Mapping age-related effects on the striatum pallidus and thalamus in healthy individuals across the adult lifespan

The subcortical structures of the brain, such as the striatum and thalamus, are positioned deep within the brain and are heavily implicated in the regulation of mood, reward, and memory function. Further, these structures are heavily connected to the frontal lobes of the brain, which include regions that are implicated in complex cognitive tasks. Despite their importance in daily functioning and implication in neuropsychiatric disorders (such as schizophrenia and geriatric depression) and in movement disorders (such as Parkinson's disease and Huntington's diseases), these regions are under-studied, in part due to the paucity of methods available for accurate visualization and extensive analysis of in vivo magnetic resonance imaging (MRI). Five high-resolution T1-weighted MR atlases and three-dimensional surface representations of the striatum, globus pallidus and thalamus were created to consolidate and improve the workflow of an automated segmentation pipeline, MAGeT-Brain. Application of the atlases as input to MAGeT-Brain was implemented to ultimately enable subject-based automated segmentation of the striatum, globus pallidus and thalamus in subject MRI data for the investigation of the normal and healthy aging process. Chapter 3 describes the creation of the five atlases of the striatum, globus pallidus and thalamus, and details the atlas-to-template warping technique used to warp a three-dimensional atlas derived from expertly annotated serial histological sections to five high-resolution MR templates, for their implementation to the MAGeT-Brain pipeline. Registration quality and segmentation accuracy of the atlases were assessed using the Dice's Kappa metric before their implementation to the MAGeT-Brain pipeline.In the context of healthy aging, volumetric analysis of subcortical structures, such as the striatum, globus pallidus and thalamus, has been the sole primary focus of MR-based aging studies. With the improved methodology of the MAGeT-Brain segmentation pipeline, this thesis sought to investigate the normative age relationships of the striatum, globus pallidus and thalamus occurring throughout the healthy adult lifespan; examining various morphological and microstructural features beyond volumetry, which despite being extensively studied is still not yet resolved. Chapter 4 details the age relationships of volume, local surface area, and myelin in the striatum, globus pallidus and thalamus observed across the adult lifespan in healthy individuals between the ages of 18 and 80 using structural T1-weighted and T2-weighted MRI data.Expanding on the results obtained from previous healthy aging studies, we observed age-related linear volumetric decline in the left and right striatum and globus pallidus, and a quadratic volume-age relationship in the left and right thalamus, with complementary posterior areal contraction in all three structures bilaterally. Moreover, we observed a quadratic inverted U shape relationship between T1w/T2w subcortical myelin and age, with a peak T1w/T2w value occurring in middle age (at around 50 years old). This thesis serves to provide a normative baseline for disorders in which these structures are compromised and implicated. This project will have important implications in future research on healthy aging and neuropsychiatric and neurodegenerative disorders.Les structures sous-corticales du cerveau, telles que le striatum et le thalamus, sont placées sous le manteau cortical dans le cerveau, et sont impliquées dans la régulation de l'humeur, de la récompense et de la mémoire. De plus, ces structures sont connectées aux lobes frontaux du cerveau, et sont impliquées dans des tâches cognitives complexes. Malgré leur importance dans le fonctionnement quotidien et leur implication dans les troubles neuropsychiatriques (tels que la schizophrénie et la dépression gériatrique) et ceux du mouvement (tels que la maladie de Parkinson et la maladie de Huntington), ces régions sont sous-étudiées, en partie en raison de la pénurie de méthodes disponibles pour la visualisation précise et l'analyse approfondie de données in vivo obtenues par imagerie par résonance magnétique (IRM).Cinq atlas IRM T1 de haute résolution et des représentations de la surface du striatum, du globus pallidus et du thalamus ont été créés pour consolider et améliorer le programme de segmentation automatisée MAGeT-Brain. L'application des atlas à MAGeT-Brain a été implémentée pour permettre la segmentation automatisée du striatum, du globus pallidus et du thalamus sur des images de RM, afin d'étudier le processus de vieillissement de sujets normaux et en bonne santé. Le chapitre 3 décrit la création des cinq atlas du striatum, du globus pallidus et du thalamus; détaille la technique utilisée pour déformer un atlas tridimensionnel dérivé de sections histologiques sérielles annotées expertement vers cinq images d'IRM à haute résolution; et décrit l'implémentation des nouveaux atlas dans le programme MAGeT-Brain. La qualité du recalage d'images et la précision de la segmentation des atlas ont été évaluées en utilisant la métrique de Dice Kappa avant leur implémentation dans le programme MAGeT-Brain.Dans le contexte du vieillissement en bonne santé, les études d'IRM se sont focalisées sur l'analyse volumétrique des structures sous-corticales. La mise à jour de l'algorithme de segmentation MAGeT-Brain a permis d'examiner, au-delà de la volumétrie, diverses caractéristiques morphologiques et microstructurales du striatum, globus pallidus et thalamus, et leur relations d'âge normatives durant la vie adulte en bonne santé. Le chapitre 4 détaille la relation entre âge et volume, surface locale et myéline dans ces régions chez des individus en bonne santé âgés de 18 à 80 ans en utilisant l'IRM T1 et T2.En développant les résultats obtenus lors d'études antérieures sur le vieillissement sain, nous avons observé un déclin volumétrique linéaire dans le striatum et le globus pallidus, et une relation quadratique dans le thalamus, pour l'hémisphère gauche et droit, avec une contraction complémentaire postérieure dans les trois structures bilatéralement. De plus, nous avons observé une relation quadratique, en forme de U inversé, entre l'âge et la myéline sous-corticale, avec une valeur maximale de T1w/T2w survenant à mi-vie (vers 50 ans).Cette thèse fournit une base de référence normative pour les troubles dans lesquels ces structures sont compromises et impliquées. Ce projet aura des implications importantes dans d'autres études sur le vieillissement en bonne santé et les troubles neuropsychiatriques dans lesquels ces structures sous-corticales sont altérées