Microstructure of the superior longitudinal fasciculus predicts stimulation-induced interference with on-line motor control.

A cortical visuomotor network, comprising the medial intraparietal sulcus (mIPS) and the dorsal premotor area (PMd), encodes the sensorimotor transformations required for the on-line control of reaching movements. How information is transmitted between these two regions and which pathways are involved, are less clear. Here, we use a multimodal approach combining repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) and diffusion tensor imaging (DTI) to investigate whether structural connectivity in the 'reaching' circuit is associated to variations in the ability to control and update a movement. We induced a transient disruption of the neural processes underlying on-line motor adjustments by applying 1Hz rTMS over the mIPS. After the stimulation protocol, participants globally showed a reduction of the number of corrective trajectories during a reaching task that included unexpected visual perturbations. A voxel-based analysis revealed that participants exhibiting higher fractional anisotropy (FA) in the second branch of the superior longitudinal fasciculus (SLF II) suffered less rTMS-induced behavioral impact. These results indicate that the microstructural features of the white matter bundles within the parieto-frontal 'reaching' circuit play a prominent role when action reprogramming is interfered. Moreover, our study suggests that the structural alignment and cohesion of the white matter tracts might be used as a predictor to characterize the extent of motor impairments.

Redox dysregulation in schizophrenia : effect on myelination of cortical structures and connectivity

Cette thèse traite du rôle qu'un facteur de risque génétique développé chez les patients souffrant de schizophrénie, à savoir un déficit de la synthèse du glutathion, peut jouer dans les anomalies de la connectivité cérébrale trouvées chez ces patients. L'essentiel du travail a été consacré à évaluer la structure de la substance blanche dans l'ensemble du cerveau chez un modèle animal par une méthode similaire à celle utilisée en recherche clinique avec l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette approche de translation inverse chez la souris knock-out de glutamate-cystéine ligase modulateur sous-unité (Gclm KO), avait l'objectif d'étudier l'effet des défenses redox déficientes sur le développement des connexions cérébrales, tout en excluant celui des facteurs non liés au génotype. Après avoir établi le protocole de recherche, l'influence d'une manipulation environnementale a également été étudiée. Pour effectuer une analyse statistique fiable des données d'IRM obtenues, nous .avons d'abord créé un atlas du cerveau de la souris afin de l'utiliser comme modèle pour une segmentation précise des différentes régions du cerveau sur les images IRM obtenues in vivo. Les données provenant de chaque région d'intérêt ont ensuite été étudiées séparément. La qualité de cette méthode a été évaluée dans une expérience de simulation pour déduire la puissance statistique réalisable dans chaque région en fonction du nombre d'animaux utilisés. Ces outils d'analyse nous ont permis d'évaluer l'intégrité de la substance blanche dans le cerveau des souris durant le développement grâce à une expérience longitudinale, en utilisant l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI). Nous avons ainsi observé des anomalies dans les paramètres dérivés du tenseur (diffusivité et anisotropie) dans la Commissure Antérieure et le Fimbria/Fornix des souris Gclm KO, par rapport aux animaux contrôles. Ces résultats suggèrent une substance blanche endommagée dans ces régions. Dans une expérience électrophysiologique, Pascal Steullet a montré que ces anomalies ont des conséquences fonctionnelles caractérisées par une réduction de la vitesse de conduction dans les fibres nerveuses. Ces données renforcent les conclusions des analyses d'imagerie. Le mécanisme par lequel une dérégulation redox affecte la structure de la substance blanche reste encore à définir, car une analyse immunohistochimique des protéines constituantes de la couche de myéline des fibres concernées n'a pas donné de résultats concluants. Nous avons également constaté un élargissement des ventricules dans les jeunes souris Gclm KO, mais pas chez les adultes et des anomalies neurochimiques déjà connues chez ces animaux (Duarte et al. 2011), à savoir une réduction du Glutathion et une augmentation de l'acide N-acétylaspartique, de l'Alanine et du ratio Glutamine/Glutamate. Nous avons ensuite testé l'effet d'un stress environnemental supplémentaire, l'élevage en isolement social, sur le phénotype. Ce stress n'a eu aucun effet sur la structure de la substance blanche évaluée par DTI, mais a réduit la concentration de myo-Inositol et augmenté le ratio de Glutamine/Glutamate dans le cortex frontal. Nous avons aussi reproduit dans ce groupe indépendant d'animaux les effets du génotype sur le profil neurochimique, sur la taille des ventricules et aussi sur les paramètres dérivés du tenseur de diffusion dans le Fimbria/Fornix, mais pas dans la Commissure Antérieure. Nos résultats montrent qu'une dérégulation redox d'origine génétique perturbe la structure et la fonction de la substance blanche dans des régions spécifiques, causant ainsi l'élargissement des ventricules. Ces phénotypes rassemblent certaines caractéristiques neuro-anatomiques de la schizophrénie, mais les mécanismes qui en sont responsables demeurent encore inconnus. L'isolement social n'a pas d'effet sur la structure de la substance blanche évaluée par DTI, alors qu'il est prouvé qu'il affecte la maturation des oligodendrocytes. La neurochimie corticale et en particulier le rapport Glutamine/Glutamate a été affecté par le dérèglement redox ainsi que par l'isolement social. En conséquence, ce ratio représente un indice prometteur dans la recherche sur l'interaction du stress environnemental avec le déséquilibre redox dans le domaine de la schizophrénie. -- The present doctoral thesis is concerned with the role that a genetic risk factor for the development of schizophrenia, namely a deficit in Glutathione synthesis, may play in the anomalies of brain connectivity found in patients. Most of the effort was devoted to perform a whole-brain assessment of white matter structure in the Glutamate-Cysteine ligase modulatory knockout mouse model (Gclm KO) using Magnetic Resonance Imaging (MRI) techniques similar to those used in state-of-the-art clinical research. Such reverse translational approach taking brain imaging from the bedside to the bench aimed to investigate the role that deficient redox defenses may play in the development of brain connections while excluding all influencing factors beside the genotype. After establishing the protocol, the influence of further environmental manipulations was also studied. Analysis of MRI images acquired in vivo was one of the main challenges of the project. Our strategy consisted in creating an atlas of the mouse brain to use as segmentation guide and then analyze the data from each region of interest separately. The quality of the method was assessed in a simulation experiment by calculating the statistical power achievable in each brain region at different sample sizes. This analysis tool enabled us to assess white matter integrity in the mouse brain along development in a longitudinal experiment using Diffusion Tensor Imaging (DTI). We discovered anomalies in diffusivity parameters derived from the tensor in the Anterior Commissure and Fimbria/Fornix of Gclm KO mice when compared to wild-type animals, which suggest that the structure of these tracts is compromised in the KO mice. In an elegant electrophysiological experiment, Pascal Steullet has provided evidence that these anomalies have functional consequences in form of reduced conduction velocity in the concerned tracts, thus supporting the DTI findings. The mechanism by which redox dysregulation affects WM structure remains unknown, for the immunohistochemical analysis of myelin constituent proteins in the concerned tracts produced inconclusive results. Our experiments also detected an enlargement of the lateral ventricles in young but not adult Gclm KO mice and confirmed neurochemical anomalies already known to affect this animals (Duarte et al. 2011), namely a reduction in Glutathione and an increase in Glutamine/Glutamate ratio, N-acetylaspartate and Alanine. Using the same methods, we tested the effect of an additional environmental stress on the observed phenotype: rearing in social isolation had no effect on white matter structure as assessed by DTI, but it reduced the concentration of myo-Inositol and increased the Glutamine/Glutamate ratio in the frontal cortex. We could also replicate in this separate group of animals the effects of genotype on the frontal neurochemical profile, ventricular size and diffusivity parameters in the Fimbria/Fornix but not in the Anterior Commissure. Our data show that a redox dysregulation of genetic origin may disrupt white matter structure and function in specific tracts and cause a ventricular enlargement, phenotypes that resemble some neuroanatomical features of schizophrenia. The mechanism responsible remains however unknown. We have also demonstrated that environmental stress in form of social isolation does not affect white matter structure as assessed by DTI even though it is known to affect oligodendrocyte maturation. Cortical neurochemistry, and specifically the Glutamine to Glutamate balance was affected both by redox dysregulation and social isolation, and is thus a good target for further research on the interaction of redox imbalance and environmental stress in schizophrenia.

Individual Differences in True and False Memory Retrieval Are Related to White Matter Brain Microstructure

We sometimes vividly remember things that did not happen, a phenomenon with general relevance, not only in the courtroom. It is unclear to what extent individual differences in false memories are driven by anatomical differences in memory-relevant brain regions. Here we show in humans that microstructural properties of different white matter tracts as quantified using diffusion tensor imaging are strongly correlated with true and false memory retrieval. To investigate these hypotheses, we tested a large group of participants in a version of the Deese-Roediger-McDermott paradigm (recall and recognition) and subsequently obtained diffusion tensor images. A voxel-based whole-brain level linear regression analysis was performedto relatefractional anisotropyto indices oftrue andfalse memory recall and recognition. True memory was correlated to diffusion anisotropy in the inferior longitudinal fascicle, the major connective pathway of the medial temporal lobe, whereas a greater proneness to retrieve false items was related to the superior longitudinal fascicle connecting frontoparietal structures. Our results show that individual differences in white matter microstructure underlie true and false memory performance.

DWI and complex brain network analysis predicts vascular cognitive impairment in spontaneous hypertensive rats undergoing executive function tests

The identification of biomarkers of vascular cognitive impairment is urgent for its early diagnosis. The aim of this study was to detect and monitor changes in brain structure and connectivity, and to correlate them with the decline in executive function. We examined the feasibility of early diagnostic magnetic resonance imaging (MRI) to predict cognitive impairment before onset in an animal model of chronic hypertension: Spontaneously Hypertensive Rats. Cognitive performance was tested in an operant conditioning paradigm that evaluated learning, memory, and behavioral flexibility skills. Behavioral tests were coupled with longitudinal diffusion weighted imaging acquired with 126 diffusion gradient directions and 0.3 mm(3) isometric resolution at 10, 14, 18, 22, 26, and 40 weeks after birth. Diffusion weighted imaging was analyzed in two different ways, by regional characterization of diffusion tensor imaging (DTI) indices, and by assessing changes in structural brain network organization based on Q-Ball tractography. Already at the first evaluated times, DTI scalar maps revealed significant differences in many regions, suggesting loss of integrity in white and gray matter of spontaneously hypertensive rats when compared to normotensive control rats. In addition, graph theory analysis of the structural brain network demonstrated a significant decrease of hierarchical modularity, global and local efficacy, with predictive value as shown by regional three-fold cross validation study. Moreover, these decreases were significantly correlated with the behavioral performance deficits observed at subsequent time points, suggesting that the diffusion weighted imaging and connectivity studies can unravel neuroimaging alterations even overt signs of cognitive impairment become apparent.

Antenatal inflammation and brain pathology in preterm infants

Chorioamnionitis is known to be an important risk factor underlying preterm delivery, and it has also been suggested to associate with brain lesions and deviant neurological development in both preterm and term infants. Cytokines are believed to be the link causing the deleterious effects of inflammation to the nervous system. Their genetic regulation has also been suggested to play a role, as interleukin (IL)-6 -174 and -572 genotypes, which partly regulate IL-6 synthesis responses, have been connected with deviant neurological development in preterm infants. We evaluated the association of histological chorioamnionitis with brain lesions, regional brain volumes, and the functioning of the auditory pathway in very low birth weight/very low gestational age (VLBW/VLGA) infants. In addition, we investigated the association between IL-6 -174 and -572 genotypes and histological chorioamnionitis, neonatal infections, and brain lesions and regional brain volumes in VLBW/VLGA infants. This study is a part of a larger multidisciplinary project PIPARI (Development and Functioning of Very Low Birth Weight Infants from Infancy to School Age), in which the survivors of a 6-year cohort of VLBW/VLGA infants (n=274) are being followed until school age in Turku University Central Hospital, Finland. Placental samples were collected in the delivery room, and were analyzed for histological inflammatory findings. Blood samples from the infants were collected and DNA was genotyped for IL-6-174 and -572 polymorphisms (GG/GC/CC). Brain ultrasound examinations were performed repeatedly in the neonatal intensive care unit and at term age, and were analysed for structural brain lesions. Brain magnetic resonance imaging was performed at term age, and was analysed for regional brain volumes. In addition, diffusion tensor imaging was performed at term, and was used to analyse fractional anisotrophy and the apparent diffusion coefficient of inferior colliculus. The brainstem auditory evoked potential recordings were carried out according to the routine clinical procedure at median age of 30 days after term age. In our study, we found that histological chorioamnionitis was not an independent risk factor for brain lesions, reduced regional brain volumes or abnormal functioning of the auditory pathway in VLBW/VLGA infants. In addition, we found that IL-6 -174 GG and -572 GC genotypes were associated with a higher incidence of histological chorioamnionitis, and that -174 CC genotype associated with higher incidence of septicaemia. The analysed IL-6 genotypes were not associated with other brain lesions, but a reduced volume of basal ganglia and thalami was associated with IL-6 -174 CC and -572 GG genotypes. In conclusion, our findings suggest that histological chorioamnionitis is not an independent risk factor for the brain development of VLBW/VLGA infants, or that the risk caused by inflammation does not exceed the risks attributed to other underlying pathologies behind preterm deliveries. In addition, our findings give reason to propose that IL-6 promoter genotypes have a role in the defence against serious infections and in the brain development of VLBW/VLGA infants.

Effects of Obesity and Weight Loss Following Bariatric Surgery on Brain Function, Structural Integrity and Metabolism

Obesity is one of the key challenges to health care system worldwide and its prevalence is estimated to rise to pandemic proportions. Numerous adverse health effects follow with increasing body weight, including increased risk of hypertension, diabetes, hypercholesterolemia, musculoskeletal pain and cancer. Current evidence suggests that obesity is associated with altered cerebral reward circuit functioning and decreased inhibitory control over appetitive food cues. Furthermore, obesity causes adverse shifts in metabolism and loss of structural integrity within the brain. Prior cross-sectional studies do not allow delineating which of these cerebral changes are recoverable after weight loss. We compared morbidly obese subjects with healthy controls to unravel brain changes associated with obesity. Bariatric surgery was used as an intervention to study which cerebral changes are recoverable after weight loss. In Study I we employed functional magnetic resonance imaging (fMRI) to detect the brain basis of volitional appetite control and its alterations in obesity. In Studies II-III we used diffusion tensor imaging (DTI) and voxel-based morphometry (VBM) to quantify the effects of obesity and the effects of weight loss on structural integrity of the brain. In study IV we used positron emission tomography (PET) with [18F]-FDG in fasting state and during euglycemic hyperinsulinemia to quantify effects of obesity and weight loss on brain glucose uptake. The fMRI experiment revealed that a fronto-parietal network is involved in volitional appetite control. Obese subjects had lower medial frontal and dorsal striatal brain activity during cognitive appetite control and increased functional connectivity within the appetite control circuit. Obese subjects had initially lower grey matter and white matter densities than healthy controls in VBM analysis and loss of integrity in white matter tracts as measured by DTI. They also had initially elevated glucose metabolism under insulin stimulation but not in fasting state. After the weight loss following bariatric surgery, obese individuals’ brain volumes recovered and the insulin-induced increase in glucose metabolism was attenuated. In conclusion, obesity is associated with altered brain function, coupled with loss of structural integrity and elevated glucose metabolism, which are likely signs of adverse health effects to the brain. These changes are reversed by weight loss after bariatric surgery, implicating that weight loss has a causal role on these adverse cerebral changes. Altogether these findings suggest that weight loss also promotes brain health.Key words: brain, obesity, bariatric surgery, appetite control, structural magnetic resonance

Microstructural and metabolic changes in the brains of concussed athletes

Les commotions cérébrales ont longtemps été considérées comme une blessure ne comportant que peu ou pas de conséquences. Cependant, la mise à la retraite forcée de plusieurs athlètes de haut niveau, liée au fait d'avoir subi des commotions cérébrales multiples, a porté cette question au premier plan de la culture scientifique et sportive. Malgré la sensibilisation croissante du public et la compréhension scientifique accrue des commotions cérébrales, il reste encore beaucoup d’inconnus au sujet de ces blessures. En effet, il est difficile de comprendre comment cette atteinte peut avoir des effets si profonds malgré le fait qu’elle n’entraîne apparemment pas de conséquences physiques apparentes lorsque les techniques traditionnelles d’imagerie cérébrale sont utilisées. Les techniques de neuroimagerie fonctionnelle ont cependant contribué à répondre aux nombreuses questions entourant les conséquences des commotions cérébrales ainsi qu'à accroître la compréhension générale de la physiopathologie de commotions cérébrales. Bien que les techniques de base telles que l'imagerie structurelle comme les scans TC et IRM soient incapables de détecter des changements structurels dans la grande majorité des cas (Ellemberg, Henry, Macciocchi, Guskiewicz, & Broglio, 2009; Johnston, Ptito, Chankowsky, & Chen, 2001), d'autres techniques plus précises et plus sensibles ont été en mesure de détecter avec succès des changements dans le cerveau commotionné. Des études d’IRM fonctionelle ont entre autres établi une solide relation entre les altérations fonctionnelles et les symptômes post-commotionels (Chen, Johnston, Collie, McCrory, & Ptito, 2007; Chen et al., 2004; Chen, Johnston, Petrides, & Ptito, 2008; Fazio, Lovell, Pardini, & Collins, 2007). Les mesures électrophysiologiques telles que les potentiels évoqués cognitifs (ERP) (Gaetz, Goodman, & Weinberg, 2000; Gaetz & Weinberg, 2000; Theriault, De Beaumont, Gosselin, Filipinni, & Lassonde, 2009; Theriault, De Beaumont, Tremblay, Lassonde, & Jolicoeur, 2010) et la stimulation magnétique transcrânienne ou SMT (De Beaumont, Brisson, Lassonde, & Jolicoeur, 2007; De Beaumont, Lassonde, Leclerc, & Theoret, 2007; De Beaumont et al., 2009) ont systématiquement démontré des altérations fonctionnelles chez les athlètes commotionnés. Cependant, très peu de recherches ont tenté d'explorer davantage certaines conséquences spécifiques des commotions cérébrales, entre autres sur les plans structural et métabolique. La première étude de cette thèse a évalué les changements structurels chez les athlètes commotionnés à l’aide de l'imagerie en tenseur de diffusion (DTI) qui mesure la diffusion de l'eau dans la matière blanche, permettant ainsi de visualiser des altérations des fibres nerveuses. Nous avons comparé les athlètes commotionnés à des athlètes de contrôle non-commotionnés quelques jours après la commotion et de nouveau six mois plus tard. Nos résultats indiquent un patron constant de diffusion accrue le long des voies cortico-spinales et dans la partie du corps calleux reliant les régions motrices. De plus, ces changements étaient encore présents six mois après la commotion, ce qui suggère que les effets de la commotion cérébrale persistent bien après la phase aiguë. Les deuxième et troisième études ont employé la spectroscopie par résonance magnétique afin d'étudier les changements neurométaboliques qui se produisent dans le cerveau commotionné. La première de ces études a évalué les changements neurométaboliques, les aspects neuropsychologiques, et la symptomatologie dans la phase aiguë post-commotion. Bien que les tests neuropsychologiques aient été incapables de démontrer des différences entre les athlètes commotionnés et non-commotionnés, des altérations neurométaboliques ont été notées dans le cortex préfrontal dorsolatéral ainsi que dans le cortex moteur primaire, lesquelles se sont avérées corréler avec les symptômes rapportés. La deuxième de ces études a comparé les changements neurométaboliques immédiatement après une commotion cérébrale et de nouveau six mois après l’atteinte. Les résultats ont démontré des altérations dans le cortex préfrontal dorsolatéral et moteur primaire dans la phase aiguë post-traumatique, mais seules les altérations du cortex moteur primaire ont persisté six mois après la commotion. Ces résultats indiquent que les commotions cérébrales peuvent affecter les propriétés physiques du cerveau, spécialement au niveau moteur. Il importe donc de mener davantage de recherches afin de mieux caractériser les effets moteurs des commotions cérébrales sur le plan fonctionnel.

Modélisation radiobiologique pour la planification des traitements en radiothérapie à partir de données d’imagerie spécifiques aux patients

Un modèle de croissance et de réponse à la radiothérapie pour le glioblastome multiforme (GBM) basé le formalisme du modèle de prolifération-invasion (PI) et du modèle linéaire-quadratique a été développé et implémenté. La géométrie spécifique au patient est considérée en modélisant, d'une part, les voies d'invasion possibles des GBM avec l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et, d'autre part, les barrières à la propagation à partir des images anatomiques disponibles. La distribution de dose réelle reçue par un patient donné est appliquée telle quelle dans les simulations, en respectant l'horaire de traitement. Les paramètres libres du modèle (taux de prolifération, coefficient de diffusion, paramètres radiobiologiques) sont choisis aléatoirement à partir de distributions de valeurs plausibles. Un total de 400 ensembles de valeurs pour les paramètres libres sont ainsi choisis pour tous les patients, et une simulation de la croissance et de la réponse au traitement est effectuée pour chaque patient et chaque ensemble de paramètres. Un critère de récidive est appliqué sur les résultats de chaque simulation pour identifier un lieu probable de récidive (SPR). La superposition de tous les SPR obtenus pour un patient donné permet de définir la probabilité d'occurrence (OP). Il est démontré qu'il existe des valeurs de OP élevées pour tous les patients, impliquant que les résultats du modèle PI ne sont pas très sensibles aux valeurs des paramètres utilisés. Il est également démontré comment le formalisme développé dans cet ouvrage pourrait permettre de définir un volume cible personnalisé pour les traitements de radiothérapie du GBM.

Transfert et traitement de l’information visuomotrice dans le cerveau autiste : intégrité et hétérogénéité

En plus de la triade de symptômes caractérisant l’autisme, ce trouble neurodévelopmental est associé à des particularités perceptives et motrices et, au niveau cérébral, par une connectivité atypique entre les différentes régions du cerveau. Au niveau anatomique, un des résultats les plus communs est la réduction du corps calleux. Toutefois, des effets directs de cette altération anatomique sur l’intégrité et l’efficacité du transfert interhémisphérique restent à être démontrés. Pour la présente thèse, trois différentes études investiguent différents aspects du traitement de l’information visuomotrice : le transfert interhémisphérique entre les régions bilatérales motrices et visuelles, la vitesse de traitement perceptif, et les habiletés motrices visuellement guidées. Dans la première étude, le paradigme visuomoteur de Poffenberger a été utilisé pour mesurer le temps de transfert interhémisphérique (TTIH). L’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) et structurale ainsi que l’imagerie de diffusion ont aussi été utilisées pour étudier les réseaux cérébraux impliqués dans la tâche de Poffenberger. Les autistes ont été comparés à un groupe d’individus à développement typique. La deuxième étude avait pour but d’investiguer la vitesse de traitement perceptif en autisme. Dans la troisième étude, deux tâches motrices (Purdue et Annett) ont été utilisées pour examiner la nature et l’importance des déficits moteurs. La tâche de Purdue inclut deux conditions bimanuelles utilisées comme indice additionnel d’intégration interhémisphérique. Dans les études 2 et 3, le groupe d’autistes a aussi été comparé à un groupe d’individus Asperger afin de voir si, et comment, les deux sous-groupes peuvent être distingués en ce qui concerne le traitement visuel et les déficits moteurs. Aucune différence entre les groupes n’a été observée en termes de TTIH. Les résultats de l’étude IRMf révèlent des différences d’activations corticales en lien avec la tâche de Poffenberger. Dans les groupes d’autistes et de typiques, l’efficacité de la communication interhémisphérique était associée à différentes portions du corps calleux (frontales/motrices chez les typiques, postérieures/visuelles chez les autistes). De façon globale, les résultats de cette étude démontrent un patron atypique de transfert interhémisphérique de l’information visuomotrice en autisme, reflétant un rôle plus important des mécanismes visuels dans le comportement sensorimoteur possiblement en lien avec une réorganisation cérébrale. Les résultats des études comportementales 2 et 3 indiquent que les autistes excellent dans la tâche mesurant la vitesse de traitement perceptif alors que les Asperger accomplissent la tâche à des niveaux similaires à ceux des typiques. La nature des déficits moteurs diffère aussi entre les deux sous-groupes; la dextérité et la coordination bimanuelle est affectée chez les individus Asperger mais pas chez les autistes, qui eux sont plus atteints au niveau de la rapidité unimanuelle. Les sous-groupes d’autistes et de syndrome d’Asperger sont caractérisés par des profils cognitifs différents dont les particularités perceptives et motrices font partie intégrante.

Revisión sistemática : uso de imágenes por difusión en RMN, para predecir sobrevida en pacientes adultos con diagnostico de glioblastoma multiforme

El Glioblastoma multiforme (GBM), es el tumor cerebral más frecuente, con pronóstico grave y baja sensibilidad al tratamiento inicial. El propósito de este estudio fue evaluar si la Difusión en RM (IDRM), es un biomarcador temprano de respuesta tumoral, útil para tomar decisiones tempranas de tratamiento y para obtener información pronostica. Metodología La búsqueda se realizo en las bases de datos EMBASE, CENTRAL, MEDLINE; las bibliografías también fueron revisadas. Los artículos seleccionados fueron estudios observacionales (casos y controles, cohortes, corte transversal), no se encontró ningún ensayo clínico; todos los participante tenían diagnostico histopatológico de GBM, sometidos a resección quirúrgica y/o radio-quimioterapia y seguimiento de respuesta al tratamiento con IDRM por al menos 6 meses. Los datos extraídos de forma independiente fueron tipo de estudio, participantes, intervenciones, seguimiento, desenlaces (sobrevida, progresión/estabilización de la enfermedad, muerte) Resultados Quince estudios cumplieron los criterios de inclusión. Entre las técnicas empleadas de IDRM para evaluar respuesta radiológica al tratamiento, fueron histogramas del coeficiente aparente de difusion ADC (compararon valores inferiores a la media y el percentil 10 de ADC, con los valores superiores); encontrando en términos generales que un ADC bajo es un fuerte predictor de sobrevida y/o progresión del tumor. (Esto fue significativo en 5 estudios); mapas funcionales de difusion (FDM) (midieron el porcentaje de cambio de ADC basal vs pos tratamiento) que mostro ser un fuerte predictor de sobrevida en pacientes con progresión tumoral. DISCUSION Desafortunadamente la calidad de los estudios fue intermedia-baja lo que hace que la aplicabilidad de los estudios sea limitada.

The role of corticospinal tract damage in chronic motor recovery and neurorehabilitation: a pilot study

Background. With diffusion-tensor imaging (DTi) it is possible to estimate the structural characteristics of fiber bundles in vivo. This study used DTi to infer damage to the corticospinal tract (CST) and relates this parameter to (a) the level of residual motor ability at least 1 year poststroke and (b) the outcome of intensive motor rehabilitation with constraint-induced movement therapy (CIMT). Objective. To explore the role of CST damage in recovery and CIMT efficacy. Methods. Ten patients with low-functioning hemiparesis were scanned and tested at baseline, before and after CIMT. Lesion overlap with the CST was indexed as reduced anisotropy compared with a CST variability map derived from 26 controls. Residual motor ability was measured through the Wolf Motor Function Test (WMFT) and the Motor Activity Log (MAL) acquired at baseline. CIMT benefit was assessed through the pre—post treatment comparison of WMFT and MAL performance. Results. Lesion overlap with the CST correlated with residual motor ability at baseline, with greater deficits observed in patients with more extended CST damage. Infarct volume showed no systematic association with residual motor ability. CIMT led to significant improvements in motor function but outcome was not associated with the extent of CST damage or infarct volume. Conclusion. The study gives in vivo support for the proposition that structural CST damage, not infarct volume, is a major predictor for residual functional ability in the chronic state. The results provide initial evidence for positive effects of CIMT in patients with varying, including more severe, CST damage.

Cortical thickness changes in the non-lesioned hemisphere associated with non-paretic arm immobilization in modified CI therapy

Recent evidence suggests that immobilization of the upper limb for 2–3 weeks induces changes in cortical thickness as well as motor performance. In constraint induced (CI) therapy, one of the most effective interventions for hemiplegia, the non-paretic arm is constrained to enforce the use of the paretic arm in the home setting. With the present study we aimed to explore whether non-paretic arm immobilization in CI therapy induces structural changes in the non-lesioned hemisphere, and how these changes are related to treatment benefit. 31 patients with chronic hemiparesis participated in CI therapy with (N = 14) and without (N = 17) constraint. Motor ability scores were acquired before and after treatment. Diffusion tensor imaging (DTI) data was obtained prior to treatment. Cortical thickness was measured with the Freesurfer software. In both groups cortical thickness in the contralesional primary somatosensory cortex increased and motor function improved with the intervention. However the cortical thickness change was not associated with the magnitude of motor function improvement. Moreover, the treatment effect and the cortical thickness change were not significantly different between the constraint and the non-constraint groups. There was no correlation between fractional anisotropy changes in the non-lesioned hemisphere and treatment outcome. CI therapy induced cortical thickness changes in contralesional sensorimotor regions, but this effect does not appear to be driven by the immobilization of the non-paretic arm, as indicated by the absence of differences between the constraint and the non-constraint groups. Our data does not suggest that the arm immobilization used in CI therapy is associated with noticeable cortical thinning.

Corticospinal tract integrity and lesion volume play different roles in chronic hemiparesis and its improvement through motor practice

Background. Initial evidence suggests that the integrity of the ipsilesional corticospinal tract (CST) after stroke is strongly related to motor function in the chronic state but not the treatment gain induced by motor rehabilitation. Objective. We examined the association of motor status and treatment benefit by testing patients with a wide range of severity of hemiparesis of the left and right upper extremity. Method. Diffusion tensor imaging was performed in 22 patients beyond 12 months after onset of stroke with severe to moderate hemiparesis. Motor function was tested before and after 2 weeks of modified constraint-induced movement therapy. Results. CST integrity, but not lesion volume, correlated with the motor ability measures of the Wolf Motor Function Test and the Motor Activity Log. No differences were found between left and right hemiparesis. Motor performance improved significantly with the treatment regime, and did so equally for patients with left and right arm paresis. However, treatment benefit was not associated with either CST integrity or lesion volume. Conclusion. CST integrity correlated best in this small trial with chronic long-term status but not treatment-induced improvements. The CST may play a different role in the mechanisms mediating long-term outcome compared to those underlying practice-induced gains after a chronic plateau in motor function.

K-Surfer: a KNIME extension for the management and analysis of Human brain MRI FreeSurfer/FSL data

Human brain imaging techniques, such as Magnetic Resonance Imaging (MRI) or Diffusion Tensor Imaging (DTI), have been established as scientific and diagnostic tools and their adoption is growing in popularity. Statistical methods, machine learning and data mining algorithms have successfully been adopted to extract predictive and descriptive models from neuroimage data. However, the knowledge discovery process typically requires also the adoption of pre-processing, post-processing and visualisation techniques in complex data workflows. Currently, a main problem for the integrated preprocessing and mining of MRI data is the lack of comprehensive platforms able to avoid the manual invocation of preprocessing and mining tools, that yields to an error-prone and inefficient process. In this work we present K-Surfer, a novel plug-in of the Konstanz Information Miner (KNIME) workbench, that automatizes the preprocessing of brain images and leverages the mining capabilities of KNIME in an integrated way. K-Surfer supports the importing, filtering, merging and pre-processing of neuroimage data from FreeSurfer, a tool for human brain MRI feature extraction and interpretation. K-Surfer automatizes the steps for importing FreeSurfer data, reducing time costs, eliminating human errors and enabling the design of complex analytics workflow for neuroimage data by leveraging the rich functionalities available in the KNIME workbench.

Connectivity-based parcellation of the human frontal polar cortex

The frontal pole corresponds to Brodmann area (BA) 10, the largest single architectonic area in the human frontal lobe. Generally, BA10 is thought to contain two or three subregions that subserve broad functions such as multitasking, social cognition, attention, and episodic memory. However, there is a substantial debate about the functional and structural heterogeneity of this large frontal region. Previous connectivity-based parcellation studies have identified two or three subregions in the human frontal pole. Here, we used diffusion tensor imaging to assess structural connectivity of BA10 in 35 healthy subjects and delineated subregions based on this connectivity. This allowed us to determine the correspondence of structurally based subregions with the scheme previously defined functionally. Three subregions could be defined in each subject. However, these three subregions were not spatially consistent between subjects. Therefore, we accepted a solution with two subregions that encompassed the lateral and medial frontal pole. We then examined resting-state functional connectivity of the two subregions and found significant differences between their connectivities. The medial cluster was connected to nodes of the default-mode network, which is implicated in internally focused, self-related thought, and social cognition. The lateral cluster was connected to nodes of the executive control network, associated with directed attention and working memory. These findings support the concept that there are two major anatomical subregions of the frontal pole related to differences in functional connectivity.