Desarrollo de una metodología de reconstrucción de fibras de sustancia blanca en difusión por resonancia magnética y su aplicación al estudio de la relación entre la conectividad estructural cerebral y el rendimiento cognitivo en pacientes con esclerosis múltiple

Abstract

Esta memoria de tesis se presenta en formato de artículos originales que corresponden a una misma unidad temática: el desarrollo de una metodología de reconstrucción de fibras de sustancia blanca basada en técnicas de difusión por resonancia magnética y su implementación en el estudio de conectividad estructural en pacientes con esclerosis múltiple. Para el primer artículo, seleccionamos las radiaciones ópticas para validar nuestra metodología de reconstrucción. Para ello, empleamos modelos avanzados de tractografía y un postprocesado basado en criterios de exclusión anatómicos propios de cada sujeto. La reconstrucción final de las radiaciones ópticas fue evaluada a través de un atlas histológico validado por la comunidad científica, obteniendo una precisión y exactitud volumétrica muy cercana a la anatomía real tanto en voluntarios sanos como en pacientes con esclerosis múltiple. En el segundo artículo se empleó la misma metodología desarrollada en el artículo precedente, con el fin de proporcionar reconstrucciones más precisas de las conexiones de sustancia blanca cerebral y obtener datos cuantitativos y patológicamente más específicos. Esto permitió conocer los cambios acontecidos en la conectividad cerebral estructural en pacientes con esclerosis múltiple y sus consecuencias sobre el rendimiento cognitivo. Pudimos identificar un daño difuso generalizado de la red cerebral así como la presencia de fenómenos de desconexión en regiones frontoparietales, sustancia gris subcortical e ínsula, relacionados con el rendimiento en funciones atencionales y ejecutivas. Además, evidenciamos posibles mecanismos de reestructuración cerebral a través de incrementos en la conectividad en conexiones específicas. Dichos mecanismos de plasticidad podrían ser tanto, herramientas para compensar el daño tisular como cambios estructurales maladaptativos. Estos estudios han permitido desarrollar y aplicar una nueva metodología de reconstrucción de fibras de sustancia blanca más precisa y reproducible, así como detectar aquellas redes más vulnerables sobre el rendimiento cognitivo. La identificación de estas redes permite contar con un biomarcador sensible a la discapacidad cognitiva y podrían llegar a utilizarse como diana para evaluar el efecto de nuevas intervenciones terapéuticas.

This thesis was submitted with original research articles belonging to the same subject area: the development of an improved framework for tractography reconstruction of white matter fibers based on diffusion-weighted magnetic resonance imaging and its implementation in the study of structural connectivity in patients with multiple sclerosis. The purpose of the first original paper was to introduce an improved tractography framework to reconstruct the optic radiations in healthy volunteers and multiple sclerosis patients. The framework combined advanced diffusion models and an automatic post-processing based on anatomical exclusion criteria. The quantitative evaluation of the optic radiation was done by comparing the final reconstruction with a histological reference data. The proposed methodology was capable to reconstruct the optic radiation with a high accuracy and reliability. Moreover, the reconstruction was possible even in the presence of tissue damage. This framework could also be applied to other tracts with complex configuration in order to reduce the presence of anatomically implausible fibers. The second article used the same methodology developed in the previous article, in order to provide more precisely reconstructions of white matter connections. We aimed to investigate changes in structural connectivity in multiple sclerosis patients and their association with attention and executive performance. The structural brain connectivity is disturbed in multiple sclerosis due to widespread impairment of white matter connections and gray matter structures. The worse attention and executive performance was related to the decrease of integrity in frontoparietal networks, deep gray nuclei and insula. Contrarily, the increased edge connectivity suggests the presence of reorganization mechanisms at the structural level. These changes could be compensatory mechanisms to the maintenance of the normal level of cognitive performance or reflect maladaptative changes. These studies developed and improved framework for tractography reconstruction, useful to evaluate the changes in brain connectivity in patients with multiple sclerosis. The strategic networks related to attention and executive performance could be used as biomarkers to detect cognitive disability and targets to assess the effect of new therapeutic interventions.