presented in the thesis contributes to the understanding of functional connectivity in the infant’s brain and provides useful tools for source-based connectivity analysis and for probe design and optimization

The effect of diffusion gradient direction number on tractography of corticospinal tract in human brain: an along-tract analysis

Nel presente lavoro di tesi ho sviluppato un metodo di analisi di dati di DW-MRI (Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging)cerebrale, tramite un algoritmo di trattografia, per la ricostruzione del tratto corticospinale, in un campione di 25 volontari sani. Il diffusion tensor imaging (DTI) sfrutta la capacità del tensore di diffusione D di misurare il processo di diffusione dell’acqua, per stimare quantitativamente l’anisotropia dei tessuti. In particolare, nella sostanza bianca cerebrale la diffusione delle molecole di acqua è direzionata preferenzialmente lungo le fibre, mentre è ostacolata perpendicolarmente ad esse. La trattografia utilizza le informazioni ottenute tramite il DW imaging per fornire una misura della connettività strutturale fra diverse regioni del cervello. Nel lavoro si è concentrata l’attenzione sul fascio corticospinale, che è coinvolto nella motricità volontaria, trasmettendo gli impulsi dalla corteccia motoria ai motoneuroni del midollo spinale. Il lavoro si è articolato in 3 fasi. Nella prima ho sviluppato il pre-processing di immagini DW acquisite con un gradiente di diffusione sia 25 che a 64 direzioni in ognuno dei 25 volontari sani. Si è messo a punto un metodo originale ed innovativo, basato su “Regions of Interest” (ROIs), ottenute attraverso la segmentazione automatizzata della sostanza grigia e ROIs definite manualmente su un template comune a tutti i soggetti in esame. Per ricostruire il fascio si è usato un algoritmo di trattografia probabilistica che stima la direzione più probabile delle fibre e, con un numero elevato di direzioni del gradiente, riesce ad individuare, se presente, più di una direzione dominante (seconda fibra). Nella seconda parte del lavoro, ciascun fascio è stato suddiviso in 100 segmenti (percentili). Sono stati stimati anisotropia frazionaria (FA), diffusività media, probabilità di connettività, volume del fascio e della seconda fibra con un’analisi quantitativa “along-tract”, per ottenere un confronto accurato dei rispettivi percentili dei fasci nei diversi soggetti. Nella terza parte dello studio è stato fatto il confronto dei dati ottenuti a 25 e 64 direzioni del gradiente ed il confronto del fascio fra entrambi i lati. Dall’analisi statistica dei dati inter-subject e intra-subject è emersa un’elevata variabilità tra soggetti, dimostrando l’importanza di parametrizzare il tratto. I risultati ottenuti confermano che il metodo di analisi trattografica del fascio cortico-spinale messo a punto è risultato affidabile e riproducibile. Inoltre, è risultato che un’acquisizione con 25 direzioni di DTI, meglio tollerata dal paziente per la minore durata dello scan, assicura risultati attendibili. La principale applicazione clinica riguarda patologie neurodegenerative con sintomi motori sia acquisite, quali sindromi parkinsoniane sia su base genetica o la valutazione di masse endocraniche, per la definizione del grado di contiguità del fascio. Infine, sono state poste le basi per la standardizzazione dell’analisi quantitativa di altri fasci di interesse in ambito clinico o di studi di ricerca fisiopatogenetica

The effect of diffusion gradient direction number on corticospinal tractography in the human brain: an along-tract analysis

Objectives: We evaluated diffusion imaging measures of the corticospinal tract obtained with a probabilistic tractography algorithm applied to data of two acquisition protocols based on different numbers of diffusion gradient directions (NDGDs). Materials and methods: The corticospinal tracts (CST) of 18 healthy subjects were delineated using 22 and 66-NDGD data. An along-tract analysis of diffusion metrics was performed to detect possible local differences due to NDGD. Results: FA values at 22-NDGD showed an increase along the central portion of the CST. The mean of partial volume fraction of the orientation of the second fiber (f2) was higher at 66-NDGD bilaterally, because for 66-NDGD data the algorithm more readily detects dominant fiber directions beyond the first, thus the increase in FA at 22-NDGD is due to a substantially reduced detection of crossing fiber volume. However, the good spatial correlation between the tracts drawn at 22 and 66 NDGD shows that the extent of the tract can be successfully defined even at lower NDGD. Conclusions: Given the spatial tract localization obtained even at 22-NDGD, local analysis of CST can be performed using a NDGD compatible with clinical protocols. The probabilistic approach was particularly powerful in evaluating crossing fibers when present