Multimodal MRI techniques and their use in the study of normal and pathological aging

Ing. Alžběta Šejnoha Minsterová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Difuzní kurtozní zobrazování (DKI) a zobrazování tenzoru difuze (DTI) jsou MRI metody, které umožňují hodnocení mikrostrukturních vlastností tkáně. Naším cílem bylo vyhodnotit jejich potenciál jakožto diagnostických biomarkerů Parkinsonovy choroby (PD), a to jak v animálních modelech, tak v pacientských skupinách. Dále jsme je použili pro hodnocení neurálních korelátů změn ve fyzické zdatnosti a kognitivních funkcích seniorů, kteří podstoupili taneční intervenci. V prvních dvou studiích se práce věnuje dvěma různým myším modelům PD. Pro hodnocení dlouhodobých změn v bílé a šedé hmotě byly použity metody tract-based spatial statistics (TBSS) a analýza oblastí zájmu. V další studii bylo využito DKI, DTI a deformation-based morfometrie, pro zhodnocení rozdílů mezi pacienty s PD s nenarušenou kognicí (PD-NC), pacienty s PD s mírnou kognitivní poruchou (PD-MCI) a zdravými kontrolami (HC). Diagnostická přesnost byla hodnocena pomocí ROC křivky a nejlepší kombinace diagnostických parametrů byla identifikována pomocí diferenciální analýzy. Ve studii s taneční intervencí byla použita TBSS a traktografie pro vyhodnocení rozdílů mezi skupinou podstupující taneční intervenci a kontrolní skupinou a pro nalezení neurálních korelátů behaviorálních změn způsobených šestiměsíční intervencí. V obou animálních modelech byly detekovány časné změny v DKI metrikách v šedé hmotě, což může ukazovat na ztrátu neuronů a šíření α-synucleinu. V pozdějších stádiích byly detekovány změny v podkorových oblastech šedé hmoty i v bílé hmotě. V pacientské studii byly detekovány změny v DKI metrikách v substantia nigra, premotorickém a motorickém kortexu PD-NC skupiny ve srovnání s HC. Signifikantní pokles hodnot DKI parametrů byl detekován v bílé i šedé hmotě u PD-MCI skupiny proti PD-NC. Srovnání těchto dvou skupin také odhalilo atrofii ve frontální oblasti u PD-MCI. Vhodnou kombinací difuzních markerů bylo dosaženo 81% přesnosti v odlišení PD-NC a HC, a 78% přesnosti pro odlišení obou PD skupin. Ve studii s taneční intervencí byly mezi skupinami pozorovány rozdíly ve fyzické zdatnosti a pozornostních a exekutivních funkcích. Byly detekovány vztahy mezi fyzickou zdatností a DTI metrikami v globální bílé hmotě a vybraných traktech, nicméně nebyl zjištěn rozdíl mezi oběma skupinami. Výsledky potvrdily potenciál DKI pro diagnostiku a odlišení různých fenotypů PD. Tento závěr je podložen translačním výzkumem. Studie s taneční intervencí ukázala změny ve fyzické zdatnosti a kognitivních funkcích seniorů, kteří intervenci podstoupili. U některých z těchto změn byly ukázány jejich neurální koreláty.

Abstract:

Diffusion kurtosis (DKI) and diffusion tensor imaging (DTI) are MRI techniques that enable to evaluate the microstructural characteristics of the tissue. We aimed to investigate their potential use as diagnostic biomarkers of Parkinson’s diseases (PD) both in animal models and in humans. Furthermore, we used it to evaluate neural correlates of the dance intervention-induced changes in physical fitness and cognition in non-demented seniors. First, we used tract-based spatial statistics (TBSS) and region of interest analysis to explore longitudinal changes in white matter (WM) and gray matter (GM) in two different toxine-induced mouse models of PD. Further, we used both DKI and DTI as well as deformation-based morphometry to evaluate differences between PD patients with normal cognition (PD-NC), PD patients with mild cognitive impairment (PD-MCI), and healthy controls (HC). The diagnostic accuracy was examined using the receiver operating characteristic curve and differential analysis identified the best diagnostic set of parameters. In the dance intervention study, we used TBSS and tractography to examine differences between “dance intervention” and “life as usual” groups and to identify neural correlates of the behavioural effects of six-month dance intervention. In both animal models we detected early changes in DKI metrics in GM, indicating loss of neurons and spreading of α-synuclein. At later timepoints we found changes in DKI metrics in both subcortical GM and WM. In humans, DKI metrics showed increase in substantia nigra, premotor, and motor cortices in PD-NC compared to HC. Significant decrease in DKI metrics in WM and cortical and subcortical GM were present in PD-MCI versus PD-NC. Frontal atrophy in PD-MCI compared to PD-NC was revealed. Combined diffusion markers reached 81% accuracy in differentiating between PD-NC and HC groups and 78% accuracy in differentiating between PD-MCI and PD-NC. In the dance intervention study, diffferences were observed between both groups in physical fitness, attention, and executive functions. We detected correlations between fitness and DTI metrics in the global WM and large WM tracts, despite that no significant differences in WM were found between the groups. Our results confirm the ability of DKI in diagnostics of PD and various disease phenotypes. This conclusion is supported by translational MRI research. The dance intervention study showed the intervention-induced changes on participants’ physical fitness and cognition. Microstructural correlates of some of these changes were identified.

Keywords

Diffusion Kurtosis Imaging, Diffusion Tensor Imaging, Parkinson’s disease, Mild Cognitive Impairment, Dance Intervention

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 9. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 6. 12. 2021
• Supervisor: prof. MUDr. Irena Rektorová, Ph.D.
• Reader: prof. MUDr. Ing. Petr Hluštík, Ph.D., doc. MUDr. Stanislav Šutovský, PhD., MUDr. Jiří Keller, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Neurosciences / Neurosciences