Magnetic Resonance Imaging-Derived biomarkers of Isocitrate-Dehydrogenase mutation in diffuse gliomas: a conventional MR and Diffusion Weighted Imaging study.

The introduction of molecular criteria into the classification of diffuse gliomas has added interesting practical implications to glioma management. This has created a new clinical need for correlating imaging characteristics with glioma genotypes, also known as radiogenomics or imaging genomics. Whilst many studies have primarily focused on the use of advanced magnetic resonance imaging (MRI) techniques for radiogenomics purposes, conventional MRI sequences still remain the reference point in the study and characterization of brain tumours. Moreover, a different approach may rely on diffusion-weighted imaging (DWI) usage, which is considered a “conventional” sequence in line with recently published directions on glioma imaging. In a non-invasive way, it can provide direct insight into the microscopic physical properties of tissues. Considering that Isocitrate-Dehydrogenase gene mutations may reflect alterations in metabolism, cellularity, and angiogenesis, which may manifest characteristic features on an MRI, the identification of specific MRI biomarkers could be of great interest in managing patients with brain gliomas. My study aimed to evaluate the presence of specific MRI-derived biomarkers of IDH molecular status through conventional MRI and DWI sequences.

Valutazione dei disturbi cognitivi nei pazienti sottoposti a Rivascolarizzazione Carotidea (Endoarterectomia vs Stenting) mediante dosaggio di marker di danno neuronale, Mini Mental State Examination e Risonanza Magnetica

Scopo del nostro studio è quello di valutare i disturbi cognitivi in relazione al tasso di microembolia cerebrale in due gruppi di pazienti trattati per lesione carotidea asintomatica con endoarterectomia (CEA) o stenting (CAS). Comparando le due metodiche mediante l’utilizzo di risonanza magnetica in diffusione (DW-MRI), neuromarkers (NSE e S100β) e test neuropsicometrici. MATERIALE E METODI: 60 pazienti sono stati sottoposti a rivascolarizzazione carotidea (CEA n=32 e CAS n=28). Sono stati tutti valutati con DW-MRI e Mini-Mental State Examination (MMSE) test nel preoperatorio, a 24 ore, a 6 ed a 12 mesi dall’intervento. In tutti sono stati dosati i livelli sierici di NSE e S100β mediante 5 prelievi seriati nel tempo, quello basale nel preoperatorio, l’ultimo a 24 ore. L’ananlisi statistica è stata effettuata con test t di Student per confronti multipli per valori continui e con test χ2 quadro e Fisher per le variabili categoriche. Significatività P <0,05. RISULTATI: Non vi è stato alcun decesso. Un paziente del gruppo CAS ha presentato un ictus ischemico. In 6 pazienti CAS ed in 1 paziente CEA si sono osservate nuove lesioni subcliniche alla RMN-DWI post-operatoria (21,4% vs 3% p=0,03). Nel gruppo CAS le nuove lesioni presenti alla RMN sono risultate significativamente associate ad un declino del punteggio del MMSE (p=0,001). L’analisi dei livelli di NSE e S100β ha mostrato un significativo aumento a 24 ore nei pazienti CAS (P = .02). A 12 mesi i pazienti che avevano presentato nuove lesioni ischemiche nel post-operatorio hanno mostrato minor punteggio al MMSE, non statisticamente significativo. CONCLUSIONI: I neuromarkers in combinazione con MMSE e RMN-DWI possono essere utilizzati nella valutazione del declino cognitivo correlato a lesioni silenti nell’immediato postoperatorio di rivascolarizzazione carotidea. Quest’ultime dovrebbero essere valutate quindi non solo rispetto al tasso di mortalità e ictus, ma anche rispetto al tasso di microembolia.

MR in vivo tractography for the reconstruction of cranial nerves course

Aim The aim of my Ph.D. was to implement a diffusion tensor tractography (DTT) pipeline to reconstruct cranial nerve I (olfactory) to study COVID-19 patients, and anterior optic pathway (AOP, including optic nerve, chiasm, and optic tract) to study patients with sellar/parasellar tumors, and with Leber’s Hereditary Optic Neuropathy (LHON). Methods We recruited 23 patients with olfactory dysfunction after COVID-19 infection (mean age 37±14 years, 12 females); 27 patients with sellar/parasellar tumors displacing the optic chiasm eligible for endonasal endoscopic surgery (mean age 53. ±16.4 years, 13 female) and 6 LHON patients (mutation 11778/MT-ND4, mean age 24.9±15.7 years). Sex- and age-matched healthy control were also recruited. In LHON patients, optical coherence tomography (OCT) was performed. Acquisitions were performed on a clinical high field 3-T MRI scanner, using a multi-shell HARDI (High Angular Resolution Diffusion Imaging) sequence (b-values 0-300-1000-2000 s/mm2, 64 maximum gradient directions, 2mm3 isotropic voxel). DTT was performed with a multi-tissue spherical deconvolution approach and mean diffusivity (MD) DTT metrics were compared with healthy controls using an unpaired t-test. Correlations of DTT metrics with clinical data were sought by regression analysis. Results In all 23 hypo/anosmic patients with previous COVID-19 infection the CN I was successfully reconstructed with no DTT metrics alterations, thus suggesting the pathogenetic role of central olfactory cortical system dysfunction. In all 27 patients with sellar/parasellar tumors the AOP was reconstructed, and in 11/13 (84.7%) undergoing endonasal endoscopic surgery the anatomical fidelity of the reconstruction was confirmed; a significant decrease in MD within the chiasma (p<0.0001) was also found. In LHON patients a reduction of MD in the AOP was significantly associated with OCT parameters (p=0.036). Conclusions Multi-shell HARDI diffusion-weighted MRI followed by multi-tissue spherical deconvolution for the DTT reconstruction of the CN I and AOP has been implemented, and its utility demonstrated in clinical practice.

Studio neuroradiologico (morfologico e funzionale) nei pazienti con Epilessia Frontale Notturna

L'epilessia frontale notturna (EFN) è caratterizzata da crisi motorie che insorgono durante il sonno. Scopo del progetto è studiare le cause fisiopatologiche e morfo-funzionali che sottendono ai fenomeni motori nei pazienti con EFN e identificare alterazioni strutturali e/o metaboliche mediante tecniche avanzate di Risonanza Magnetica (RM). Abbiamo raccolto una casistica di pazienti con EFN afferenti al Centro Epilessia e dei Disturbi del Sonno del Dipartimento di Scienze Neurologiche, Università di Bologna. Ad ogni paziente è stato associato un controllo sano di età (± 5 anni) e sesso corrispondente. Tutti sono stati studiati mediante tecniche avanzate di RM comprendenti Spettroscopia del protone (1H-MRS), Tensore di diffusione ed imaging 3D ad alta risoluzione per analisi morfometriche. In particolare, la 1H-MRS è stata effettuata su due volumi di interesse localizzati nei talami e nel giro del cingolo anteriore. Sono stati inclusi nell’analisi finale 19 pazienti (7 M), età media 34 anni (range 19-50) e 14 controlli (6 M) età media 30 anni (range 19-40). A livello del cingolo anteriore il rapporto della concentrazione di N-Acetil-Aspartato rispetto alla Creatina (NAA/Cr) è risultato significativamente ridotto nei pazienti rispetto ai controlli (p=0,021). Relativamente all’analisi di correlazione, l'analisi tramite modelli di regressione multipla ha evidenziato che il rapporto NAA/Cr nel cingolo anteriore nei pazienti correlava con la frequenza delle crisi (p=0,048), essendo minore nei pazienti con crisi plurisettimanali/plurigiornaliere. Per interpretare il dato ottenuto è possibile solo fare delle ipotesi. L’NAA è un marker di integrità, densità e funzionalità neuronale. E’ possibile che alla base della EFN ci siano alterazioni metaboliche tessutali in precise strutture come il giro del cingolo anteriore. Questo apre nuove possibilità sull’utilizzo di strumenti di indagine basati sull’analisi di biosegnali, per caratterizzare aree coinvolte nella genesi della EFN ancora largamente sconosciute e chiarire ulteriormente l’eziologia di questo tipo di epilessia.

Fractal descriptors for quantifying brain complexity in MRI

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is the in vivo technique most commonly employed to characterize changes in brain structures. The conventional MRI-derived morphological indices are able to capture only partial aspects of brain structural complexity. Fractal geometry and its most popular index, the fractal dimension (FD), can characterize self-similar structures including grey matter (GM) and white matter (WM). Previous literature shows the need for a definition of the so-called fractal scaling window, within which each structure manifests self-similarity. This justifies the existence of fractal properties and confirms Mandelbrot’s assertion that "fractals are not a panacea; they are not everywhere". In this work, we propose a new approach to automatically determine the fractal scaling window, computing two new fractal descriptors, i.e., the minimal and maximal fractal scales (mfs and Mfs). Our method was implemented in a software package, validated on phantoms and applied on large datasets of structural MR images. We demonstrated that the FD is a useful marker of morphological complexity changes that occurred during brain development and aging and, using ultra-high magnetic field (7T) examinations, we showed that the cerebral GM has fractal properties also below the spatial scale of 1 mm. We applied our methodology in two neurological diseases. We observed the reduction of the brain structural complexity in SCA2 patients and, using a machine learning approach, proved that the cerebral WM FD is a consistent feature in predicting cognitive decline in patients with small vessel disease and mild cognitive impairment. Finally, we showed that the FD of the WM skeletons derived from diffusion MRI provides complementary information to those obtained from the FD of the WM general structure in T1-weighted images. In conclusion, the fractal descriptors of structural brain complexity are candidate biomarkers to detect subtle morphological changes during development, aging and in neurological diseases.