Strukturelle und funktionelle Veränderungen des afferenten visuellen Systems bei Patienten mit Neuromyelitis optica-Spektrum-Erkrankungen

Neuromyelitis optica-Spektrum-Erkrankungen (NMOSD) bezeichnen eine inflammatorische Autoimmunerkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), die vorwiegend durch Optikusneuritis (ON) und/oder Myelitis gekennzeichnet ist. In der Mehrzahl der Betroffenen sind pathogene Serumantikörper gegen Aquaporin-4 (AQP4-IgG) nachweisbar. In einem Teil der AQP4-IgG-seronegativen NMOSD-Patienten sowie in Patienten mit rezidivierender ON oder Myelitis konnten Antikörper gegen Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein (MOG-IgG) nachgewiesen werden. Patienten mit MOG-IgG-assoziierter Enzephalomyelitis (MOG-EM) wurden häufig klinisch als milderer Phänotyp mit besserer Remission und Langzeitprognose im Vergleich zu AQP4-IgG-positiven NMOSD-Patienten beschrieben. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung der strukturellen und funktionellen Schädigung des afferenten visuellen Systems bei NMOSD und MOG-EM. In einer multimodalen Magnetresonanztomographie-Untersuchung zeigten NMOSD-Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollen keine signifikanten Verminderungen der grauen und weißer Substanz sowie kortikaler Dicken. Mit Hilfe von Diffusions-Tensor-Bildgebung und optischer Kohärenztomographie (OCT) konnte allerdings gezeigt werden, dass es bei NMOSD zu einer Abnahme der fraktionellen Anisotropie in der Sehstrahlung kommt, welche mit einer Verdünnung der retinalen Nervenfaserschicht (RNFL) assoziiert ist. Bei AQP4-IgG-positiven NMOSD-Patienten kam es auch ohne vorherige ON zu einer solchen Abnahme. Zudem zeigten diese Patienten auch eine Reduktion der fovealen Dicke. Bei AQP4-IgG-positiven NMOSD-Patienten war zudem die funktionelle Konnektivität der visuellen Netzwerke erhöht, was auf einen maladaptiven plastischen Prozess hindeutet. Es wurde gezeigt, dass Blutgefäße in der inneren Retina OCT-Dickenmessungen der RNFL bei NMOSD beeinflussen, wobei bei dünnerer RNFL der Einfluss ausgeprägter ist. Eine multizentrische Untersuchung zeigte, dass es bei MOG-EM und AQP4-IgG-positiven NMOSD-Patienten bei vergleichbarer Erkrankungsdauer in ähnlicher Dimension zu ON-assoziierter neuro-axonaler Schädigung der Retina kommt. Allerdings hatten MOG-EM-Patienten eine deutlich höhere ON-Schubrate als die NMOSD Patienten. Daraus schlussfolgerten wir, dass es bei MOG-EM durch die akkumulierte Schädigung - trotz besserer Remission beim einzelnen Schub - zu ähnlicher Schädigung kommt wie bei AQP4-IgG-positiven NMOSD-Patienten mit weniger, aber dafür schwereren Schüben. Mit Hilfe eines Fragebogens (NEI-VFQ) wurde die sehbezogene Lebensqualität von Patienten mit NMOSD untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass diese eine signifikant niedrigere sehbezogene Lebensqualität haben als Patienten mit multipler Sklerose (MS). Dies erklärte sich dadurch, dass NMOSD-Patienten schwerwiegendere ON-Episoden durchliefen, die zudem häufiger beide Augen betrafen, als MS-Patienten. Zusammengefasst führt ON bei NMOSD-Patienten neben retinalem neuro-axonalen Schaden zu anterograder Neurodegeneration der Sehstrahlung, möglicherweise maladaptiver Reorganisation des visuellen Netzwerks und eingeschränkter sehbezogener Lebensqualität. Inwieweit es schubunabhängig zu einer direkten, möglicherweise gegen AQP4 gerichteten ZNS-Schädigung kommt, muss noch näher untersucht werden.Neuromyelitis optica spectrum disorders (NMOSD) describe an autoimmune disease of the central nervous system (CNS), predominantly characterized by optic neuritis (ON) and/or myelitis. In the majority of patients pathogenic serum antibodies against aquaporin-4 (AQP4-IgG) can be detected. In a subset of AQP4-IgG seronegative NMOSD patients, as well as in patients with recurrent ON or myelitis, antibodies against myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG-IgG) could be detected. Patients with MOG-IgG associated encephalomyelitis (MOG-EM) have been described as a milder phenotype with better remission and long-term outcomes as compared to AQP4-IgG positive NMOSD patients. The objective of this work was the characterization of structural and functional afferent visual system damage in NMOSD and MOG-EM. A multimodal magnetic resonance imaging study did not show a reduction of either grey or white matter, nor cortical thicknesses in NMOSD patients in comparison to healthy controls. However, diffusion tensor imaging and optical coherence tomography showed that fractional anisotropy of the optic radiation was reduced in NMOSD patients, which was associated with thinner retinal nerve fiber layer (RNFL). Even AQP4-IgG positive NMOSD patients without previous ON showed this reduction, and, additionally, reduced 7 foveal thickness. Furthermore, the functional connectivity of the visual networks was shown to be increased in AQP4-IgG positive NMOSD patients, indicating a maladaptive process. We showed that blood vessels of the inner retina influenced OCT-derived thickness measurements in NMOSD, with a more pronounced effect in thinner RNFL. A multicenter study showed similar retinal neuro-axonal damage in MOG-EM and AQP4- IgG positive NMOSD patients with comparable disease duration. However, MOG-EM patients had a significantly higher ON relapse rate than NMOSD patients. We concluded that accumulative damage in MOG-EM patients, despite better remission in a single attack, leads to similar damage as in AQP4-IgG positive NMOSD patients with less, but more severe attacks. Applying a questionnaire (NEI-VFQ), we investigated vision-related quality of life in patients with NMOSD. We found that NMOSD patients have a significantly reduced vision-related quality of life compared to patients with multiple sclerosis (MS). This could be explained by more severe ON episodes in NMOSD, that present more frequently in both eyes, compared to MS. To conclude, besides retinal neuro-axonal damage, ON in NMOSD leads to anterograde neurodegeneration of the optic radiation, potentially maladaptive reorganization of the visual networks and impairment in vision-related quality of life. To what extent an attack-independent and direct, potentially AQP4-targeted CNS damage occurs in these patients has to be further investigated

Intraretinal Layer Segmentation Using Cascaded Compressed U-Nets

Reliable biomarkers quantifying neurodegeneration and neuroinflammation in central nervous system disorders such as Multiple Sclerosis, Alzheimer’s dementia or Parkinson’s disease are an unmet clinical need. Intraretinal layer thicknesses on macular optical coherence tomography (OCT) images are promising noninvasive biomarkers querying neuroretinal structures with near cellular resolution. However, changes are typically subtle, while tissue gradients can be weak, making intraretinal segmentation a challenging task. A robust and efficient method that requires no or minimal manual correction is an unmet need to foster reliable and reproducible research as well as clinical application. Here, we propose and validate a cascaded two-stage network for intraretinal layer segmentation, with both networks being compressed versions of U-Net (CCU-INSEG). The first network is responsible for retinal tissue segmentation from OCT B-scans. The second network segments eight intraretinal layers with high fidelity. At the post-processing stage, we introduce Laplacian-based outlier detection with layer surface hole filling by adaptive non-linear interpolation. Additionally, we propose a weighted version of focal loss to minimize the foreground–background pixel imbalance in the training data. We train our method using 17,458 B-scans from patients with autoimmune optic neuropathies, i.e., multiple sclerosis, and healthy controls. Voxel-wise comparison against manual segmentation produces a mean absolute error of 2.3 μm, outperforming current state-of-the-art methods on the same data set. Voxel-wise comparison against external glaucoma data leads to a mean absolute error of 2.6 μm when using the same gold standard segmentation approach, and 3.7 μm mean absolute error in an externally segmented data set. In scans from patients with severe optic atrophy, 3.5% of B-scan segmentation results were rejected by an experienced grader, whereas this was the case in 41.4% of B-scans segmented with a graph-based reference method. The validation results suggest that the proposed method can robustly segment macular scans from eyes with even severe neuroretinal changes