Диффузионная визуализация на основе трактов и вокселей при шизофрении и биполярном аффективном расстройстве

1.

Какие методы традиционно используются для обработки диффузионных изображений и какие у них ограничения и недостатки?

Для обработки диффузионных изображений доступно несколько методов, включая подходы на основе области интереса (ROI), воксельной и трактовой пространственной статистики (TBSS) (Soares J.et.al., 2013). Анализ на основе ROI требует априорного разграничения областей белого вещества, что может быть сложным для небольших областей, в то время как методы на основе вокселей могут быть осложнены неточностями алгоритмов регистрации с использованием тензорных наборов данных и, как было показано, очень чувствительны к различиям в параметрах обработки. Недостатком подхода, основанного на тракте, такого как TRACULA, является то, что он может ослабить идентификацию аномалий FA, если они не присутствуют повсеместно в данных трактах. Можно предположить, что исследования целостности белого вещества будут наиболее информативными, если методы, основанные на исследовании трактов, будут сочетаться с подходами, основанными на вокселях.  Высокие амплитуды градиента полезны для диффузионной магнитно-резонасной томографии (dMRI) и увеличивают отношение сигнал/шум (SNR) по сравнению с обычными системами. Последствия отклонений FA при заболеваниях хорошо описаны. FA измеряет асимметрию в направлении диффузии воды. В той степени, в которой волокнистые тракты белого вещества структурно неповреждены и здоровы, диффузия воды будет определяться когерентным направлением по пути волокнистого тракта.  Аксональная деградация, демиелинизация и нейродегенеративные эффекты приведут к нарушению когерентности диффузии воды и, следовательно, к снижению FA. Такие результаты, по-видимому, в значительной степени связаны с нейробиологией, лежащей в основе шизофрении, учитывая, что низкий уровень FА часто наблюдается у пациентов, не принимавших лекарства, а также у здоровых братьев и сестер или лиц из группы высокого риска (Zhou Y.et.al., 2017).  

2.

В каких трактах при шизофрении снижается фракционная анизотропия и о чем это говорит? 

При визуализации чаще всего используется модель тензора диффузии, которая предоставляет часто используемый исследователями  показатель фракционной анизотропии (FA), которая является мерой асимметрии диффузии воды и косвенно индексирует «нейрональную целостность», предположительно отражая как миелинизацию, так и организацию трактов белого вещества. Исследования диффузионной визуализации при шизофрении показали снижение FA в дальних ассоциативных трактах, включая верхний продольный пучок, поясной пучок, крючковидный пучок, нижний продольный пучок и дугообразный пучок; проекционные тракты, такие как передняя таламическая лучистость; и мозолистое тело (Karlsgodt K., et.al., 2016). Метаанализ исследований морфометрии на основе вокселей и диффузионной визуализации указал на широко распространенное нарушение белого вещества при шизофрении, в основном затрагивающее длинные проекционные волокна, мозолистые и комиссуральные волокна, часть двигательных нисходящих волокон и лобно-височно-лимбические пути (Vitolo E.,et.al., 2017). 

Что показывает диффузионная визуализация пациентов с биполярным афективным расстройством?

Исследования диффузионной визуализации при биполярном аффективном расстройстве показали различные результаты, при этом сообщалось о снижении FA в ряде трактов белого вещества , включая мозолистое тело, а также в лобных и височных областях (Bruno S., et.al., 2008).  TRACULA (TRActs Constrained by UnderLying Anatomy), автоматизированный вероятностный набор инструментов трактографии в Freesurfer (Yendiki А., et al., 2011), использовался для сегментации 18 основных трактов белого вещества при биполярном расстройстве и показал снижение FA во многих трактах, включая верхний продольный пучок, поясную извилину и кортикоспинальные тракты (Ji A., et.al., 2017). FA нескольких трактов в группе с биполярным расстройством демонстрируют тенденцию к более высоким значениям по сравнению со здоровыми людьми, особенно в поясно-угловом пучке. Исследования на основе вокселей обычно сообщают о снижении FA у биполярных пациентов в нескольких трактах: лобно-лимбических (например, поясной пучок), межполушарных (например, мозолистое тело) и дальних связях между ассоциативными корами (например, верхний продольный пучок) ( (Nortje G., et.al., 2013). Снижение структурной связности поясной извилины, в первую очередь в ее передней части, было связано с биполярным расстройством. В то же время была отмечена положительной корреляции между целостностью поясной извилины и тяжестью мании и психоза при шизофрении. Возможно, это может отражать повышенную когерентность волокон, связанную с длительной гиперактивностью гиппокампа и/или миндалевидного тела, которая связана с биполярным расстройством. 

О чем говорит снижение фракционной анизотропии в височном тракте верхнего продольного пучка при биполярном расстройстве? 

Снижение FA в височном тракте верхнего продольного пучка (SLF-T) также предсказывает хронические аффективные симптомы у пациентов с биполярным расстройством, что позволяет предположить, что нарушение целостности этого тракта может быть связано с нейробиологией заболевания. SLF - это основной ассоциативный тракт в мозге, который соединяет лобную, затылочную, теменную и височную доли мозга, и по сути, единственный тракт белого вещества, который показал снижение FA в разных исследованиях TRACULA биполярного расстройства. Нарушенная целостность SLF-T также связана с психотическими симптомами, что позволяет предположить, что этот тракт может быть маркером тяжести заболевания, а не конкретного симптома.

3.

Чем отличается подход анализа состояния белого вещества мозга на основе тракта и на основе вокселя и какой из них более информативен при шизофрении?

 Диффузионная визуализация высокой четкости с использованием подхода на основе тракта (TRACULA) и подхода на основе вокселей (TBSS) при шизофрении и биполярном аффективном расстройстве способствует дифференциальной диагностики этих расстройств. TRACULA выявляет тенденцию к снижению фракционной анизотропии (FA) нижних трактов у пациентов с шизофренией. Результаты TBSS показывает в основном одностороннее снижение вокселей FA у пациентов с шизофренией, что не отмечается при биполярном расстройстве. TRACULA показывает, что FA передней таламической радиации предсказывает хроническую аффективность, а FA поясно-углового пучка - недавнюю манию у пациентов. При TBSS хроническая мания коррелирует с вокселями FA в левой передней таламической радиации и мозолистом теле. FA трактов белого вещества можно проанализировать с помощью программного обеспечения TRACULA. Воксельный статистический анализ данных диффузии рекомендуется проведить с помощью программного обеспечения пространственной статистики на основе трактов (TBSS). Воксельный анализ диффузионных данных более чувствителен, чем анализ на основе тракта при выявлении таких аномалий.  (Mamah D., et.al., 2019), потому, что последний ослабляет значимые групповые эффекты, если аномалии белого вещества не присутствуют во всем тракте. За исключением белого вещества мозжечка, различия результатов диффузионного тензорного изображения в основном касаются белого вещества левого полушария.

Выводы

Диффузионная визуализация при шизофрении показывает снижение FA в дальних ассоциативных трактах, включая верхний продольный пучок, поясной пучок, крючковидный пучок, нижний продольный пучок и дугообразный пучок; а также  в проекционные трактах, таких как передняя таламическая лучистость; и мозолистое тело

При биполярном аффективно мрасстройстве отмечается снижении FA в мозолистом теле, а также в лобных и височных областях

При подходе на основе вокселей хроническая мания коррелирует с вокселями FA в левой передней таламической радиации и мозолистом теле.

Воксельный анализ диффузионных данных более чувствителен, чем анализ на основе тракта

Литература 

Bruno S., Cercignani M., Ron M.A. White matter abnormalities in bipolar disorder: a voxel-based diffusion tensor imaging study. Bipolar Disord. 2008;10:460–468.

Ji A., Godwin D., Rutlin J., Kandala S., Shimony J.S., Mamah D. Tract-based analysis of white matter integrity in psychotic and nonpsychotic bipolar disorder. J. Affect. Disord. 2017;209:124–134. 

Karlsgodt K.H. Diffusion imaging of white matter in schizophrenia: progress and future directions. Biol. Psychiatry Cogn. Neurosci. Neuroimaging. 2016;1:209–217.

Mamah D., et.al. White matter integrity in schizophrenia and bipolar disorder: Tract- and voxel-based analyses of diffusion data from the Connectom scanner. Neuroimage Clin. 2019; 21: 101649. 

Nortje G., Stein D.J., Radua J., Mataix-Cols D., Horn N. Systematic review and voxel-based meta-analysis of diffusion tensor imaging studies in bipolar disorder. J. Affect. Disord. 2013;150:192–200.

Soares J.M., Marques P., Alves V., Sousa N. A hitchhiker's guide to diffusion tensor imaging. Front. Neurosci. 2013;7:31.

Yendiki A., Panneck P., Srinivasan P., Stevens A., Zollei L., Augustinack J., Wang R., Salat D., Ehrlich S., Behrens T., Jbabdi S., Gollub R., Fischl B. Automated probabilistic reconstruction of white-matter pathways in health and disease using an atlas of the underlying anatomy. Front. Neuroinform. 2011;5:23. 

Vitolo E., Tatu M.K., Pignolo C., Cauda F., Costa T., Ando A., Zennaro A. White matter and schizophrenia: a meta-analysis of voxel-based morphometry and diffusion tensor imaging studies. Psychiatry Res. Neuroimaging. 2017;270:8–21.

Zhou Y., Liu J., Driesen N., Womer F., Chen K., Wang Y., Jiang X., Zhou Q., Bai C., Wang D., Tang Y., Wang F. White matter integrity in genetic high-risk individuals and first-episode schizophrenia patients: similarities and disassociations. Biomed. Res. Int. 2017;2017:3107845.