Elevated left and reduced right orbitomedial prefrontal fractional anisotropy in adults with bipolar disorder revealed by tract-based spatial statistics

Context - Diffusion tensor imaging (DTI) studies in adults with bipolar disorder (BD) indicate altered white matter (WM) in the orbitomedial prefrontal cortex (OMPFC), potentially underlying abnormal prefrontal corticolimbic connectivity and mood dysregulation in BD. Objective - To use tract-based spatial statistics (TBSS) to examine WM skeleton (ie, the most compact whole-brain WM) in subjects with BD vs healthy control subjects. Design - Cross-sectional, case-control, whole-brain DTI using TBSS. Setting - University research institute. Participants - Fifty-six individuals, 31 having a DSM-IV diagnosis of BD type I (mean age, 35.9 years [age range, 24-52 years]) and 25 controls (mean age, 29.5 years [age range, 19-52 years]). Main Outcome Measures - Fractional anisotropy (FA) longitudinal and radial diffusivities in subjects with BD vs controls (covarying for age) and their relationships with clinical and demographic variables. Results - Subjects with BD vs controls had significantly greater FA (t > 3.0, P = .05 corrected) in the left uncinate fasciculus (reduced radial diffusivity distally and increased longitudinal diffusivity centrally), left optic radiation (increased longitudinal diffusivity), and right anterothalamic radiation (no significant diffusivity change). Subjects with BD vs controls had significantly reduced FA (t > 3.0, P = .05 corrected) in the right uncinate fasciculus (greater radial diffusivity). Among subjects with BD, significant negative correlations (P < .01) were found between age and FA in bilateral uncinate fasciculi and in the right anterothalamic radiation, as well as between medication load and FA in the left optic radiation. Decreased FA (P < .01) was observed in the left optic radiation and in the right anterothalamic radiation among subjects with BD taking vs those not taking mood stabilizers, as well as in the left optic radiation among depressed vs remitted subjects with BD. Subjects having BD with vs without lifetime alcohol or other drug abuse had significantly decreased FA in the left uncinate fasciculus. Conclusions - To our knowledge, this is the first study to use TBSS to examine WM in subjects with BD. Subjects with BD vs controls showed greater WM FA in the left OMPFC that diminished with age and with alcohol or other drug abuse, as well as reduced WM FA in the right OMPFC. Mood stabilizers and depressed episode reduced WM FA in left-sided sensory visual processing regions among subjects with BD. Abnormal right vs left asymmetry in FA in OMPFC WM among subjects with BD, likely reflecting increased proportions of left-sided longitudinally aligned and right-sided obliquely aligned myelinated fibers, may represent a biologic mechanism for mood dysregulation in BD.

State-dependent microstructural white matter changes in bipolar I depression

Abnormalities in fronto-limbic-striatal white matter (WM) have been reported in bipolar disorder (BD), but results have been inconsistent across studies. Furthermore, there have been no detailed investigations as to whether acute mood states contribute to microstructural changes in WM tracts. In order to compare fiber density and structural integrity within WM tracts between BD depression and remission, whole-brain fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) were assessed in 37 bipolar I disorder (BD-I) patients (16 depressed and 21 remitted), and 26 healthy individuals with diffusion tensor imaging. Significantly decreased FA and increased MD in bilateral prefronto-limbic-striatal white matter and right inferior fronto-occipital, superior and inferior longitudinal fasciculi were shown in all BD-I patients versus controls, as well as in depressed BD-I patients compared to both controls and remitted BD-I patients. Depressed BD-I patients also exhibited increased FA in the ventromedial prefrontal cortex. Remitted BD-I patients did not differ from controls in FA or MD. These findings suggest that BD-I depression may be associated with acute microstructural WM changes.

An integrated functional mapping and source localization platform for brain research

The premise of this dissertation is to create a highly integrated platform that combines the most current recording technologies for brain research through the development of new algorithms for three-dimensional (3D) functional mapping and 3D source localization. The recording modalities that were integrated include: Electroencephalography (EEG), Optical Topographic Maps (OTM), Magnetic Resonance Imaging (MRI), and Diffusion Tensor Imaging (DTI). This work can be divided into two parts: The first part involves the integration of OTM with MRI, where the topographic maps are mapped to both the skull and cortical surface of the brain. This integration process is made possible through the development of new algorithms that determine the probes location on the MRI head model and warping the 2D topographic maps onto the 3D MRI head/brain model. Dynamic changes of the brain activation can be visualized on the MRI head model through a graphical user interface. The second part of this research involves augmenting a fiber tracking system, by adding the ability to integrate the source localization results generated by commercial software named Curry. This task involved registering the EEG electrodes and the dipole results to the MRI data. Such Integration will allow the visualization of fiber tracts, along with the source of the EEG, in a 3D transparent brain structure. The research findings of this dissertation were tested and validated through the participation of patients from Miami Children Hospital (MCH). Such an integrated platform presented to the medical professionals in the form of a user-friendly graphical interface is viewed as a major contribution of this dissertation. It should be emphasized that there are two main aspects to this research endeavor: (1) if a dipole could be situated in time at its different positions, its trajectory may reveal additional information on the extent and nature of the brain malfunction; (2) situating such a dipole trajectory with respect to the fiber tracks could ensure the preservation of these fiber tracks (axons) during surgical interventions, preserving as a consequence these parts of the brain that are responsible for information transmission.

Transcallosal connectivity of the human cortical motor network

The organizational and architectural configuration of white matter pathways connecting brain regions has ramifications for all facets of the human condition, including manifestations of incipient neurodegeneration. Although diffusion tensor imaging (DTI) has been used extensively to visualize white matter connectivity, due to the widespread presence of crossing fibres, the lateral projections of the corpus callosum are not normally detected using this methodology. Detailed knowledge of the transcallosal connectivity of the human cortical motor network has therefore remained elusive. We employed constrained spherical deconvolution (CSD) tractography - an approach that is much less susceptible to the influence of crossing fibres, in order to derive complete in-vivo characterizations of white matter pathways connecting specific motor cortical regions to their counterparts and other loci in the opposite hemisphere. The revealed patterns of connectivity closely resemble those derived from anatomical tracing in primates. It was established that dorsal premotor cortex (PMd) and supplementary motor area (SMA) have extensive interhemispheric connectivity - exhibiting both dense homologous projections, and widespread structural relations with every other region in the contralateral motor network. Through this in-vivo portrayal, the importance of non-primary motor regions for interhemispheric communication is emphasized. Additionally, distinct connectivity profiles were detected for the anterior and posterior subdivisions of primary motor cortex. The present findings provide a comprehensive representation of transcallosal white matter projections in humans, and have the potential to inform the development of models and hypotheses relating structural and functional brain connectivity.

Modifications neurométaboliques et microstructurales à la suite d'une commotion cérébrale chez les athlètes féminines.

L’utilisation de méthodes d’investigation cérébrale avancées a permis de mettre en évidence la présence d’altérations à court et à long terme à la suite d’une commotion cérébrale. Plus spécifiquement, des altérations affectant l’intégrité de la matière blanche et le métabolisme cellulaire ont récemment été révélées par l’utilisation de l’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), respectivement. Ces atteintes cérébrales ont été observées chez des athlètes masculins quelques jours après la blessure à la tête et demeuraient détectables lorsque les athlètes étaient à nouveau évalués six mois post-commotion. En revanche, aucune étude n’a évalué les effets neurométaboliques et microstructuraux dans la phase aigüe et chronique d’une commotion cérébrale chez les athlètes féminines, malgré le fait qu’elles présentent une susceptibilité accrue de subir ce type de blessure, ainsi qu’un nombre plus élevé de symptômes post-commotionnels et un temps de réhabilitation plus long. Ainsi, les études composant le présent ouvrage visent globalement à établir le profil d’atteintes microstructurales et neurométaboliques chez des athlètes féminines par l’utilisation du DTI et de la SRM. La première étude visait à évaluer les changements neurométaboliques au sein du corps calleux chez des joueurs et joueuses de hockey au cours d’une saison universitaire. Les athlètes ayant subi une commotion cérébrale pendant la saison ont été évalués 72 heures, 2 semaines et 2 mois après la blessure à la tête en plus des évaluations pré et post-saison. Les résultats démontrent une absence de différences entre les athlètes ayant subi une commotion cérébrale et les athlètes qui n’en ont pas subie. De plus, aucune différence entre les données pré et post-saison a été observée chez les athlètes masculins alors qu’une diminution du taux de N-acetyl aspartate (NAA) n’a été mise en évidence chez les athlètes féminines, suggérant ainsi un impact des coups d’intensité sous-clinique à la tête. La deuxième étude, qui utilisait le DTI et la SRM, a révélé des atteintes chez des athlètes féminines commotionnées asymptomatiques en moyenne 18 mois post-commotion. Plus spécifiquement, la SRM a révélé une diminution du taux de myo-inositol (mI) au sein de l’hippocampe et du cortex moteur primaire (M1) alors que le DTI a mis en évidence une augmentation de la diffusivité moyenne (DM) dans plusieurs faisceaux de matière blanche. De iii plus, une approche par région d’intérêt a mis en évidence une diminution de la fraction d’anisotropie (FA) dans la partie du corps calleux projetant vers l’aire motrice primaire. Le troisième article évaluait des athlètes ayant subi une commotion cérébrale dans les jours suivant la blessure à la tête (7-10 jours) ainsi que six mois post-commotion avec la SRM. Dans la phase aigüe, des altérations neuropsychologiques combinées à un nombre significativement plus élevé de symptômes post-commotionnels et dépressifs ont été trouvés chez les athlètes féminines commotionnées, qui se résorbaient en phase chronique. En revanche, aucune différence sur le plan neurométabolique n’a été mise en évidence entre les deux groupes dans la phase aigüe. Dans la phase chronique, les athlètes commotionnées démontraient des altérations neurométaboliques au sein du cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) et M1, marquées par une augmentation du taux de glutamate/glutamine (Glx). De plus, une diminution du taux de NAA entre les deux temps de mesure était présente chez les athlètes contrôles. Finalement, le quatrième article documentait les atteintes microstructurales au sein de la voie corticospinale et du corps calleux six mois suivant une commotion cérébrale. Les analyses n’ont démontré aucune différence au sein de la voie corticospinale alors que des différences ont été relevées par segmentation du corps calleux selon les projections des fibres calleuses. En effet, les athlètes commotionnées présentaient une diminution de la DM et de la diffusivité radiale (DR) au sein de la région projetant vers le cortex préfrontal, un volume moindre des fibres de matière blanche dans la région projetant vers l’aire prémotrice et l’aire motrice supplémentaire, ainsi qu’une diminution de la diffusivité axiale (DA) dans la région projetant vers l’aire pariétale et temporale. En somme, les études incluses dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets métaboliques et microstructuraux des commotions cérébrales et démontrent des effets délétères persistants chez des athlètes féminines. Ces données vont de pair avec la littérature scientifique qui suggère que les commotions cérébrales n’entraînent pas seulement des symptômes temporaires.

Neuroreceptor availability and cerebral morphology in human obesity

Obesity is a major challenge to human health worldwide. Little is known about the brain mechanisms that are associated with overeating and obesity in humans. In this project, multimodal neuroimaging techniques were utilized to study brain neurotransmission and anatomy in obesity. Bariatric surgery was used as an experimental method for assessing whether the possible differences between obese and non-obese individuals change following the weight loss. This could indicate whether obesity-related altered neurotransmission and cerebral atrophy are recoverable or whether they represent stable individual characteristics. Morbidly obese subjects (BMI ≥ 35 kg/m2) and non-obese control subjects (mean BMI 23 kg/m2) were studied with positron emission tomography (PET) and magnetic resonance imaging (MRI). In the PET studies, focus was put on dopaminergic and opioidergic systems, both of which are crucial in the reward processing. Brain dopamine D2 receptor (D2R) availability was measured using [11C]raclopride and µ-opioid receptor (MOR) availability using [11C]carfentanil. In the MRI studies, voxel-based morphometry (VBM) of T1-weighted MRI images was used, coupled with diffusion tensor imaging (DTI). Obese subjects underwent bariatric surgery as their standard clinical treatment during the study. Preoperatively, morbidly obese subjects had significantly lower MOR availability but unaltered D2R availability in several brain regions involved in reward processing, including striatum, insula, and thalamus. Moreover, obesity disrupted the interaction between the MOR and D2R systems in ventral striatum. Bariatric surgery and concomitant weight loss normalized MOR availability in the obese, but did not influence D2R availability in any brain region. Morbidly obese subjects had also significantly lower grey and white matter densities globally in the brain, but more focal changes were located in the areas associated with inhibitory control, reward processing, and appetite. DTI revealed also signs of axonal damage in the obese in corticospinal tracts and occipito-frontal fascicles. Surgery-induced weight loss resulted in global recovery of white matter density as well as more focal recovery of grey matter density among obese subjects. Altogether these results show that the endogenous opioid system is fundamentally linked to obesity. Lowered MOR availability is likely a consequence of obesity and may mediate maintenance of excessive energy uptake. In addition, obesity has adverse effects on brain structure. Bariatric surgery however reverses MOR dysfunction and recovers cerebral atrophy. Understanding the opioidergic contribution to overeating and obesity is critical for developing new psychological or pharmacological treatments for obesity. The actual molecular mechanisms behind the positive change in structure and neurotransmitter function still remain unclear and should be addressed in the future research.

Modifications neurométaboliques et microstructurales à la suite d'une commotion cérébrale chez les athlètes féminines

L’utilisation de méthodes d’investigation cérébrale avancées a permis de mettre en évidence la présence d’altérations à court et à long terme à la suite d’une commotion cérébrale. Plus spécifiquement, des altérations affectant l’intégrité de la matière blanche et le métabolisme cellulaire ont récemment été révélées par l’utilisation de l’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), respectivement. Ces atteintes cérébrales ont été observées chez des athlètes masculins quelques jours après la blessure à la tête et demeuraient détectables lorsque les athlètes étaient à nouveau évalués six mois post-commotion. En revanche, aucune étude n’a évalué les effets neurométaboliques et microstructuraux dans la phase aigüe et chronique d’une commotion cérébrale chez les athlètes féminines, malgré le fait qu’elles présentent une susceptibilité accrue de subir ce type de blessure, ainsi qu’un nombre plus élevé de symptômes post-commotionnels et un temps de réhabilitation plus long. Ainsi, les études composant le présent ouvrage visent globalement à établir le profil d’atteintes microstructurales et neurométaboliques chez des athlètes féminines par l’utilisation du DTI et de la SRM. La première étude visait à évaluer les changements neurométaboliques au sein du corps calleux chez des joueurs et joueuses de hockey au cours d’une saison universitaire. Les athlètes ayant subi une commotion cérébrale pendant la saison ont été évalués 72 heures, 2 semaines et 2 mois après la blessure à la tête en plus des évaluations pré et post-saison. Les résultats démontrent une absence de différences entre les athlètes ayant subi une commotion cérébrale et les athlètes qui n’en ont pas subie. De plus, aucune différence entre les données pré et post-saison a été observée chez les athlètes masculins alors qu’une diminution du taux de N-acetyl aspartate (NAA) n’a été mise en évidence chez les athlètes féminines, suggérant ainsi un impact des coups d’intensité sous-clinique à la tête. La deuxième étude, qui utilisait le DTI et la SRM, a révélé des atteintes chez des athlètes féminines commotionnées asymptomatiques en moyenne 18 mois post-commotion. Plus spécifiquement, la SRM a révélé une diminution du taux de myo-inositol (mI) au sein de l’hippocampe et du cortex moteur primaire (M1) alors que le DTI a mis en évidence une augmentation de la diffusivité moyenne (DM) dans plusieurs faisceaux de matière blanche. De iii plus, une approche par région d’intérêt a mis en évidence une diminution de la fraction d’anisotropie (FA) dans la partie du corps calleux projetant vers l’aire motrice primaire. Le troisième article évaluait des athlètes ayant subi une commotion cérébrale dans les jours suivant la blessure à la tête (7-10 jours) ainsi que six mois post-commotion avec la SRM. Dans la phase aigüe, des altérations neuropsychologiques combinées à un nombre significativement plus élevé de symptômes post-commotionnels et dépressifs ont été trouvés chez les athlètes féminines commotionnées, qui se résorbaient en phase chronique. En revanche, aucune différence sur le plan neurométabolique n’a été mise en évidence entre les deux groupes dans la phase aigüe. Dans la phase chronique, les athlètes commotionnées démontraient des altérations neurométaboliques au sein du cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) et M1, marquées par une augmentation du taux de glutamate/glutamine (Glx). De plus, une diminution du taux de NAA entre les deux temps de mesure était présente chez les athlètes contrôles. Finalement, le quatrième article documentait les atteintes microstructurales au sein de la voie corticospinale et du corps calleux six mois suivant une commotion cérébrale. Les analyses n’ont démontré aucune différence au sein de la voie corticospinale alors que des différences ont été relevées par segmentation du corps calleux selon les projections des fibres calleuses. En effet, les athlètes commotionnées présentaient une diminution de la DM et de la diffusivité radiale (DR) au sein de la région projetant vers le cortex préfrontal, un volume moindre des fibres de matière blanche dans la région projetant vers l’aire prémotrice et l’aire motrice supplémentaire, ainsi qu’une diminution de la diffusivité axiale (DA) dans la région projetant vers l’aire pariétale et temporale. En somme, les études incluses dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets métaboliques et microstructuraux des commotions cérébrales et démontrent des effets délétères persistants chez des athlètes féminines. Ces données vont de pair avec la littérature scientifique qui suggère que les commotions cérébrales n’entraînent pas seulement des symptômes temporaires.

High-resolution magnetic resonance imaging quantitatively detects individual pancreatic islets.

OBJECTIVE-We studied whether manganese-enhanced high-field magnetic resonance (MR) imaging (MEHFMRI) could quantitatively detect individual islets in situ and in vivo and evaluate changes in a model of experimental diabetes.RESEARCH DESIGN AND METHODS-Whole pancreata from untreated (n = 3), MnCl(2) and glucose-injected mice (n = 6), and mice injected with either streptozotocin (STZ; n = 4) or citrate buffer (n = 4) were imaged ex vivo for unambiguous evaluation of islets. Exteriorized pancreata of MnCl(2) and glucose-injected mice (n = 6) were imaged in vivo to directly visualize the gland and minimize movements. In all cases, MR images were acquired in a 14.1 Testa scanner and correlated with the corresponding (immuno)histological sections.RESULTS-In ex vivo experiments, MEHFMRI distinguished different pancreatic tissues and evaluated the relative abundance of islets in the pancreata of normoglycemic mice. MEHFMRI also detected a significant decrease in the numerical and volume density of islets in STZ-injected mice. However, in the latter measurements the loss of beta-cells was undervalued under the conditions tested. The experiments on the externalized pancreata confirmed that MEHFMRI could visualize native individual islets in living, anesthetized mice.CONCLUSIONS-Data show that MEHFMRI quantitatively visualizes individual islets in the intact mouse pancreas, both ex vivo and in vivo. Diabetes 60:2853-2860, 2011

Analysis of diffusion tensor magnetic resonance imaging data using principal component analysis

An analysis method for diffusion tensor (DT) magnetic resonance imaging data is described, which, contrary to the standard method (multivariate fitting), does not require a specific functional model for diffusion-weighted (DW) signals. The method uses principal component analysis (PCA) under the assumption of a single fibre per pixel. PCA and the standard method were compared using simulations and human brain data. The two methods were equivalent in determining fibre orientation. PCA-derived fractional anisotropy and DT relative anisotropy had similar signal-to-noise ratio (SNR) and dependence on fibre shape. PCA-derived mean diffusivity had similar SNR to the respective DT scalar, and it depended on fibre anisotropy. Appropriate scaling of the PCA measures resulted in very good agreement between PCA and DT maps. In conclusion, the assumption of a specific functional model for DW signals is not necessary for characterization of anisotropic diffusion in a single fibre.

Forensic application of postmortem diffusion-weighted and diffusion tensor MR imaging of the human brain in situ

DWI and DTI of the brain have proved to be useful in many neurologic disorders and in traumatic brain injury. This prospective study aimed at the evaluation of the influence of the PMI and the cause of death on the ADC and FA for the application of DWI and DTI in forensic radiology.

A new registration method based on Log-Euclidean tensor metrics and its application to genetic studies

In structural brain MRI, group differences or changes in brain structures can be detected using Tensor-Based Morphometry (TBM). This method consists of two steps: (1) a non-linear registration step, that aligns all of the images to a common template, and (2) a subsequent statistical analysis. The numerous registration methods that have recently been developed differ in their detection sensitivity when used for TBM, and detection power is paramount in epidemological studies or drug trials. We therefore developed a new fluid registration method that computes the mappings and performs statistics on them in a consistent way, providing a bridge between TBM registration and statistics. We used the Log-Euclidean framework to define a new regularizer that is a fluid extension of the Riemannian elasticity, which assures diffeomorphic transformations. This regularizer constrains the symmetrized Jacobian matrix, also called the deformation tensor. We applied our method to an MRI dataset from 40 fraternal and identical twins, to revealed voxelwise measures of average volumetric differences in brain structure for subjects with different degrees of genetic resemblance.

Brain fiber architecture, genetics, and intelligence: a high angular resolution diffusion imaging (HARDI) study

We developed an analysis pipeline enabling population studies of HARDI data, and applied it to map genetic influences on fiber architecture in 90 twin subjects. We applied tensor-driven 3D fluid registration to HARDI, resampling the spherical fiber orientation distribution functions (ODFs) in appropriate Riemannian manifolds, after ODF regularization and sharpening. Fitting structural equation models (SEM) from quantitative genetics, we evaluated genetic influences on the Jensen-Shannon divergence (JSD), a novel measure of fiber spatial coherence, and on the generalized fiber anisotropy (GFA) a measure of fiber integrity. With random-effects regression, we mapped regions where diffusion profiles were highly correlated with subjects' intelligence quotient (IQ). Fiber complexity was predominantly under genetic control, and higher in more highly anisotropic regions; the proportion of genetic versus environmental control varied spatially. Our methods show promise for discovering genes affecting fiber connectivity in the brain.

Diffusion imaging protocol effects on genetic associations

Large multi-site image-analysis studies have successfully discovered genetic variants that affect brain structure in tens of thousands of subjects scanned worldwide. Candidate genes have also associated with brain integrity, measured using fractional anisotropy in diffusion tensor images (DTI). To evaluate the heritability and robustness of DTI measures as a target for genetic analysis, we compared 417 twins and siblings scanned on the same day on the same high field scanner (4-Tesla) with two protocols: (1) 94-directions; 2mm-thick slices, (2) 27-directions; 5mm-thickness. Using mean FA in white matter ROIs and FA skeletons derived using FSL, we (1) examined differences in voxelwise means, variances, and correlations among the measures; and (2) assessed heritability with structural equation models, using the classical twin design. FA measures from the genu of the corpus callosum were highly heritable, regardless of protocol. Genome-wide analysis of the genu mean FA revealed differences across protocols in the top associations.