Anatomo-functional magnetic resonance imaging of the spinal cord and its application to the characterization of spinal lesions in cats

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique.

Corpus callosum in maltreated children with posttraumatic stress disorder: A diffusion tensor imaging study

Contrary to expectations derived from preclinical studies of the effects of stress, and imaging studies of adults with posttraumatic stress disorder (PTSD), there is no evidence of hippocampus atrophy in children with PTSD. Multiple pediatric studies have reported reductions in the corpus callosum - the primary white matter tract in the brain. Consequently, in the present study, diffusion tensor imaging was used to assess white matter integrity in the corpus callosum in 17 maltreated children with PTSD and 15 demographically matched normal controls. Children with PTSD had reduced fractional anisotropy in the medial and posterior corpus, a region which contains interhemispheric projections from brain structures involved in circuits that mediate the processing of emotional stimuli and various memory functions - core disturbances associated with a history of trauma. Further exploration of the effects of stress on the corpus callosum and white matter development appears a promising strategy to better understand the pathophysiology of PTSD in children. (C) 2007 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Eye movement and diffusion tensor imaging analysis of treatment effects in a Niemann-Pick Type C patient

New treatment options for Niemann-Pick Type C (NPC) have recently become available. To assess the efficiency and efficacy of these new treatment markers for disease status and progression are needed. Both the diagnosis and the monitoring of disease progression are challenging and mostly rely on clinical impression and functional testing of horizontal eye movements. Diffusion tensor imaging (DTI) provides information about the microintegrity especially of white matter. We show here in a case report how DTI and measures derived from this imaging method can serve as adjunct quantitative markers for disease management in Niemann-Pick Type C. Two approaches are taken--first, we compare the fractional anisotropy (FA) in the white matter globally between a 29-year-old NPC patient and 18 healthy age-matched controls and show the remarkable difference in FA relatively early in the course of the disease. Second, a voxelwise comparison of FA values reveals where white matter integrity is compromised locally and demonstrate an individualized analysis of FA changes before and after 1year of treatment with Miglustat. This method might be useful in future treatment trials for NPC to assess treatment effects.

Diffusion tensor imaging of cocaine-treated rodents.

Studies in cocaine-dependent human subjects have shown differences in white matter on diffusion tensor imaging (DTI) compared with non-drug-using controls. It is not known whether the differences in fractional anisotropy (FA) seen on DTI in white matter regions of cocaine-dependent humans result from a pre-existing predilection for drug use or purely from cocaine abuse. To study the effect of cocaine on brain white matter, DTI was performed on 24 rats after continuous infusion of cocaine or saline for 4 weeks, followed by brain histology. Voxel-based morphometry analysis showed an 18% FA decrease in the splenium of the corpus callosum (CC) in cocaine-treated animals relative to saline controls. On histology, significant increase in neurofilament expression (125%) and decrease in myelin basic protein (40%) were observed in the same region in cocaine-treated animals. This study supports the hypothesis that chronic cocaine use alters white matter integrity in human CC. Unlike humans, where the FA in the genu differed between cocaine users and non-users, the splenium was affected in rats. These differences between rodent and human findings could be due to several factors that include differences in the brain structure and function between species and/or the dose, timing, and duration of cocaine administration.

In vivo longitudinal studies of spinal cord injury and vascular endothelial growth factor treatment

Approximately 12,000 new cases of spinal cord injury (SCI) are added each year to the estimated 259,000 Americans living with SCI. The majority of these patients return to society, their lives forever changed by permanent loss of sensory and motor function. While there are no FDA approved drugs for the treatment of SCI or a universally accepted standard therapy, the current though controversial treatment includes the delivery of high dosages of the corticosteroid methyliprednisolone sodium succinate, surgical interventions to stabilize the spinal column, and physical rehabilitation. It is therefore critically important to fully understand the pathology of injury and determine novel courses and rationally-based therapies for SCI. ^ Vascular endothelial growth factor (VEGF) is an attractive target for treating central nervous system (CNS) injury and disease because it has been shown to influence angiogenesis and neuroprotection. Preliminary studies have indicated that increased vasculature may be associated with functional recovery; therefore exogenous delivery of a pro-angiogenic growth factor such as VEGF may improve neurobehavioral outcome. In addition, VEGF may provide protection from secondary injury and result in increased survival and axonal sprouting. ^ In these studies, SCI rats received acute intraspinal injections of VEGF, the antibody to VEGF, or vehicle control. The effect of these various agents was investigated using longitudinalmulti-modal magnetic resonance imaging (MRI), neuro- and sensory behavioral assays, and end point immunohistochemistry. We found that rats that received VEGF after SCI had increased tissue sparing and improved white matter integrity at the earlier time points as shown by advanced magnetic resonance imaging (MRI) techniques. However, these favorable effects of VEGF were not maintained, suggesting that additional treatments with VEGF at multiple time points may be more beneficial, Histological examinations revealed that VEGF treatment may result in increased oligodendrogenesis and therefore may eventually lead to remyelination and improved functional outcome. ^ On the neurobehavioral studies, treatments with VEGF and Anti-VEGF did not significantly affect performance on tests of open-field locomotion, grid walk, inclined plane, or rearing. However, VEGF treatment resulted in significantly increased incidence of chronic neuropathic pain. This phenomenon could possibly be attributed to the fact that VEGF treatment may promote axonal sprouting and also results in tissue sparing, thereby providing a substrate for the growth of new axons. New connections made by these sprouting axons may involve components of pathways involved in the transmission of pain and therefore result in increased pain in those animals. ^

Structural changes after videogame practice related to a brain network associated with intelligence

Here gray and white matter changes after four weeks of videogame practice were analyzed using optimized voxel-based morphometry (VBM), cortical surface and cortical thickness indices, and white matter integrity computed from several projection, commissural, and association tracts relevant to cognition. Beginning with a sample of one hundred young females, twenty right handed participants were recruited for the study and assigned to a practice or a control group carefully matched by their general cognitive ability scores. After the first scan, the practice group played ‘Professor Layton and The Pandora's Box’ 4 h per week during four weeks. A second scan was obtained at the end of practice and intelligence was measured again. Image analyses revealed gray and white matter changes in the practice group. Gray matter changes theoretically relevant for intelligence were observed for the practice group mainly in frontal clusters (Brodmann areas 9 and 10) and also in smaller parietal and temporal regions. White matter findings were focused in the hippocampal cingulum and the inferior longitudinal fasciculus. These gray and white matter changes presumably induced by practice did not interact with intelligence tests' scores.

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.

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.

White and gray matter development in human fetal, newborn and pediatric brains

Brain anatomy is characterized by dramatic growth from the end of the second trimester through the neonatal stage. The characterization of normal axonal growth of the white matter tracts has not been well-documented to date and could provide important clues to understanding the extensive inhomogeneity of white matter injuries in cerebral palsy (CP) patients. However, anatomical studies of human brain development during this period are surprisingly scarce and histology-based atlases have become available only recently. Diffusion tensor magnetic resonance imaging (DTMRI) can reveal detailed anatomy of white matter. We acquired diffusion tensor images (DTI) of postmortem fetal brain samples and in vivo neonates and children. Neural structures were annotated in two-dimensional (2D) slices, segmented, measured, and reconstructed three-dimensionally (3D). The growth status of various white matter tracts was evaluated on cross-sections at 19-20 gestational weeks, and compared with 0-month-old neonates and 5- to 6-year-old children. Limbic, commissural, association, and projection white matter tracts and gray matter structures were illustrated in 3D and quantitatively characterized to assess their dynamic changes. The overall pattern of the time courses for the development of different white matter is that limbic fibers develop first and association fibers last and commissural and projection fibers are forming from anterior to posterior part of the brain. The resultant DTNIRI-based 3D human brain data will be a valuable resource for human brain developmental study and will provide reference standards for diagnostic radiology of premature newborns. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Cerebellar grey-matter deficits, cannabis use and first-episode schizophrenia in adolescents and young adults

Epidemiological data link adolescent cannabis use to psychosis and schizophrenia, but its contribution to schizophrenia neuropathology remains controversial. First-episode schizophrenia (FES) patients show regional cerebral grey- and white-matter changes as well as a distinct pattern of regional grey-matter loss in the vermis of the cerebellum. The cerebellum possesses a high density of cannabinoid type 1 receptors involved in the neuronal diversification of the developing brain. Cannabis abuse may interfere with this process during adolescent brain maturation leading to ‘schizophrenia-like’ cerebellar pathology. Magnetic resonance imaging and cortical pattern matching techniques were used to investigate cerebellar grey and white matter in FES patients with and without a history of cannabis use and non-psychiatric cannabis users. In the latter group we found lifetime dose-dependent regional reduction of grey matter in the right cerebellar lobules and a tendency for more profound grey-matter reduction in lobule III with younger age at onset of cannabis use. The overall regional grey-matter differences in cannabis users were within the normal variability of grey-matter distribution. By contrast, FES subjects had lower total cerebellar grey-matter : total cerebellar volume ratio and marked grey-matter loss in the vermis, pedunculi, flocculi and lobules compared to pair-wise matched healthy control subjects. This pattern and degree of grey-matter loss did not differ from age-matched FES subjects with comorbid cannabis use. Our findings indicate small dose-dependent effects of juvenile cannabis use on cerebellar neuropathology but no evidence of an additional effect of cannabis use on FES cerebellar grey-matter pathology.

Cerebellar grey matter deficits in first-episode schizophrenia mapped using cortical pattern matching

Cerebellar dysfunction has been proposed to lead to “cognitive dysmetria” in schizophrenia via the cortico-cerebellar-thalamic-cortical circuit, contributing to a range of cognitive and clinical symptoms of the disorder. Here we investigated total cerebellar grey and white matter volumes and cerebellar regional grey matter abnormalities in 13 remitted first-episode schizophrenia patients with less than 2 years’ duration of illness. Patient data were compared to 13 pair-wise age, gender, and handedness-matched healthy volunteers using cortical pattern averaging on high-resolution magnetic resonance images. Total cerebellar volume and total grey matter volumes in first-episode schizophrenia patients did not differ from healthy control subjects, but total cerebellar white matter was increased and total grey to white matter ratios were reduced in patients. Four clusters of cerebellar grey matter reduction were identified: (i) in superior vermis; (ii) in the left lobuli VI; (iii) in right-inferior lobule IX, extending into left lobule IX; and (iv) bilaterally in the areas of lobuli III, peduncle and left flocculus. Grey matter deficits were particularly prominent in right lobuli III and IX, left flocculus and bilateral pedunculi. These cerebellar areas have been implicated in attention control, emotional regulation, social functioning, initiation of smooth pursuit eye movements, eye-blink conditioning, language processing, verbal memory, executive function and the processing of spatial and emotional information. Consistent with common clinical, cognitive, and pathophysiological signs of established illness, our findings demonstrate cerebellar pathology as early as in first-episode schizophrenia.

Gene network effects on brain microstructure and intellectual performance identified in 472 twins

A major challenge in neuroscience is finding which genes affect brain integrity, connectivity, and intellectual function. Discovering influential genes holds vast promise for neuroscience, but typical genome-wide searches assess approximately one million genetic variants one-by-one, leading to intractable false positive rates, even with vast samples of subjects. Even more intractable is the question of which genes interact and how they work together to affect brain connectivity. Here, we report a novel approach that discovers which genes contribute to brain wiring and fiber integrity at all pairs of points in a brain scan. We studied genetic correlations between thousands of points in human brain images from 472 twins and their nontwin siblings (mean age: 23.7 2.1 SD years; 193 male/279 female).Wecombined clustering with genome-wide scanning to find brain systems withcommongenetic determination.Wethen filtered the image in a new way to boost power to find causal genes. Using network analysis, we found a network of genes that affect brain wiring in healthy young adults. Our new strategy makes it computationally more tractable to discover genes that affect brain integrity. The gene network showed small-world and scale-free topologies, suggesting efficiency in genetic interactions and resilience to network disruption. Genetic variants at hubs of the network influence intellectual performance by modulating associations between performance intelligence quotient and the integrity of major white matter tracts, such as the callosal genu and splenium, cingulum, optic radiations, and the superior longitudinal fasciculus.

Brain structure in healthy adults is related to serum transferrin and the H63D polymorphism in the HFE gene

Control of iron homeostasis is essential for healthy central nervous system function: iron deficiency is associated with cognitive impairment, yet iron overload is thought to promote neurodegenerative diseases. Specific genetic markers have been previously identified that influence levels of transferrin, the protein that transports iron throughout the body, in the blood and brain. Here, we discovered that transferrin levels are related to detectable differences in the macro- and microstructure of the living brain. We collected brain MRI scans from 615 healthy young adult twins and siblings, of whom 574 were also scanned with diffusion tensor imaging at 4 Tesla. Fiber integrity was assessed by using the diffusion tensor imaging-based measure of fractional anisotropy. In bivariate genetic models based on monozygotic and dizygotic twins, we discovered that partially overlapping additive genetic factors influenced transferrin levels and brain microstructure. We also examined common variants in genes associated with transferrin levels, TF and HFE, and found that a commonly carried polymorphism (H63D at rs1799945) in the hemochromatotic HFE gene was associated with white matter fiber integrity. This gene has a well documented association with iron overload. Our statistical maps reveal previously unknown influences of the same gene on brain microstructure and transferrin levels. This discovery may shed light on the neural mechanisms by which iron affects cognition, neurodevelopment, and neurodegeneration.

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.

Tracking the arcuate fasciculus in patients with aphasia

The arcuate fasciculus (AF), a white matter tract linking temporal and inferior frontal language cortices, can be disrupted in stroke patients suffering from aphasia. Using diffusion tensor imaging (DTI) tractography it is possible to track AF connections to neural regions associated with either phonological or semantic linguistic processing. The aim of the current study is to investigate the relationship between integrity of white matter microstructure and specific linguistic deficits.