Structural and functional investigation of motor and extra-motor involvement in amyotrophic lateral sclerosis: neuroimaging, neurophysiological and neuropsychological associations

Background: Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is the most fatal and major diagnostic category of motor neuron diseases and is characterized by involvement of both the upper (central) motor neuron and lower (peripheral) motor neuron resulting in patient’s death three to five years from the time of diagnosis, mainly because of respiratory insufficiency. The traditional view of ALS as a pure motor disease with any extra-motor involvement being described only in frontal areas and characterized by mild executive dysfunction or behavioral changes according to the ALS-Frontotemporal Dementia (FTD) continuum, has been totally updated. ALS is now regarded as multi-systematic disease with change within and beyond the primary motor cortex, the corticospinal tract and frontal associative areas, which leads in an extended map of multiple affected areas in gray (cortical and subcortical) and white matter. By means of phenomenology, these changes are evident as fasciculations, muscle weakness and motor difficulty, but also include several cognitive impairments (both executive and non-executive), behavioral changes or emotional lability (pathological laughing and crying). Aim: The aim of the present thesis was the structural and functional investigation of motor and extra-motor involvement in ALS using advanced neuroimaging techniques and methods of clinical neurophysiology and neuropsychology. Methods: We included 75 patients with sporadic ALS (based on revised El Escorial criteria) without dementia. Patients’ data were entered in the database “AMATUM ALS” (Acquisition, Management, Analysis, Therapeutic Unique Monitoring for Amyotrophic Lateral Sclerosis Database). A comprehensive neuropsychological assessment was administered to all patients (cognitive domains: executive functions, attention & working memory, learning-memory, expressive language, visuospatial-constructive dexterities, symbolic reasoning) who were also evaluated for the presence of severe clinical depressive symptoms and emotional lability. Based on normative data for each neuropsychological measures and according to widely-used criteria for ALS-related cognitive impairment, all patients were categorized into two subgroups: a) ALS-motor (pure motor involvement without cognitive impairment) and b) ALS-plus (motor involvement and cognitive impairment). Twenty-five healthy controls with normal general mental status and 50 (out of 75) ALS patients were included in the neuroimaging scanning with high resolution sequences for further investigation of changes in gray matter [HR_3DT1w sequence, voxel-based morphometry (VBM) analysis] and white matter [30dir-DTI sequence, Tract-Based Spatial Statistics (TBSS), Diffusion Tensor Imaging (DTI) Tractography for specific white matter tracts]. Seventeen ALS patients (with available neuropsychological and neuroimaging data) were included in the neurophysiological evaluation with transcranial magnetic stimulation (TMS) for the investigation of functional integrity of pyramidal tract, corpus callosum and motor cortex. Results: 1. Neuropsychological profile: More than 65% of ALS Greek patients show cognitive impairment. Executive functions are mostly affected and 47% of patients show executive impairment (with or without other cognitive impairment). 20% of patients show pure memory impairment without executive or other cognitive impairment. Executive performance is associated with memory performance in the total ALS sample but accounts only for 9% of the variance in memory performance. 2. Neuroimaging profile of gray and white matter: ALS patients show diffuse changes in gray matter and white matter both in pure motor areas (motor cortex, sensorymotor part of cerebellum, corticospinal tract, body of the corpus callosum) and extra-motor areas (medial, orbital and dorsolateral frontal areas, temporal areas, occipital areas). ALS-motor patients show increased gray matter volume compared to healthy controls in right supplementary motor area. ALS-plus patients show more diffuse changes in motor and extra-motor regions compared to healthy controls. Compared to ALS-motor patients, ALS-plus patients show decreased gray matter volume in left precuneus. The combined use of advanced neuroimaging techniques and methods of post-processing analysis enable the identification of brain areas with both gray and white matter changes. 3. Structural integrity of motor cortex and corticospinal tract and motor disease severity: We found a) positive association between the degree of disease severity (ALSFRS-R) and gray matter volume in left precentral gyrus; b) negative association between ALSFRS-R and gray matter volume in left supplementary motor area; and c) negative association between ALSFRS-R and Daxial in left corticospinal tract.4. Structural integrity of motor cortex, corticospinal tract and callosal fibers and functional integrity of motor system based on TMS: The functional integrity of the corticospinal tract is related to gray matter structural changes, irrespective to corticospinal tract involvement. We found a) positive association between gray matter volume of right precentral gyrus and MEP / M ratio recorded from the right APB (decreased gray matter volumes is related to decreased MEP / M ratio); b) negative association between gray matter volume in right supplementary motor area and MEP / M ratio (increased gray matter volume is related to decreased MEP / M ratio). Using the Brainance DTI Suite that enables the tractography of both crossing and non-crossing corticospinal tract fibers, we found that interhemispheric inhibition (IHI) can be pathologically increased due to different involvement of crossing and non-crossing fibers. Specifically, we observed a) negative association between ΙΗΙ and FA in left corticospinal tract [decreased FA (worse microstructural integrity) is related to increased IHI]; b) positive association between IHI and Dradial in right corticospinal tract [increased Dradial (worse microstructural integrity) is related to increased IHI]; and c) negative association between silent perior (SP) and FA in left corticospinal tract (decreased FA is related to increased SP). 5. Degree of extra-motor structural white matter changes and memory impairment: After correcting for multiple comparisons, ALS patients showed increased Dradial in the left perforant pathway zone (PPZ) compared to HC and impaired microstructural integrity in fornix and uncinate fasciculus. For the first time, we support the contribution of left PPZ integrity in ALS patients verbal learning performance and the contribution of left PPZ and uncinate fasciculus in long-term verbal recall. 6. Degree of extra-motor structural gray matter changes and emotional lability [pseudobulbar affect (PBA)/pathological laughing and crying]: Compared to healthy controls, ALS patients with PBA show reduced gray matter volume in frontal (inferior orbitofrontal gyrus, rectus), temporal (superior temporal gyrus), occipital (cuneus, fusiform gyrus, lingual gyrus) lobes, in anterior cingulate gyrus and in cerebellum bilaterally. Compared to ALS patients without PBA, ALS patients with PBA show decreased gray matter volume in right precunues/posterior cingulate gyrus and middle temporal gyrus, in accordance with the contribution of right hemisphere in emotional processing and perception. 7. The prognostic role of structural (neuroimaging) and functional (neuropsychological) changes in disease progression rate: Verbal learning ability is a negative prognostic factor, with reduced verbal learning ability being related to faster progression rate. Reduced gray matter volume in bilateral basal ganglia (putamen) and left superior temporal gyrus is associated with faster progression rate. Finally, increased Daxial in the body of the corpus callosum is also related to faster disease progression rate.Conclusions: With a background of almost two centuries from the first descriptions of Bell and Aran and less than a half century from the description of Charcot and the introduction of the term Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), the disease has definitively a multisystematic character, with great diversity regarding the range and severity of clinical and subclinical (motor and extra-motor) symptomatology and prognosis being difficult to be accurately determined based on statistical models. However, it is a disease that confirms the paradigm shift (according to Kuhn) which is the result of both linear and non-linear accumulation of new knowledge from the methods of classical neurophysiology and neuropsychology and advanced neuroimaging techniques. Θεωρητικό υπόβαθρο: Η Πλάγια Μυατροφική Σκλήρυνση (Amyotrophic Lateral Sclerosis – ALS) αποτελεί τη βασικότερη διαγνωστική ομάδα των παθήσεων του κινητικού νευρώνα και χαρακτηρίζεται από προσβολή τόσο του ανώτερου (κεντρικού) κινητικού νευρώνα όσο και του κατώτερου (περιφερικού) κινητικού νευρώνα, με συνέπεια την κατάληξη του ασθενούς τρία έως πέντε -κατά μέσο όρο- έτη μετά τη διάγνωση της νόσου, κυρίως λόγω αναπνευστικής ανεπάρκειας. Η παραδοσιακή θεώρηση της ALS ως μιας αμιγώς κινητικής νόσου, με την όποια μη κινητική προσβολή να αφορά -από δομικής πλευράς- αλλαγές σε μετωπιαίες κυρίως περιοχές και -από λειτουργικής πλευράς- ήπια επιτελική δυσλειτουργία ή συμπεριφορικές μεταβολές στο πλαίσιο του φάσματος ALS – Frontotemporal Dementia (FTD), έχει πλέον αναθεωρηθεί. Η ALS θεωρείται μια πάθηση όπου οι μεταβολές εντοπίζονται εντός και εκτός του πρωτοταγούς κινητικού φλοιού, του φλοιονωτιαίου δεματίου και των μετωπιαίων συνειρμικών περιοχών, σχηματίζοντας ένα χάρτη με πολλές πάσχουσες περιοχές φαιάς (φλοιικώς και υποφλοιωδώς) και λευκής ουσίας. Φαινομενολογικά δε, οι μεταβολές αυτές, πέραν των δεσμιδώσεων, της μυϊκής αδυναμίας και της κινητικής δυσχέρειας, ανιχνεύονται ως ποικίλες νοητικές δυσλειτουργίες, όχι αποκλειστικά επιτελικού τύπου, αλλά και ως συμπεριφορικές μεταβολές ή συναισθηματική ακράτεια (κλαυσίγελος). Σκοπός: Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η δομική και λειτουργική διερεύνηση της κινητικής και μη κινητικής προσβολής στην ALS μέσω σύγχρονων νευροαπεικονιστικών τεχνικών και μεθόδων κλινικής νευροφυσιολογίας και νευροψυχολογίας. Μεθοδολογία: Στη μελέτη συμμετείχαν 75 ασθενείς με σποραδική μορφή της ALS (βάσει των αναθεωρημένων κριτηρίων El Escorial) χωρίς άνοια και όλα τα στοιχεία τους καταγράφηκαν στην ειδική βάση δεδομένων “AMATUM ALS” (Acquisition, Management, Analysis, Therapeutic Unique Monitoring for Amyotrophic Lateral Sclerosis Database). Όλοι ασθενείς εξετάστηκαν με εκτενή νευροψυχολογική συστοιχία (νοητικά πεδία: επιτελικές λειτουργίες, προσοχή & ενεργός μνήμη, μάθηση-μνήμη, εκφραστικός λόγος, οπτικοχωρικές-κατασκευαστικές δεξιότητες, συλλογισμός με μεμαθημένες συμβολικές έννοιες) ενώ αξιολογήθηκε, επίσης, η κατάθλιψη και η συναισθηματική ευμεταβλητότητα. Βάσει τιμών αναφοράς για κάθε νευροψυχολογική δοκιμασία και ευρέως αποδεκτών κριτηρίων ταξινόμησης, οι 75 ασθενείς κατηγοριοποιήθηκαν σε υπο-ομάδες a) ALS-motor (αμιγώς κινητική δυσλειτουργία) και β) ALS-plus (κινητική και νοητική δυσλειτουργία). 25 υγιείς εθελοντές με φυσιολογική νοητική λειτουργία και 50 ασθενείς εκ των 75 υποβλήθηκαν σε νευροαπεικονιστική διερεύνηση με ακολουθίες υψηλής ανάλυσης για τη μετέπειτα διερεύνηση των μεταβολών της φαιάς ουσίας [ακολουθία: HR_3DT1w, ανάλυση: voxel-based morphometry (VBM)] και της λευκής ουσίας [ακολουθία: 30dir-DTI, ανάλυση: tract-based spatial statistics (TBSS), Diffusion Tensor Imaging (DTI) Tractography για συγκεκριμένα δεμάτια λευκής ουσίας]. 17 ασθενείς (με διαθέσιμα νευροψυχολογικά και νευροαπεικονιστικά δεδομένα) υποβλήθηκαν σε νευροφυσιολογικό έλεγχο μέσω διακρανιακού μαγνητικού ερεθισμού (TMS) για τη διερεύνηση της λειτουργικής ακεραιότητας της πυραμιδικής οδού, του μεσολοβίου και του κινητικού φλοιού. Αποτελέσματα: 1. Nευροψυχολογικό πρότυπο: Οι ασθενείς με ALS παρουσιάζουν κινητική και μη κινητική προσβολή που ανιχνεύεται λειτουργικά. Ειδικότερα, >65% των ασθενών με ALS στον ελληνικό πληθυσμό παρουσιάζει νοητική δυσλειτουργία. Οι επιτελικές λειτουργίες είναι αυτές που επηρεάζονται σε μεγαλύτερο βαθμό και ποσοστό 47% των ασθενών παρουσιάζει επιτελική δυσλειτουργία (με ή χωρίς άλλου τύπου νοητική δυσλειτουργία). Ποσοστό 20% των ασθενών παρουσιάζει μόνο μνημονική δυσλειτουργία χωρίς επιτελική ή άλλη νοητική δυσλειτουργία. H επιτελική επίδοση σχετίζεται με τη μνημονική επίδοση στο σύνολο των ασθενών αλλά ερμηνεύει μόνο 9% της συνολικής διακύμανσης της μνημονικής επίδοσης.2. Nευροαπεικονιστικό πρότυπο φαιάς και λευκής ουσίας: Οι ασθενείς με ALS παρουσιάζουν κινητική και μη κινητική προσβολή που ανιχνεύεται με τεχνικές δομικής νευροαπεικόνισης. Προκύπτουν διάχυτες μεταβολές τόσο στη φαιά όσο και στη λευκή ουσία τόσο σε κινητικές (κινητικός φλοιός, αισθητικοκινητικό τμήμα παρεγκεφαλίδας, φλοιονωτιαίο δεμάτιο, σώμα μεσολοβίου) όσο και μη κινητικές περιοχές (έσω, κογχο- και πλαγιοραχιαίες μετωπιαίες περιοχές, κροταφικές και ινιακές περιοχές). Οι ασθενείς χωρίς νοητική δυσλειτουργία (ALS-motor) παρουσιάζουν αύξηση της φαιάς ουσίας στη δεξιά συμπληρωματική κινητική περιοχή. Οι ασθενείς με νοητική δυσλειτουργία (ALS-plus) παρουσιάζουν πιο έντονες μεταβολές σε κινητικές και μη κινητικές περιοχές και συγκριτικά με τους ασθενείς χωρίς νοητική δυσλειτουργία παρουσιάζουν σημαντική ελάττωση στο προσφηνοειδές λόβιο στο αριστερό ημισφαίριο.Η συνδυαστική χρήση σύγχρονων τεχνικών νευροαπεικόνισης και μεθόδων μετεπεξεργασίας των δεδομένων επιτρέπει την ανάδειξη περιοχών ταυτόχρονης προσβολής της φαιάς και λευκής ουσίας.3. Δομική ακεραιότητα του κινητικού φλοιού και του φλοιονωτιαίου δεματίου και βαρύτητα της κινητικής ποοσβολής: Ανιχνεύεται θετική συσχέτιση μεταξύ της βαρύτητας της κινητικής προσβολής (ALSFRS-R) και του όγκου της αριστερής πρόσθιας κεντρικής έλικας. Ανιχνεύεται αρνητική συσχέτιση μεταξύ της ALSFRS-R και του όγκου της αριστερής συμπληρωματικής κινητικής περιοχής. Ανιχνεύεται αρνητική συσχέτιση μεταξύ της κλίμακας ALSFRS-R και του δείκτη διάχυσης Daxial στο αριστερό φλοιονωταίο δεμάτιο.4. Δομική ακεραιότητα του κινητικού φλοιού, του φλοιονωτιαίου δεματίου και των μεσολοβιακών ινών και λειτουργική ακεραιότητα του κινητικού συστήματος, όπως αυτή εξετάζεται μέσω του διακρανιακού μαγνητικού ερεθισμού: Διαπιστώθηκε ότι η λειτουργική ακεραιότητα του φλοιονωτιαίου δεματίου μπορεί να σχετίζεται και με δομικές μεταβολές σε φλοιϊκές αμιγώς κινητικές περιοχές, ανεξάρτητα από τη δομική ακεραιότητα του δεματίου. Βρέθηκε θετική συσχέτιση μεταξύ του όγκου τμήματος της δεξιάς πρόσθιας κεντρικής έλικας και του MEP / M ratio στο δεξί ά.ά., δηλαδή όσο μειώνεται ο λόγος, τόσο μεγαλύτερη η ελάττωση του όγκου στην εν λόγω περιοχή. Βρέθηκε αρνητική συσχέτιση μεταξύ του όγκου τμήματος της δεξιάς συμπληρωματικής κινητικής περιοχής και του MEP / M ratio στο δεξί ά.ά., δηλαδή όσο μειώνεται ο λόγος, τόσο μεγαλύτερος ο όγκος στην εν λόγω περιοχή. Χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του Brainance DTI Suite που επιτρέπει ιχνηλάτηση τόσο των χιαζόμενων όσο και των μη χιαζόμενων ινών του φλοιονωτιαίου δεματίου, διαπιστώθηκε ότι η διημισφαρική αναστολή μπορεί να είναι παθολογικά αυξημένη στους ασθενείς με ALS λόγω διαφορετικής συμμετοχής του ομόπλευρου και ετερόπλευρου φλοιονωτιαίου δεματίου και των χιαζόμενων και μη χιαζόμενων φλοιονωτιαίων ινών. Βρέθηκε αρνητική συσχέτιση μεταξύ του ΙΗΙ και του FA του αριστερού φλοιονωτιαίου δεματίου, δηλαδή όσο μειώνεται ο δείκτης FA (χειρότερη δομική ακεραιότητα), αυξάνεται ο δείκτης IHI. Βρέθηκε θετική συσχέτιση μεταξύ του IHI και του Dradial του δεξιού φλοιονωτιαίου δεματίου, δηλαδή όσο αυξάνεται ο δείκτης Dradial (χειρότερη δομική ακεραιότητα), αυξάνεται ο δείκτης ΙΗΙ.Βρέθηκε αρνητική συσχέτιση μεταξύ του SP και του FA του αριστερού φλοιονωτιαίου δεματίου, δηλαδή όσο μειώνεται ο δείκτης FA (χειρότερη δομική ακεραιότητα), αυξάνεται ο δείκτης SP. 5. Βαρύτητα των μη κινητικών -δομικών- μεταβολών και νοητική δυσλειτουργία μνημονικού τύπου: Μετά από έλεγχο για πολλαπλές συγκρίσεις, βρέθηκε ότι οι ALS ασθενείς παρουσιάζουν αύξηση του δείκτη Daxial στην αριστερή ζώνη της διατιτραίνουσας οδού του ιπποκάμπου (PPZ) ενώ έχουν ηπιότερες μεταβολές στην μικροδομική ακεραιότητα της ψαλίδας και της αγκιστροειδούς δεσμίδας. Για πρώτη φορά αναδεικνύεται η συνεισφορά του δεματίου PPZ του αριστερού ημισφαιρίου στη λεκτική ακουστική μάθηση των ασθενών με ALS και μαζί με την αριστερή αγκιστροειδή δεσμίδα στην ικανότητα μακροπρόθεσμης ανάκλησης λεκτικών πληροφοριών.6. Βαρύτητα των μη κινητικών -δομικών- μεταβολών και συναισθηματική ευμεταβλητότητα (κλαυσίγελος): Συγκριτικά με τους μάρτυρες, οι ασθενείς με συναισθηματική ευμεταβλητότητα (κλαυσίγελο) παρουσιάζουν διάχυτες περιοχές ατροφίας συγκριτικά με τους μάρτυρες στους μετωπιαίους (κάτω κογχομετωπιαίος, rectus), κροταφικούς (άνω), ινιακούς (σφηνοειδές λόβιο, ατρακτοειδής έλικα, γλωσσική έλικα) λοβούς, στην πρόσθια έλικα του προσαγωγίου και στην παρεγκεφαλίδα αμφοτερόπλευρα. Οι ασθενείς με συναισθηματική ευμεταβλητήτοτα συγκριτικά με τους ασθενείς χωρίς συναισθηματική ευμεταβλητότητα παρουσιάζουν μειωμένο όγκο στο προσφηνοειδές λόβιο/οπίσθια έλικα προσαγωγίου και στη μέση κροταφική έλικα στο δεξί ημισφαίριο, που συνάδει με τη συνεισφορά του δεξιού ημισφαιρίου στη συναισθηματική επεξεργασία και αντίληψη.7. Δομικές (νευροαπεικονιστικές) και λειτουργικές (νευροψυχολογικές) μεταβολές και προγνωστική ικανότητα για το ρυθμό εξέλιξης της νόσου: Η καμπύλη λεκτικής ακουστικής μάθησης αποτελεί αρνητικό προγνωστικό παράγοντα για το ρυθμό εξέλιξης, με βραδύτερη καμπύλη μάθησης να είναι προγνωστική ταχύτητερης εξέλιξης. Η ατροφία στα βασικά γάγγλια (κέλυφος φακοειδούς πυρήνα) αμφοτερόπλευρα και αριστερά στην άνω κροταφική έλικα και στον άνω κροταφικό πόλο σχετίζεται με ταχύτερο ρυθμό εξέλιξης. Η αύξηση του δείκτη Daxial στο σώμα του μεσολοβίου σχετίζεται με ταχύτερο ρυθμό εξέλιξης Συμπερασματικά: Με ιστορία σχεδόν δύο αιώνων από τις πρώτες περιγραφές των Bell και Aran και λίγο λιγότερο του ενάμιση αιώνα από την περιγραφή του Charcot και την καθιέρωση του όρου Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), η νόσος έχει πολυσυστηματικό χαρακτήρα, με μεγάλη ετερογένεια ως προς το εύρος και τη βαρύτητα της κλινικής και υποκλινικής -κινητικής και μη κινητικής- συμπτωματολογίας και πρόγνωση που δύσκολα μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια στατιστικών μοντέλων. Όμως, παράλληλα, συνιστά μία νόσο που επιβεβαιώνει την αλλαγή του κατά Κuhn Παραδείγματος, συνέπεια -στην προκειμένη περίπτωση- τόσο γραμμικής όσο και μη γραμμικής συσσώρευσης νέων γνώσεων από τις μεθόδος κλασσικής νευροφυσιολογίας και νευροψυχολογίας και τις σύγχρονες τεχνικές νευροαπεικόνισης