Published July 26, 2019 | Version v1
Publication Open

Alterations in White Matter Network and Microstructural Integrity Differentiate Parkinson's Disease Patients and Healthy Subjects

Creators

  • 1. University Medical Center of the Johannes Gutenberg University Mainz
  • 2. Johannes Gutenberg University Mainz
  • 3. University of Engineering and Technology Lahore
  • 4. Institute of International Relations of Moldova
  • 5. Nicolae Testemițanu State University of Medicine and Pharmacy
  • 6. BG University Hospital Bergmannsheil Bochum
  • 7. Ruhr University Bochum
  • 8. Kiel University

Description

Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disease, neuropathologically characterised by progressive loss of neurons in distinct brain areas. We hypothesize that quantifiable network alterations are caused by neurodegeneration. The primary motivation of this study was to assess the specific network alterations in PD patients that are distinct but appear in conjunction with physiological aging. 178 subjects (130 females) stratified into PD patients, young, middle-aged and elderly healthy controls (age- and sex-matched with PD patients), were analysed using 3D-T1 magnetization-prepared rapid gradient-echo (MPRAGE) and diffusion weighted images acquired in 3T MRI scanner. Diffusion modelling and probabilistic tractography analysis were applied for generating voxel-based connectivity index maps from each seed voxel. The obtained connectivity matrices were analysed using graph theoretical tools for characterization of involved network. By network-based statistic (NBS) the interregional connectivity differences between the groups were assessed. Measures evaluating local diffusion properties for anisotropy and diffusivity were computed for characterization of white matter microstructural integrity. The graph theoretical analysis showed a significant decrease in distance measures - eccentricity and characteristic path length - in PD patients in comparison to healthy subjects. Both measures as well were lower in PD patients when compared to young and middle-aged healthy controls. NBS analysis demonstrated lowered structural connectivity in PD patients in comparison to young and middle-aged healthy subject groups, mainly in frontal, cingulate, olfactory, insula, thalamus and parietal regions. These specific network differences were distinct for PD and were not observed between the healthy subject groups. Microstructural analysis revealed diffusivity alterations within the white matter tracts in PD patients, predominantly in the body, splenium and tapetum of corpus callosum, corticospinal tract and corona radiata, which were absent in normal aging. The identified alterations of network connectivity presumably caused by neurodegeneration indicate the disruption in global network integration in PD patients. The microstructural changes identified within the white matter could endorse network reconfiguration. This study provides a clear distinction between the network changes occurring during aging and PD. This will facilitate a better understanding of PD pathophysiology and the direct link between white matter changes and their role in the restructured network topology..

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

مرض باركنسون (PD) هو مرض تنكسي عصبي، يتميز من الناحية العصبية بفقدان تدريجي للخلايا العصبية في مناطق دماغية متميزة. نحن نفترض أن تغييرات الشبكة القابلة للقياس الكمي ناتجة عن التنكس العصبي. كان الدافع الأساسي لهذه الدراسة هو تقييم تغييرات الشبكة المحددة في مرضى PD المتميزة ولكنها تظهر بالاقتران مع الشيخوخة الفسيولوجية. تم تحليل 178 شخصًا (130 أنثى) مقسمين إلى مرضى PD، وضوابط صحية للشباب ومتوسطي العمر وكبار السن (تتطابق مع العمر والجنس مع مرضى PD)، باستخدام صدى التدرج السريع ثلاثي الأبعاد ثلاثي الأبعاد (MPRAGE) والصور الموزونة بالانتشار التي تم الحصول عليها في ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي ثلاثي الأبعاد. تم تطبيق نمذجة الانتشار وتحليل المجرى الاحتمالي لتوليد خرائط مؤشر الاتصال القائمة على الفوكسل من كل فوكسل بذرة. تم تحليل مصفوفات الاتصال التي تم الحصول عليها باستخدام أدوات نظرية للرسم البياني لتوصيف الشبكة المعنية. من خلال الإحصاء القائم على الشبكة (NBS)، تم تقييم اختلافات الاتصال الأقاليمي بين المجموعات. تم حساب مقاييس تقييم خصائص الانتشار المحلي للتباين والانتشار لتوصيف السلامة الهيكلية الدقيقة للمادة البيضاء. أظهر التحليل النظري للرسم البياني انخفاضًا كبيرًا في مقاييس المسافة - الغرابة وطول المسار المميز - في مرضى الشلل الدماغي بالمقارنة مع الأشخاص الأصحاء. كان كلا المقياسين أيضًا أقل في مرضى الشلل الرعاش بالمقارنة مع الضوابط الصحية للشباب ومتوسطي العمر. أظهر تحليل NBS انخفاض الاتصال الهيكلي لدى مرضى مرض باركنسون مقارنة بالمجموعات الصحية الشابة ومتوسطة العمر، خاصة في المناطق الأمامية والحزامية والشمية والجزيرية والمهاد والجدارية. كانت هذه الاختلافات المحددة في الشبكة مميزة لمرض باركنسون ولم تتم ملاحظتها بين مجموعات الأشخاص الأصحاء. كشف التحليل الهيكلي الدقيق عن تغيرات في الانتشار داخل مساحات المادة البيضاء في مرضى مرض باركنسون، في الغالب في الجسم، والطحال والبساط من الجسم الثفني، والقشرة الشوكية، والإكليل المشع، والتي كانت غائبة في الشيخوخة الطبيعية. تشير التغييرات التي تم تحديدها في اتصال الشبكة والتي من المفترض أن تكون ناجمة عن التنكس العصبي إلى الاضطراب في تكامل الشبكة العالمية لدى مرضى الشلل الرعاش. يمكن أن تدعم التغييرات الهيكلية الدقيقة المحددة داخل المادة البيضاء إعادة تشكيل الشبكة. توفر هذه الدراسة تمييزًا واضحًا بين تغييرات الشبكة التي تحدث أثناء الشيخوخة ومرض باركنسون. سيسهل ذلك فهمًا أفضل للفيزيولوجيا المرضية لمرض باركنسون والصلة المباشرة بين تغيرات المادة البيضاء ودورها في طوبولوجيا الشبكة المعاد هيكلتها..

Translated Description (French)

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative, caractérisée neuropathologiquement par une perte progressive de neurones dans des zones cérébrales distinctes. Nous émettons l'hypothèse que les altérations quantifiables du réseau sont causées par la neurodégénérescence. La motivation principale de cette étude était d'évaluer les altérations spécifiques du réseau chez les patients atteints de MP qui sont distinctes mais apparaissent en conjonction avec le vieillissement physiologique. 178 sujets (130 femmes) stratifiés en patients atteints de PD, jeunes, d'âge moyen et âgés témoins sains (appariés à l'âge et au sexe avec les patients atteints de PD), ont été analysés en utilisant des images à gradient d'écho rapide préparées par magnétisation 3D-T1 (MPRAGE) et des images pondérées par diffusion acquises dans un scanner IRM 3T. La modélisation de la diffusion et l'analyse probabiliste de la tractographie ont été appliquées pour générer des cartes d'indice de connectivité basées sur les voxels à partir de chaque voxel de semence. Les matrices de connectivité obtenues ont été analysées à l'aide d'outils théoriques de graphes pour la caractérisation du réseau impliqué. Par statistique basée sur le réseau (NBS), les différences de connectivité interrégionale entre les groupes ont été évaluées. Des mesures évaluant les propriétés locales de diffusion pour l'anisotropie et la diffusivité ont été calculées pour la caractérisation de l'intégrité microstructurale de la matière blanche. L'analyse théorique du graphique a montré une diminution significative des mesures de distance - excentricité et longueur du chemin caractéristique - chez les patients atteints de MP par rapport aux sujets sains. Les deux mesures étaient également plus faibles chez les patients atteints de MP par rapport aux témoins sains jeunes et d'âge moyen. L'analyse NBS a démontré une connectivité structurelle réduite chez les patients atteints de MP par rapport aux groupes de sujets sains jeunes et d'âge moyen, principalement dans les régions frontale, cingulaire, olfactive, insula, thalamus et pariétale. Ces différences de réseau spécifiques étaient distinctes pour la MP et n'ont pas été observées entre les groupes de sujets sains. L'analyse microstructurale a révélé des altérations de la diffusivité dans les voies de la substance blanche chez les patients atteints de MP, principalement dans le corps, le splénium et le tapetum du corps calleux, le tractus corticospinal et la corona radiata, qui étaient absents dans le vieillissement normal. Les altérations identifiées de la connectivité réseau vraisemblablement causées par la neurodégénérescence indiquent la perturbation de l'intégration du réseau mondial chez les patients atteints de MP. Les changements microstructuraux identifiés au sein de la substance blanche pourraient entériner la reconfiguration du réseau. Cette étude établit une distinction claire entre les changements de réseau survenant au cours du vieillissement et la MP. Cela facilitera une meilleure compréhension de la physiopathologie de la MP et du lien direct entre les changements de la matière blanche et leur rôle dans la topologie du réseau restructuré.

Translated Description (Spanish)

La enfermedad de Parkinson (EP) es una enfermedad neurodegenerativa, caracterizada neuropatológicamente por la pérdida progresiva de neuronas en distintas áreas cerebrales. Planteamos la hipótesis de que las alteraciones cuantificables de la red son causadas por la neurodegeneración. La motivación principal de este estudio fue evaluar las alteraciones específicas de la red en pacientes con EP que son distintas pero aparecen junto con el envejecimiento fisiológico. Se analizaron 178 sujetos (130 mujeres) estratificados en pacientes con EP, controles sanos jóvenes, de mediana edad y ancianos (emparejados por edad y sexo con pacientes con EP), utilizando eco de gradiente rápido preparado por magnetización 3D-T1 (MPRAGE) e imágenes ponderadas por difusión adquiridas en un escáner de resonancia magnética 3T. Se aplicaron modelos de difusión y análisis de tractografía probabilística para generar mapas de índices de conectividad basados en vóxeles de cada vóxel semilla. Las matrices de conectividad obtenidas se analizaron utilizando herramientas teóricas de gráficos para la caracterización de la red involucrada. Mediante la estadística basada en la red (NBS) se evaluaron las diferencias de conectividad interregional entre los grupos. Las medidas que evalúan las propiedades de difusión local para la anisotropía y la difusividad se calcularon para la caracterización de la integridad microestructural de la materia blanca. El análisis teórico del gráfico mostró una disminución significativa en las medidas de distancia (excentricidad y longitud de trayectoria característica) en pacientes con EP en comparación con sujetos sanos. Ambas medidas también fueron más bajas en los pacientes con EP en comparación con los controles sanos jóvenes y de mediana edad. El análisis de NBS demostró una menor conectividad estructural en pacientes con EP en comparación con grupos de sujetos sanos jóvenes y de mediana edad, principalmente en las regiones frontal, cingulada, olfativa, ínsula, tálamo y parietal. Estas diferencias de red específicas fueron distintas para la EP y no se observaron entre los grupos de sujetos sanos. El análisis microestructural reveló alteraciones de la difusividad dentro de los tractos de la sustancia blanca en pacientes con EP, predominantemente en el cuerpo, el esplenio y el tapetum del cuerpo calloso, el tracto corticoespinal y la corona radiada, que estaban ausentes en el envejecimiento normal. Las alteraciones identificadas de la conectividad de la red presumiblemente causadas por la neurodegeneración indican la interrupción en la integración de la red global en pacientes con EP. Los cambios microestructurales identificados dentro de la materia blanca podrían respaldar la reconfiguración de la red. Este estudio proporciona una clara distinción entre los cambios en la red que ocurren durante el envejecimiento y la EP. Esto facilitará una mejor comprensión de la fisiopatología de la EP y el vínculo directo entre los cambios en la materia blanca y su papel en la topología de la red reestructurada.

Files

pdf.pdf

Files (3.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:958909a7740f249fc62b054d90e0d97e
3.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التغييرات في شبكة المادة البيضاء والنزاهة الهيكلية الدقيقة تميز مرضى مرض باركنسون والأشخاص الأصحاء
Translated title (French)
Altérations du réseau de la matière blanche et de l'intégrité microstructurale différencient les patients atteints de la maladie de Parkinson et les sujets sains
Translated title (Spanish)
Las alteraciones en la red de materia blanca y la integridad microestructural diferencian a los pacientes con enfermedad de Parkinson de los sujetos sanos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2958575378
DOI
10.3389/fnagi.2019.00191

Is supplement to
https://openalex.org/W4205593364 (Other)
https://openalex.org/W3118966479 (Other)
https://openalex.org/W3031573373 (Other)
https://openalex.org/W2802561361 (Other)
https://openalex.org/W2607776059 (Other)
https://openalex.org/W2487470953 (Other)
https://openalex.org/W2415162139 (Other)
https://openalex.org/W2080220338 (Other)
https://openalex.org/W2063361377 (Other)
https://openalex.org/W2017539237 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1524356610
  • https://openalex.org/W1895378421
  • https://openalex.org/W1908903040
  • https://openalex.org/W1964802316
  • https://openalex.org/W1964997677
  • https://openalex.org/W1968603578
  • https://openalex.org/W1971667499
  • https://openalex.org/W1972454290
  • https://openalex.org/W1983906797
  • https://openalex.org/W1988065975
  • https://openalex.org/W1989477371
  • https://openalex.org/W1991073726
  • https://openalex.org/W1998185086
  • https://openalex.org/W1999653836
  • https://openalex.org/W2000133863
  • https://openalex.org/W2013859768
  • https://openalex.org/W2013930506
  • https://openalex.org/W2022346441
  • https://openalex.org/W2028411525
  • https://openalex.org/W2034958598
  • https://openalex.org/W2044565330
  • https://openalex.org/W2046557060
  • https://openalex.org/W2050551219
  • https://openalex.org/W2053988321
  • https://openalex.org/W2055742595
  • https://openalex.org/W2058046532
  • https://openalex.org/W2070949043
  • https://openalex.org/W2071881327
  • https://openalex.org/W2089351022
  • https://openalex.org/W2091465235
  • https://openalex.org/W2101805339
  • https://openalex.org/W2105897659
  • https://openalex.org/W2107169104
  • https://openalex.org/W2109007545
  • https://openalex.org/W2110457518
  • https://openalex.org/W2115957268
  • https://openalex.org/W2116136260
  • https://openalex.org/W2117786663
  • https://openalex.org/W2126693856
  • https://openalex.org/W2126838454
  • https://openalex.org/W2133955737
  • https://openalex.org/W2142059961
  • https://openalex.org/W2148479386
  • https://openalex.org/W2150667092
  • https://openalex.org/W2151712416
  • https://openalex.org/W2153234270
  • https://openalex.org/W2157296433
  • https://openalex.org/W2167822639
  • https://openalex.org/W2168489054
  • https://openalex.org/W2176767889
  • https://openalex.org/W2291457528
  • https://openalex.org/W2310389094
  • https://openalex.org/W2502980092
  • https://openalex.org/W2525795464
  • https://openalex.org/W2532068836
  • https://openalex.org/W2559687221
  • https://openalex.org/W2560225087
  • https://openalex.org/W2621684397
  • https://openalex.org/W2759001991
  • https://openalex.org/W2763640900
  • https://openalex.org/W2766022883
  • https://openalex.org/W2977883299