Visualization and Quantification of White Matter Impairment in Motor Neuron Disease using Diffusion Tensor Imaging

De Engelse term motor neuron disease (MND) wordt meestal gebruikt om t e verwijzen naar een groep van neurodegeneratieve aandoeningen, waarbij dysfunctie en degeneratie v an het motorische systeem centraal staan. De meest voorkomende vorm (of fenotype) van MND is amyotrofe laterale sclerose (ALS), een aandoening w aarbij de motorneuronen in het ruggenmerg en de hersenstam (de perifere motorneuronen, PMN) en deze in de motor en premotor cortex (de centrale motorneuronen, CMN) progressief aftakelen en degenereren. Hierdoor verli ezen ALS patienten geleidelijk de controle over vrijwillige beweging. An dere aandoeningen die onder de noemer MND geplaatst kunnen worden zijn p rimaire laterale sclerose (PLS) en progressieve musculaire atrofie (PMA) , waarbij er respectievelijk enkel klinische evidentie is van aantasting van de CMN of van de PMN. Alhoewel al deze aandoeningen eerder zeldzaam voorkomen, is hun verloop snel progressief en onvermijdelijk fataal, met een ietwat mildere prognose voor PLS. In 5-10 % van alle ALS patiënten ligt een genetische afwijking aan de basi s van de ziekte. Voor alle andere ALS patienten, alsook voor PLS en PMA patienten, is de etiologie van hun aandoening nog ongekend. Verder is he t ook onduidelijk of deze verschillende fenotypes klinische uitingen zij n van een biologisch gelijkaardige pathologie, of eerder een biologisch verschillende oorzaak hebben en een vergelijkbaar klinisc h fenotype. Momenteel bestaan er nog geen specifieke klinische testen voor deze aand oeningen, wat het stellen van een correcte diagnose bemoeilijkt. Doorgaans wordt een diagnose gest eld op basis van neurologische en neurofysiologische onderzoeken, na het uitsluiten van aandoeningen die een gelijkaardige symptomatologie veroo rzaken, maar veroorzaakt worden door andere pathologische mechanismen. A antasting van het PMN kan door middel van electromyografie (EMG) vastges teld worden. De evaluatie van de integriteit van de CMN is daarentegen v eel moeilijker; enerzijds kunnen de tekenen van CMN lijden zeer discreet zijn in het begin van de ziekte, anderzijds kunnen ze enigszins gemaske erd worden door tekenen van PMN lijden. Daarnaast is er geen algemeen er kende objectieve marker voor CMN lijden, hetgeen het stellen van een dia gnose verder bemoeilijkt. Ondanks uitgebreide neurofysiologische en beel dvormingsonderzoeken, ontbreekt het nog steeds aan een voldoende sensiti eve techniek om het CMN lijden in de klinische praktijk te evalueren. In dit thesisonderzoek hebben we getracht de aantasting van de witte sto f in de hersenen in de verschillende fenotypes te visualizeren en te kwa ntificeren door middel van magnetische resonantie beeldvorming (MRI), en meer specifiek door middel van diffusie tensor beeldvorming (DTI). DTI is een beeldvormingstechniek waarmee de kenmerken van de diffusie va n watermoleculen in biologische weefsels bestudeerd kunnen worden. Zo kunnen de oriëntati e en de integriteit van de witte stof banen in vivo geëvalueerd worden m et behulp van DTI. Naast visualizatie van deze eigenschappen, kunnen enk ele kwantitatieve parameters afgeleid worden uit deze metingen, die elk informatie verschaffen over een van de kenmerken van het diffusie proces . Zo kan de parameter fractionele anisotropie (FA) gebruikt worden om de directionaliteit van de diffusie te beschrijven, terwijl de parameter gemiddelde diffusiviteit (MD) de gemiddelde hoeveelheid diffusie weer geeft. Het hoofddoel van dit thesisonderzoek was om na te gaan of er voldoende sensitieve (pseudo)biomarkers voor MND kunnen gevonden worden met DTI, e n of zulke markers geschikt zijn voor longitudinale opvolging van patiën ten met een van de vormen van MND. Daarnaast wilden we ook nagaan of de witte stof aantasting in de hersenen al dan niet verschillend is in de v erschillende fenotypes van MND. Op basis van deze onderzoeksvragen werde n drie experimenten uitgevoerd, die in detail beschreven worden in het e xperimentele gedeelte van deze thesis. In een eerste experiment werden de DTI data van ALS patienten vergeleken met deze van gezonde controles om het gebruik van kwantitatieve DTI parameters als (pseudo)bi omarker voor ALS te evalueren. Hierbij werden verschillende DTI dataverw erkingstechnieken gebruikt. Ten eerste maakten we een gedetailleerde ana lyse van de witte stof aantasting van de corticospinale baan in ALS pati ënten met behulp van fiber tractography . Deze techniek laat toe om de majeure witte stof banen in de hersenen virtueel te reconstrueren. Via s patiale interpolatie van deze reconstructies konden we aantonen dat de c orticospinale baan sterk aangetast is in ALS, en dan voornamelijk het cr aniale gedeelte gelegen onder de motor cortex. Ten tweede hebben we onze focus uitgebreid tot de gehele witte stof in de hersenen door het gebru ik van een voxel-gebaseerde benadering. Hierbij werd aangetoond dat de w itte stof aantasting zich niet beperkt tot de corticospinale baan, maar dat deze ook gevonden kan worden in de frontotemporale witte stof. Hieru it besloten we dat ALS eerder beschouwd zou moeten worden als een multisysteem aandoening in plaats van een aandoening waarbij de motorneu ronen selectief aangetast zijn. Ten derde vonden we niet enkel een corre latie van de ernst van de aandoening (gemeten als score op de ALS functi onal rating scale) met de graad van aantasting van de corticospinale baa n (gemeten door de FA-waardes), maar ook met de graad van aantasting in de prefrontale witt e stof, hetgeen het belang van de niet-motorische structuren in de in vi vo fysiopathologie in ALS verder onderlijnt. Tenslotte vonden we op basis van longitudinale DTI metingen in zeven patiënten een daling van de FA waardes in de gehele witte stof bij progressie van de ziekte. Uit dit experiment blijkt bijgevolg dat DTI mogelijk geschik te (pseudo)biomarkers voor ALS biedt. Alhoewel de resultaten van het eerste experiment veelbelovend waren, moe t de interpretatie van deze resultaten toch met enige voorzichtigheid ge beuren. Ten eerste konden we voor het eerste experiment de mogelijke aan wezigheid van vals positieve of vals negatieve resultaten in de voxel-ge baseerde analyses niet met zekerheid uitsluiten. Voor voxel-gebaseerde a nalyses gaat men doorgaans uit van beelden die spatiaal genormalizeerd zijn (i.e., de originele beelden worden spat iaal getransformeerd naar eenzelfde referentie of atlas, zodat de beeldp unten in elk beeld in overeenstemming zijn met elkaar qua anatomische lo catie). Voor DTI data wordt zulke normalisatie bemoeilijkt door het feit dat deze data niet enkel intensiteitswaarden bevatten, maar ook informa tie over de principale richting en de directionaliteit van de diffusie. Recent werd aangetoond dat voor een correcte normalizatie, deze specifie ke informatie ook in acht genomen moet worden. Daarentegen, in het eerst e experiment werd deze informatie niet gebruikt tijdens spatiale normali zatie. Aangezien de validiteit, specificiteit en sensitiviteit van stati stische analyses van mogelijke groepsverschillen sterk afhankelijk zijn van de kwaliteit van de spatiale normalizatie van de DTI data, was onze originele benadering voor spatiale normalizatie van DTI data mogelijk su boptimaal. Verschillende technieken werden ondertussen voorgesteld om de kwaliteit van deze normalizatie te verbeteren. Zo werden er bijvoorbeel d niet-rigiede registratie algoritmes ontwikkeld, waarin zowel de spatia le als directionele informatie gebruikt worden tijdens de spatiale trans formatie. Ook is het ondertussen mogelijk om referentiebeelden of DTI at lassen te maken, waarin alle specifieke informatie geïntegreerd is, die dan kunnen dienen als referentie voor de registratie. Een mogelijk alter natief voor de combinatie van niet-rigiede coregistratie en DTI atlassen , is een recent ontwikkelde hybride techniek: tract-based spatial stati stics (TBSS). Bij deze techniek is een perfecte spatiale normalisatie n iet langer vereist, wat de betrouwbaarheid van de statistische resultate n van voxel-gebaseerde analyses mogelijk verbetert. Ten tweede konden we enkele verschillen tussen resultaten verkregen met de voxel-gebaseerde analyses en deze door spatiale interpolatie van de reconstructies van de corticospinale baan niet verklaren. Op basis van deze twee argumenten besloten we om het eerste experiment t e herhalen, gebruik makend van de hierboven genoemde, recent ontwikkelde technieken in het t weede experiment. Uit ons tweede experiment bleek dat de variantie van d e DTI parameters na spatiale normalizatie met behulp van zulke technieke n duidelijk lager was, en dat op die manier meer betrouwbare statische r esultaten verkregen werden in voxel-gebaseerde analyses. De resultaten v an deze geoptimaliseerde voxel-gebaseerde analyses en de TBSS analyses waren grotendeels overlappend, en tonen opnieuw aan dat ALS eerder als een multisysteem ziekte zou moeten beschouwd worden, zoals reeds gesugge reerd bij het eerste experiment. In het derde experiment werden deze geoptimaliseerde voxel-gebaseerde analyses gebruikt om de witte stof aantasting te bestuderen in de versch illende fenotypes van MND. Voor dit experiment namen we DTI data op in v ier groepen van elk twaalf patiënten met respectievelijk limb-onset AL S, bulbar-onset ALS, PLS of PMA. Deze data werden vergeleken met die v an 12 gezonde controles. Daarnaast werden er ook longitudinale DTI metin gen uitgevoerd om onze preliminaire longitudinale resultaten van het eer ste experiment te evalueren. In alle fenotypes van MND vonden we duideli jke, doch qua omvang variërende, witte stof aantasting, die uitbreidde i n het verdere verloop van de ziekte. Zulke aantasting was niet beperkt t ot de witte stof structuren die instaan voor het plannen, voorbereiden e n uitvoeren van beweging, maar werd ook gevonden in deze voor interhemis ferische communicatie, executieve functies en geheugen, zelfs in patiënt en met PMA. In conclusie, dit thesisonderzoek toont aan dat DTI een veelbelovende te chniek is voor het bestuderen van de witte stof aantasting in de verschi llende fenotypes van MND. De geobserveerde veranderingen in DTI paramete rs in deze patiënten leiden tot de suggestie dat DTI parameters mogelijk gebruikt kunnen worden als sensitieve (pseudo)biomarkers in alle onderz ochte fenotypes van MND. Zo vonden we niet alleen verschillen tussen de patiënten en de controles, maar ook bij lon gitudinale evaluatie, of bij evaluatie van de witte stof aantasting in e en vroeg stadium van limb-onset ALS, bulbar-onset ALS en PMA. Een extra argument voor zulk idee kan gevonden worden in de geobserveerde correlat ie tussen de ernst van de ziekte en de DTI parameters, niet enkel in de corticospinale baan, maar ook in de (pre)frontale witte stof. Deze bevin dingen geven aan dat DTI in de toekomst mogelijk gebruikt zou kunnen wor den om het effect van therapeutische interventie op het corticale motor systeem te evalueren. De aanwezigheid van witte stof aantasting, ook buiten het motorische sys teem, in alle fenotypes van MND suggereert dat deze alle multisysteem aa ndoeningen zijn, waarin het motorische systeem mogelijk het meest kwetsb aar, en daarom ook klinisch het meest en het meest duidelijk aangetast, is. Aangezien we ook duidelijke witte stof aantasting vonden in niet-mot orische gebieden in limb-onset ALS, bulbar-onset ALS en zelfs PMA patiën ten die zich in een vroeg stadium van hun ziekte bevonden, is er mogelij k een belangrijke rol weggelegd voor deze niet-motorische gebieden in de in vivo fysiopathologie van de verschillende fenotypes van MND. Daarenb oven was de witte stof aantasting in limb-onset en PMA vergelijkbaar, wa t er op wijst dat deze fenotypes mogelijk minder verschillen dan voorhee n gedacht werd. Deze observatie roept dan ook de vraag op of PMA patiënt en geen toegang zouden moeten krijgen tot dezelfde therapieen en klinische trials als ALS patië nten. Kort samengevat, dit thesisonderzoek toont aan dat limb-onset ALS, bulba r-onset ALS, PLS en PMA, als vormen van MND elk gekenmerkt worden door een verschillende omvang v an witte stof aantasting en dit voornamelijk in de vroege stadia van de ziekte.CONTENTS Acknowledgments I Contents V List of abbreviations XI Outline and objectives 1 1 Motor Neuron Disease 7 1.1 Introduction 7 1.2 MND phenotypes 7 1.2.1 Amyotrophic lateral sclerosis 7 1.2.2 Progressive muscular atrophy 9 1.2.3 Primary lateral sclerosis 11 1.3 Cause of MND 13 1.4 Pathology of MND 16 1.5 Diagnosis of MND 19 1.6 Treatment of MND 22 1.7 Neuroimaging studies in MND 22 1.7.1 Nuclear medicine techniques in MND 23 1.7.2 Magnetic resonance imaging in MND 24 1.8 References 33 2 Diffusion Tensor Imaging 47 2.1 Introduction 47 2.2 Biophysical basis of DTI 47 2.3 Diffusion in the brain 48 2.3.1 Anatomy of the brain 48 2.3.2 Anisotropy in the brain 55 2.4 Data acquisition 57 2.4.1 Diffusion-weighted MRI 57 2.4.2 The diffusion tensor model 60 2.4.3 Physical factors affecting diffusion measurements 64 2.4.3 Quantitative measures of diffusion 66 2.5 Display of DTI data 69 2.6 DTI data preprocessing 70 2.6.1 Motion and eddy current correction 70 2.6.2 b-matrix correction 71 2.7 DTI data analysis 72 2.7.1 Region-of-interest analysis 72 2.7.2 Fiber tractography 73 2.7.3 Voxel-based analysis 74 2.7.4 Tract-based spatial statistics 78 2.8 General limitations of DTI 81 2.9 References 83 3 Can White Matter Involvement in Amyotrophic Lateral Sclerosis be assessed with Diffusion Tensor Imaging? 93 3.1 Abstract 93 3.2 Introduction 94 3.3 Materials and methods 97 3.3.1 Subjects 97 3.3.2 MR data acquisition 100 3.3.3 Processing of MR data 100 3.4 Results 106 3.4.1 VBM: Searching for brain atrophy 106 3.4.2 Fibertracking: Three-dimensional tract reconstruction 106 3.4.3 Interpolation of tract data 110 3.4.4 Voxel-based analysis: Searching for extramotor involvement 112 3.4.5 Correlation analysis 115 3.4.6 Follow-up examination 115 3.5 Discussion 118 3.5.1 Voxel-based morphometry 118 3.5.2 Fibertracking analysis 119 3.5.3 Interpolation of tract data 121 3.5.4 Voxel-based analysis 123 3.5.5 Correlation analysis 126 3.5.6 Follow-up examinations 127 3.5.7 Conclusion 128 3.6 Acknowledgements 129 3.7 References 130 4 Improvement of the Reliability of Voxel-based Analyses by State-of-the-Art Data Processing Techniques 135 4.1 Abstract 135 4.2 Introduction 136 4.3 Materials and Methods 142 4.3.1 Subjects 142 4.3.2 Data acquisition 143 4.3.3 Data processing 143 4.3.4 Data analysis 149 4.4 Results 150 4.4.1 Coefficient of variance 150 4.4.2 VBA and TBSS analysis of FA maps 153 4.4.3 VBA and TBSS analysis of MD maps 154 4.4.4 Correlation analysis of ALSFRS and FA 159 4.4.5 Correlation analysis of ALSFRS and MD 159 4.5 Discussion 162 4.5.1 Processing of DTI data 162 4.5.2 Calculation of the coefficient of variance 165 4.5.3 FA and MD in ALS 166 4.5.4 VBA versus TBSS 171 4.5.5 Conclusion 172 4.6 Acknowledgments 173 4.7 References 174 5 Longitudinal Assessment of Whole-brain White Matter Involvement in Different Phenotypes of Motor Neuron Disease using Optimized DTI Voxel-based Analyses 181 5.1 Abstract 181 5.2 Introduction 182 5.3 Materials and Methods 185 5.3.1 Subjects 185 5.3.2 Data acquisition 188 5.3.3 Data processing 188 5.3.4 Data analysis 190 5.4 Results 191 5.4.1 Effect of group 191 5.4.2 FA changes in controls 192 5.4.3 FA changes in limb-onset ALS 192 5.4.4 FA changes in bulbar-onset ALS 192 5.4.5 Limb-onset versus bulbar-onset ALS 197 5.4.6 FA changes in PLS 198 5.4.7 FA changes in PMA 199 5.5 Discussion 203 5.5.1 Interpretation of FA changes 204 5.5.2 Comparison of previous DTI studies 204 5.5.3 FA changes in limb-onset ALS 205 5.5.4 FA changes in bulbar-onset ALS 207 5.5.5 Limb-onset versus bulbar-onset ALS 210 5.5.6 FA changes in PLS 211 5.5.7 FA changes in PMA 212 5.5.8 Conclusion 214 5.6 Acknowledgments 214 5.7 References 215 6 Concluding discussion 223 6.1 DTI data processing 223 6.2 Comparison of DTI studies in MND 225 6.3 FA and MD as potential (pseudo)biomarkers in MND 228 6.3.1 FA and MD in normal subjects 228 6.3.2 FA and MD in ALS 230 6.4 The role of DTI in MND 233 6.5 Future perspectives 234 6.6 Conclusion 236 6.7 References 238 Summary 241 Samenvatting 247 Academic overview 255nrpages: 295status: publishe