Magnetic resonance imaging In Alzheimer’s disease, mild cognitive impairment and normal aging : Multi-template tensor-based morphometry and visual rating

Abstract

Alzheimer's disease (AD) is the most common neurodegenerative disease preceded by a stage of mild cognitive impairment (MCI). The structural brain changes in AD can be detected more than 20 years before symptoms appear. If we are to reveal early brain changes in AD process, it is important to develop new diagnostic methods. Magnetic resonance imaging (MRI) is an imaging technique used in the diagnosis and monitoring of neurodegenerative diseases. Magnetic resonance imaging can detect the typical signs of brain atrophy of degenerative diseases, but similar changes can also be seen in normal aging. Visual rating methods (VRM) have been developed for visual evaluation of atrophy in dementia. A computer-based tensor-based morphometry (TBM) analysis is capable of assessing the brain volume changes typically encountered in AD. This study compared the VRM and TBM analysis in MCI and AD subjects by cross-sectional and longitudinal examination. The working hypothesis was that TBM analysis would be better than the visual methods in detecting atrophy in the brain. TBM was also used to analyze volume changes in the deep gray matter (DGM). Possible associations between TBM changes and neuropsychological tests performances were examined. This working hypothesis was that the structural DGM changes would be associated with impairments in cognitive functions. In the cross-sectional study, TBM distinguished the MCI from controls more sensitively than VRM, but the methods were equally effective in differentiating AD from MCI and controls. In the longitudinal study, both methods were equally good in the evaluation of atrophy in MCI, if the groups were sufficiently large and the disease progressed to AD. Volume changes were found in DGM structures, and the atrophy of DGM structures was related to cognitive impairment in AD. Based on these results, a TBM analysis is more sensitive in detecting brain changes in early AD as compared to VRM. In addition, the study produced information about the involvement of the deep gray matter in cognitive impairment in AD.Magneettikuvaus Alzheimerin taudissa, lievässä muistihäiriössä ja normaalissa ikääntymisessä: Tensoripohjainen muotoanalyysi ja visuaalinen arviointimenetelmä Alzheimerin tauti (AT) on yleisin dementoiva sairaus, jota edeltää yleensä lievä muistitoimintojen heikentyminen. AT:n aivomuutoksia voidaan todeta yli 20 vuotta ennen sairastumista. Jotta vielä varhaisempia AT:n aivomuutoksia voidaan todeta, on tärkeää kehittää uusia diagnostisia menetelmiä. Magneettikuvausta (MK) käytetään rappeuttavien aivosairauksien diagnostiikassa ja seurannassa. MK:lla voidaan havaita aivorappeumasairauksille tyypillistä kutistumista, mutta samanlaisia muutoksia voi esiintyä myös normaalissa ikääntymisessä. Aivorappeuman arviointiin on kehitetty silmämääräisiä arviointimenetelmiä. Tietokoneperusteinen tensoripohjainen muotoanalyysi (TPM) laskee esimerkiksi AT:lle tyypillisiä aivojen tilavuusmuutoksia. Tämä tutkimus vertaili silmämääräisiä arvioitimenetelmiä ja TPM:ä lievässä muistitoimintojen heikentymisessä ja AT:ssa poikittais- ja pitkittäistutkimuksella. TPM:n oletettiin olevan silmämääräisiä menetelmiä parempi tunnistamaan aivojen kutistumismuutoksia. Lisäksi TPM:llä tutkittiin AT:iin liittyviä aivojen syvän harmaan aiheen muutoksia, joita verrattiin neuropsykologisten testien tuloksiin. Syvän harmaan aineen kutistumisen oletettiin olevan yhteydessä tietojenkäsittelyn heikentymiseen. Tulosten perustella TPM tunnisti AT:iin liittyviä aivomuutoksia silmämääräistä menetelmää paremmin jo lievän muistitoimintojen heikentymisen vaiheessa. AT:iin liittyviä aivomuutoksia löytyi myös aivojen syvästä harmaasta aineesta ja ne olivat osittain yhteydessä neuropsykologisten testien tuloksiin. Tutkimuksen perusteella TPM voi parantaa AT:n varhaisdiagnostiikkaa verrattuna silmämääräisiin arviointimenetelmiin. Tutkimus antoi myös tietoa aivojen syvän harmaan aineen osallisuudesta ihmisen tietojenkäsittelyyn