Galvos smegenų MRT spektroskopijos, traktografijos ir kynurenino sąsajos vertinant vyresnio amžiaus žmonių kognityvines funkcijas

Šiame darbe naudosiu įvairius galvos smegenų MRT tyrimo metodus, nustatyti ryšiui tarp galvos smegenų struktūrinių ir cheminių pokyčių, kurie gali būti susiję su neurodegeneraciniais procesais, asmenims su lengvu kognityviniu sutrikimu. Galvos smegenų radiologiniai vaizdinimo metodai ir 1H-MRS dažnai naudojami neurodegeneracinių ligų, tokių kaip AL ir kitos demencijos, diagnostikoje, tačiau nedaug tyrimų atlikta, kuriuose vertinama kaip smegenų struktūriniai pokyčiai yra susiję su galvos smegenų cheminiais pokyčiais senstančiose smegenyse ir esant LKS. Be to, tirsiu, kokiu mastu periferinis uždegimas susijęs su neurouždegimu (mIns ir Cho padidėjimas) ir struk¬tūriniais baltosios medžiagos traktų pokyčiais, kurie gali paaiškinti pagreitė¬jusį kognityvinės funkcijos blogėjimą atsiradusį dėl LKS. Darbo tikslas. Įvertinti vyresnio amžiaus žmonių galvos smegenų biocheminių (spektroskopija) ir struktūrinių (traktografija) pakitimų sąsajas, bei jų ryšį su sisteminio uždegimo žymeniu (Kynureninas) kraujyje tiriamųjų grupėse su ir be LKS. Darbo uždaviniai. 1. Įvertinti galvos smegenų 1H-MRS neurometabolitų pokyčių skirtu¬mus galvos smegenų srityse, susijusiose su kognityvine funkcija. 2. Įvertinti galvos smegenų 1H-MRS ir MR traktografijos radinių tarpusavio sąsajas. 3. Ištirti kraujyje cirkuliuojančio uždegimo žymens Kyn kiekio ir galvos smegenų 1H-MRS radinių galvos smegenų srityse, susiju¬siose su kognityvine funkcija, sąsajas. 4. Ištirti kraujyje cirkuliuojančio Kyn kiekio ir galvos smegenų MR traktografijos sąsajas. Darbo metodika. 59 tiriamiesiems (60-85 m.) atlikta struktūrinis 3T MRT (T1W, T2W, DTI) ir vieno protono magnetinio rezonanso spektroskopija (1H-MRS). 1H-MRS atlikta penkiose galvos smegenų anatominėse srityse, vokseliuose: užpakalinėje galinėje juostinėje žievėje (angl. dorsal posterior cingulate cortex) PCC, kairėje sensomotorinėje žievėje (angl. left sensorimotor cortex) (SM1), kairiame hipokampe (HPC), kairėje vidurinėje smilkininėje žievėje (angl. left middle temporal cortex) (kMTC), dešinėje užpakalinėje – šoninėje prieškaktinėje žievėje (angl. right dorsolateral prefrontal cortex) (dDLPFC). 1H-MRS atlikta naudojant taškų išsklaidymo spektroskopijos seką - PRESS (angl. Point RESolved Spectroscopy), (TR/TE = 2000/30 ms). MR spektrai buvo apdoroti naudojant kompiuterinę programą LCModel, versija 6.3.1-R. Kiekvienai vokselio vietai apskaičiuotos nurodytos NAA, Glx, Cr, Cho ir mIns koncentracijos ir apskaičiuotas koncentracijos santykis su Cr. Į statistinę analizę buvo įtraukti spektrai, kurių linijos plotis buvo mažesnis nei 0,1 ppm, o SNR - didesnis nei 5. Traktografijos vaizdai apdoroti Siemens Syngo.via darbo stotyje naudojantis Neuro 3D vaizdų apdorojimo paketu. Apdorotuose traktografijos vaizduose pasirinktos intereso sritys (ROI) (angl. regions of interest), juose kompiuterine programa išskaičiuoti dominantys kintamieji - frakcinė anizotropija (FA) ir baltosios medžiagos nervinių skaidulų pluoštų skaičius (NOT), išskaičiuoti visų galvos smegenų frakcinė anizotropija (FA1) ir visų galvos smegenų baltosios medžiagos nervinių skaidulų pluoštų skaičius (NOT1). Taip pat galvos smegenų baltosios medžiagos skaidulų trajektorijų rinkinys gautas rankiniu būdu, pasirenkant konkrečios srities pluoštą: penkiuose MR spektroskopijos vokseliuose ir šešiolikoje kitų iš anksto pasirinktų anatominių struktūrų. Spearmano koreliacijos testas buvo naudojamas siekiant įvertinti ryšius tarp 1H-HMRS ir DTI, cirkuliuojančio Kyn ir DTI arba 1H-MRS neurometabolitų santykių. Kynureninas (Kyn), kraujo serume išmatuotuotas naudojant ELISA, naudotas kaip periferinio uždegimo žymuo. Tirtos sąsajos tarp periferinio uždegimo, neurometabolitais išreikšto neurouždegimo (padidėję mIns/Cr and Cho/Cr) ir baltosios medžiagos struktūrinio vientisumo, tiriamiesiems su ir be LKS. Resultatai. LKS grupėje koreliacijos rastos tarp frakcinės anizotropijos pokyčių ir neurometabolitų santykių. Kairio ir dešinio smilkinių tapėtų baltosios medžiagos frakcinės anizotropijos, dešinio užpakalinio spindulynų vainiko baltosios medžiagos frakcinės anizotropijos ir dešinio užpakalinio juostinio vingio baltosios medžiagos frakcinės anizotropijos, rastos atitinkamos koreliacijos tNAA/tCr, mIns/tCr arba tNAA/mIns dPCC, HPC ir MTC. Šie rezultatai iš dalies gali būti paaiškinti sumažėjusiu neuronų tankiu ir sumažėjusiu aksonų kiekiu. Be to, rastas neigiamas ryšys tarp mIns/tCr ir frakcinės anizotropijos, gali reikšti ryšį tarp padidėjusio glijos aktyvumo ir baltosios medžiagos mikrostruktūrinio vientisumo pažeidimo. Gauti rezultatai patvirtina, kad neurouždegiminis procesas hipokampe ir užpakalinėje juostinėje žievėje gali būti pagrindinis veiksnys lemiantis baltosios medžiagos pažeidimą susijusį su lengvo kognityvinio sutrikimo atsiradimu. Ypatingai padidėjęs glijos ląstelių aktyvumas išreikštas padidėjusiu mIns/tCr, gali būti mechanizmas sumažėjusio ryšio tarp hipokampo ir prieškaktinės/juostinės žievės, o tai gali sukelti pažintinių funkcijų sutrikimus ir galbūt neurodegeneracines ligas. LKS grupėje rastos reikšmingos neigiamos koreliacijos tarp tNaa/mIns kairėje SM1 ir cirkuliuojančio Kyn kiekio. Taip pat rasti reikšmingi skirtumai tarp grupių. Glx/Cr HPC neigiamai susijęs su cirkuliuojančio Kyn kiekiu LKS grupėje ir teigiamai susijęs tiriamųjų grupėje be LKS. Grupėje be LKS mIns/tCr MTC neigiamai koreliuoja su Kyn ir teigiamai koreliuoja grupėje su LKS. Reikšmingos teigiamos koreliacijos tarp cirkuliuojančio Kyn kiekio ir baltosios medžiagos tarktų skaičiaus. Grupėje be LKS dešiniame hipokampe ir dešinės sensomotorinės žievės. Grupėje su LKS reikšmingos koreliacijos rastos tarp cirkuliuojančio Kyn baltosios medžiagos tarktų skaičiaus dešiniame priekiniame spindulynų vainike. Tačiau, nedaug studijų atlikta tiriant periferinio ir neurouždegimo žymenų sąsajas. Šio darbo rezultatai rodo serumo Kyn gali būti naudojamas kaip periferinio uždegimo žymuo, kuris suėjęs su neurouždegimu ir galimai su neurodegeneracija. Turėtų būti atliekami tolimesni tyrimai. Išvados. 1) Galvos smegenų srityse, susijusiose su kognityvine funkcija, MRS neurometabolitų statistiškai reikšmingų skirtumų tiriamųjų grupėse su ir be LKS nenustatyta. 2. LKS grupėje rastos statistiškai reikšmingos koreliacijos tarp 1 H-MRS ir MR traktografijos trijose iš tirtų penkių galvos smegenų anatominių sričių, susijusių su kognityvinėmis funkcijomis. Tiriamųjų grupėje be kognityvinės funkcijos sutrikimo statistiškai reikšmingų koreliacijų tarp 1 H-MRS ir MR traktografijos nenustatyta. 3. LKS grupėje gautos statistiškai reikšmingos neigiamos koreliacijos tarp cirkuliuojančio Kyn kiekio kraujyje ir 1 H-MRS neurometabolitų tNAA/mIns santykio kairėje sensomotorinėje žievėje (SM1). Tiriamųjų grupėje be LKS nustatyta statistiškai reikšminga koreliacija tarp cirkuliuojančio Kyn kiekio kraujyje ir 1 H-MRS neurometabolitų tCho/tCr dešinėje užpakalinėje – šoninėje prieškaktinėje žievėje (DLPFC). 4. Rastos statistiškai reikšmingos koreliacijos tarp cirkuliuojančio Kyn kraujyje ir MR traktografijos struktūrinių pakitimų šiose srityse: 1) tiriamųjų grupėje su LKS dešinio priekinio spindulynų vainiko, dešinės sensomotorinės žievės, dešinio užpakalinio spindulynų vainiko, 2) tiriamųjų grupėje be LKS dešinio hipokampo ir dešinės sensomotorinės žievės.

In this investigation, I will use a combination of different types of brain imaging to explore the relationship between structural and chemical changes that may indicate the onset of neurodegenerative processes in people with mild cognitive impairment (MCI). While neuroimaging and proton-magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) are often used as diagnostic tools for neurodegenerative diseases like Alzheimer’s and dementia, there has been limited research on how changes in brain structure are related to changes in brain chemistry in aging brains and MCI. In addition, I will try to examine the extent by which peripheral inflammation would be associated with increased levels of brain inflammation (the combined elevation of myoino¬sitol and choline), and microstructural changes in organization of WM tracts that may explain accelerated cognitive declines due to MCI. Research aim. Examine associations between structural and biochemical properties of brain and link these associations with markers of inflammation (Kyn) in the aging population by using non-invasive neuroimaging methods – 1H-MRS and MR tractography. Research objectives. 1. To assess the differences in 1H-MRS neurometabolites changes of the brain areas related to cognitive function. 2. To evaluate the correlations between brain 1H-MRS spectroscopy and MR tractography findings. 3. To assess the significant correlations between circulating levels of the inflammatory biomarker Kyn and brain 1H-MRS findings in brain areas related to cognitive function. 4. To assess the relationship between circulating levels of Kyn and MR tractography of the brain. Methods and materials. 59 older adults (60-85y) underwent whole brain structural 3T MRI (T1W, T2W, DTI) and proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS). 1H-MRS post-processing software packages were compared. The regions of interest for 1H-MRS measurements were dorsal posterior cingulate cortex (DPCC), left hippocampal cortex (HPC), left medial temporal cortex (MTC), left primary sensorimotor cortex (SM1), and right dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). Spectra from the aforementioned regions were acquired using a PRESS sequence (TR/TE = 2000/30 ms) with excitation water suppression. LCModel was used to quantify water referenced levels of N-acetyl aspartate (NAA), choline (Cho), myo-inositole (mIns) and their ratios to creatine (Cr). Only spectra with linewidths less than 0.1 ppm and signal to noise ratios (SNR) greater than 5 were included in the statistical analyses. DTI images were checked for artefacts by an experienced neuroradiologist. Tractography was performed using the Siemens “syngo.via” workstation (Siemens Healthineers, Erlangen, Germany). Circular voxels (1 cm radius) were manually placed on the regions of interest. The software automatically calculated the median values of fractional anisotropy, and number of tracts. For anatomical reference, a high-resolution T1W 3D structural image was acquired for all participants at each scanning site. Spearman correlation coefficients were used to evaluate relationships between NAA/Cr, Cho/Cr and mIns/Cr ratios in the five regions and DTI measures. Peripheral inflammation was assessed with serum kynurenine, measured with ELISA and were used to examine associations between neurometabolic expressions of neuroinflammation (i.e., elevated mIns/Cr and Cho/Cr) and white matter microstructural integrity in HC and MCI. Results. Findings revealed that subjects in the MCI group showed moderate to strong positive associations between total N-acetylaspartate to total creatine and total N-acetylaspartate to myo-inositol ratios at hippocampus formation and dorsal posterior cingulate cortex and fractional anisotropy (FA) of WM tracts crossing these regions; specifically, the left temporal tapetum, right corona radiata, and right posterior cingulate gyri. In addition, negative associations were observed between myo-inositol to total creatine ratio and FA of left temporal tapetum and right posterior cingulate gyri. These observations suggest that biochemical integrity of the hippocampal formation and cingulate cortex is associated with microstructural organization of ipsilateral WM tracts originating in the hippocampus. Specificaly, elevated myo-inositol might be an underlying mechanism for decreased connectivity between hippocampus and prefrontal/cingulate cortex in MCI. Findings revealed that subjects in the MCI group showed significant negative correlation between tNaa/mIns ratio at left SM1 and circulating Kyn levels. Also, the significant differences in HC and MCI group, Glx/Cr in HPC ratio was negative related with circulating Kyn in MCI group and positively relates in HC group. Also, mIns /tCr in MTC was negatively related to Kyn HC group and positively related to Kyn in MCI group. Significant positive correlations existed between circulating Kynurenine (Kyn) levels and number of WM tracts in the right hippocampal cingulate (NOT 15) and right sensorimotor cortex (NOT17) in HC groups. Significant strong positive correlations existed between circulating levels of Kyn and number of WM tracts in the right anterior corona radiata in MCI group. However, only a limited number of studies have attempted to measure both peripheral and central biomarkers of inflammation and examined their interrelationship. Our results suggest that serum kynurenine may be used as a peripheral inflammatory marker that is associated with neuroinflammation and potentially neurodegeneration. Further research is needed to confirm these observations. Conclusion 1. There are no statistically significant differences observed in the alterations of MRS neurobetabolites among individuals with MCI and cognitively intact individuals 2. Subjects in the MCI group showed significant correlations between 1 H-MRS neurometabolites and MR tractography in three from five brain regions related to cognitive function. 3. Subjects in the MCI group showed significant negative correlation between tNAA/mIns ratio at left SM1 and circulating Kyn levels. Cognitively intact subjects showed sinificant between tCho/tCr in the DLPFC and circulating Kyn levels. 4. Significant correlations was found between inflammation biomarker Kyn and MR tractography structural changes in the following brain areas related to cognitive function: 1) in MCI group right anterior corona radiata, right sensomotor cortex, right posterior corona radiata, 2) in cognitively intact group hippocampal cingulate and right sensomotor cortex.