Is Diffusion Tensor Imaging-Guided Radiotherapy the New State-of-the-Art? A Review of the Current Literature and Technical Insights

Despite the increasing precision of radiotherapy delivery, it is still frequently associated with neurological complications. This is in part due to damage to eloquent white matter (WM) tracts, which is made more likely by the fact they cannot be visualised on standard structural imaging. WM is additionally more vulnerable than grey matter to radiation damage. Primary brain malignancies also are known to spread along the WM. Diffusion tensor imaging (DTI) is the only in vivo method of delineating WM tracts. DTI is an imaging technique that models the direction of diffusion and therefore can infer the orientation of WM fibres. This review article evaluates the current evidence for using DTI to guide intracranial radiotherapy and whether it constitutes a new state-of-the-art technique. We provide a basic overview of DTI and its known applications in radiotherapy, which include using tractography to reduce the radiation dose to eloquent WM tracts and using DTI to detect or predict tumoural spread. We evaluate the evidence for DTI-guided radiotherapy in gliomas, metastatic disease, and benign conditions, finding that the strongest evidence is for its use in arteriovenous malformations. However, the evidence is weak in other conditions due to a lack of case-controlled trials.

Free-water diffusion tensor imaging detects occult periependymal abnormality in the AQP4-IgG-seropositive neuromyelitis optica spectrum disorder

To compare free-water corrected diffusion tensor imaging (DTI) measures in the normal-appearing periependymal area between AQP4-IgG-seropositive NMOSD and multiple sclerosis (MS) to investigate occult pathophysiology. This prospective study included 44 patients (mean age, 39.52 ± 11.90 years; 14 men) with AQP4-IgG-seropositive NMOSD (n = 20) and MS (n = 24) who underwent DTI between April 2014 and April 2020. Based on free-water corrected DTI measures obtained from normal-appearing periependymal voxels of (1) lateral ventricles and (2) the 3rd and 4th ventricles as dependent variables, MANCOVA was conducted to compare the two groups, using clinical variables as covariates. A significant difference was found between AQP4-IgG-seropositive NMOSD and MS in the 3rd and 4th periependymal voxels (λ = 0.462, P = 0.001). Fractional anisotropy, axial diffusivity was significantly decreased and radial diffusivity was increased in AQP4-IgG-seropositive NMOSD in post-hoc analysis, compared with MS (F = 27.616, P < 0.001, F = 7.336, P = 0.011, and F = 5.800, P = 0.022, respectively). Free-water corrected DTI measures differ in the periependymal area surrounding the diencephalon and brain stem/cerebellum between MS and NMOSD, which may suggest occult white matter injury in areas with distribution of AQP-4 in NMOSD.

Investigating the Relationship between White Matter Connectivity and Motivational Circuits in Subjects with Deficit Schizophrenia: A Diffusion Tensor Imaging (DTI) Study

Deficit schizophrenia is a subtype of schizophrenia presenting primary and enduring negative symptoms (NS). Although one of the most updated hypotheses indicates a relationship between NS and impaired motivation, only a few studies have investigated abnormalities of motivational circuits in subjects with deficit schizophrenia (DS). Our aim was to investigate structural connectivity within motivational circuits in DS. We analyzed diffusion tensor imaging (DTI) data from 46 subjects with schizophrenia (SCZ) and 35 healthy controls (HCs). SCZ were classified as DS (n = 9) and non-deficit (NDS) (n = 37) using the Schedule for Deficit Syndrome. The connectivity index (CI) and the Fractional Anisotropy (FA) of the connections between selected brain areas involved in motivational circuits were examined. DS, as compared with NDS and HCs, showed increased CI between the right amygdala and dorsal anterior insular cortex and increased FA of the pathway connecting the left nucleus accumbens with the posterior insular cortex. Our results support previous evidence of distinct neurobiological alterations underlying different clinical subtypes of schizophrenia. DS, as compared with NDS and HCs, may present an altered pruning process (consistent with the hyperconnectivity) in cerebral regions involved in updating the stimulus value to guide goal-directed behavior.

Tuberculoma – a great mimicker: can diffusion tensor imaging and tractography help?

Background Central nervous system (CNS) tuberculomas often mimic tumors on conventional imaging, differentiation of which may not be possible without invasive tissue sampling. Diffusion tensor imaging (DTI), owing to its unrivalled property of characterizing molecular diffusion, may help in better lesion characterization and tractography may help understand the pattern of white matter involvement by tuberculomas. Purpose To estimate qualitative and quantitative diffusion tensor changes in brain tuberculomas and to evaluate patterns of white matter involvement using 3D tractography. Material and Methods Thirty patients with brain tuberculomas were evaluated on a 3-T magnetic resonance scanner. Diffusion tensor images were acquired along 20 non-colinear encoding directions with two b-values (b = 0, b = 1000). Regions of interest (ROIs) were drawn on quantitative fractional anisotropy (FA) and apparent diffusion coefficient (ADC) maps in the center of the tuberculoma and perilesional area. Similar ROIs were placed in contralateral hemispheres for comparison. Tractography maps were also generated. Results Mean FA in the center and perilesional area of tuberculomas were 0.098 ± 0.041 and 0.311 ± 0.135, respectively. ADC values in corresponding regions were 0.920 ± 0.272 ×10−3 mm2/s and 1.157 ± 0.277 ×10−3 mm2/s. These values were significantly different compared to contralateral similar brain parenchyma. Tractography revealed interruption of white fibers in the center with deviation of fibers at the periphery in the majority of tuberculomas with none showing infiltration of white matter described in tumors. Conclusion Significant qualitative as well as quantitative DTI changes were seen in tuberculoma and perilesional areas compared to contralateral hemisphere with tractography showing a pattern different from that described in tumors. These findings may help to differentiate tuberculomas from infiltrating tumors.

White Matter Tract Neuroimaging and Serum Biomarker Analysis in Sports-related Concussion

Background: Traumatic brain injury (TBI) is a leading cause of death and disability throughout the world, estimated to carry an annual global incidence of over 27 million cases. Mild TBI (mTBI), commonly known as concussion, is the mildest form of TBI and accounts for roughly 90% of all head injuries. Sports-related concussion (SRC) contributes significantly to this statistic with millions of athletes sustaining high-impact injuries in contact sports such as football, soccer, and lacrosse. By examining the white-matter microstructure, diffusion tensor imaging (DTI) has shown excellent capabilities for detecting pathophysiologic changes after SRC and monitoring symptom progression. Biomarkers including neurofilament light (NfL) and tau have been implicated in SRC and may provide insight into the duration of post-concussive symptoms. At this time, very few studies have been published evaluating the relationship between these serum biomarkers and alterations to DTI metrics. Methods: In the present study, we examined the association between serum biomarkers NfL and tau to further understand the relationship between these biomarkers and neuroimaging findings seen with diffusion tensor imaging (DTI) after exposure to a sports-related concussive event. Results: Serum tau levels decreased significantly at the 24-48h post-injury time point compared to 6h post-injury. Serum tau levels then elevated significantly at the asymptomatic time point in comparison to the 24-48h post-injury time point. The serum tau level was significantly associated with higher mean diffusivity (MD) in the white-matter tracts. Serum NfL had minimal associations with white matter diffusion metrics. Conclusion and Potential Impact: This research serves to better inform future investigations into the relationship between DTI metrics and serum biomarkers in the context of mTBI and SRC. This information may contribute to the development of a simple bedside serum analysis with potential to offer tremendous insight into the comprehensive brain health of patients who are being evaluated for SRC, thereby streamlining the therapeutic process and providing more accessible healthcare to patients in locations where advanced imaging techniques are not readily accessible.

Association Study Between White Matter Microstructure and Intelligence Decline in Schizophrenia

Patients with schizophrenia can exhibit intelligence decline, which is an important element of cognitive impairment. Previous magnetic resonance imaging (MRI) studies have demonstrated that patients with schizophrenia have altered gray matter structures and functional connectivity associated with intelligence decline defined by a difference between premorbid and current intelligence quotients (IQs). However, it has remained unclear whether white matter microstructures are related to intelligence decline. In the present study, the indices of diffusion tensor imaging (DTI) obtained from 138 patients with schizophrenia and 554 healthy controls were analyzed. The patients were classified into three subgroups based on intelligence decline: deteriorated (94 patients), preserved (42 patients), and compromised IQ (2 patients) groups. Given that the DTI of each subject was acquired using either one of two different MRI scanners, we analyzed DTI indices separately for each scanner group. In the comparison between the deteriorated IQ group and the healthy controls, differences in some DTI indices were noted in three regions of interest irrespective of the MRI scanners, whereas differences in only one region of interest were noted between the preserved IQ group and the healthy controls. However, the comparisons between the deteriorated and preserved IQ groups did not show any reproducible differences. Together with the previous findings, it is thought that gray matter structures and functional connectivity are more promising as markers of intelligence decline in schizophrenia than white matter microstructures.

Diffusion Tensor Orientation as a Microstructural MRI Marker of Mossy Fiber Sprouting After TBI in Rats

Diffusion tensor imaging (DTI) metrics are highly sensitive to microstructural brain alterations and are potentially useful imaging biomarkers for underlying neuropathologic changes after experimental and human traumatic brain injury (TBI). As potential imaging biomarkers require direct correlation with neuropathologic alterations for validation and interpretation, this study systematically examined neuropathologic abnormalities underlying alterations in DTI metrics in the hippocampus and cortex following controlled cortical impact (CCI) in rats. Ex vivo DTI metrics were directly compared with a comprehensive histologic battery for neurodegeneration, microgliosis, astrocytosis, and mossy fiber sprouting by Timm histochemistry at carefully matched locations immediately, 48 hours, and 4 weeks after injury. DTI abnormalities corresponded to spatially overlapping but temporally distinct neuropathologic alterations representing an aggregate measure of dynamic tissue damage and reorganization. Prominent DTI alterations of were observed for both the immediate and acute intervals after injury and associated with neurodegeneration and inflammation. In the chronic period, diffusion tensor orientation in the hilus of the dentate gyrus became prominently abnormal and was identified as a reliable structural biomarker for mossy fiber sprouting after CCI in rats, suggesting potential application as a biomarker to follow secondary progression in experimental and human TBI.

Η σημασία της απεικόνισης του τανυστή διάχυσης και της λειτουργικής απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού ( fMRI ) στη μελέτη επιληπτικών ασθενών

Η επιληψία είναι μία χρόνια διαταραχή, με χαρακτηριστικό γνώρισμα τις επαναλαμβανόμενες, απρόκλητες επιληπτικές κρίσεις. Oι επιληπτικές κρίσεις προέρχονται κατά κύριο λόγο από ένα ή περισσότερα ανατομικά τμήματα των λοβών του εγκεφάλου και διαδίδονται σε κάποιο τμήμα ή πολλαπλά τμήματα του εγκεφάλου, μέσω διασυνδεδεμένων νευρωνικών δικτύων. Υπάρχουν αυξανόμενα στοιχεία που συνηγορούν στο ότι οι λειτουργικές και δομικές ανωμαλίες του εγκεφάλου στην επιληψία δεν περιορίζονται στις επιληπτογόνες περιοχές, αλλά εκτείνονται σε ευρύτερες περιοχές των σύστοιχων και ετερόπλευρων ημισφαιρίων. Οι ανωμαλίες είναι εμφανείς στη φαιά ουσία, στη λευκή ουσία, καθώς και σε μεταβολικές διεργασίες. Η επιληψία του κροταφικού λοβού (ΕΚΛ, Temporal Lobe Epilepsy – TLE) είναι το πιο κοινό σύνδρομο επιληψίας με εστιακές επιληπτικές κρίσεις. Η ΕΚΛ αποτελεί το 30 – 35% όλων των επιληψιών, με τα 2/3 αυτών των επιληψιών να ξεκινούν από περιοχές του έσω κροταφικού λοβού και το άλλο 1/3 από περιοχές του πλάγιου κροταφικού λοβού. Ωστόσο, 30% των ασθενών με εστιακή ΕΚΛ, δεν παρουσιάζουν κάποια αιτιολογική δομική αλλοίωση στη συμβατική μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου αποτελώντας μια υποομάδα ασθενών με ΕΚΛ χωρίς κάποιο εύρημα σκλήρυνσης ιπποκάμπου ή κάποιας έτερης επιληπτογόνου βλάβης. Η απουσία εστιακών βλαβών στη συμβατική μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου προκαλεί εγγενείς δυσκολίες στην ανίχνευση της επιληπτογόνου ζώνης έναρξης, μια πολύ δύσκολη περίπτωση, ιδιαίτερα όταν ο ασθενής είναι υποψήφιος για χειρουργική αντιμετώπιση του προβλήματος. Επιπρόσθετα, μια άλλη κατηγορία εστιακών επιληπτικών κρίσεων που παρουσιάζουν πολύ συχνά αρνητική συμβατική μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου είναι αυτή των ασθενών με επιληψία μετωπιαίου λοβού (ΕΜΛ, Frontal Lobe Epilepsy – FLE). Συνιστά τη δεύτερη πιο συχνή μορφή εστιακής επιληψίας και συναντάται στο 20 – 30% των επιληπτικών ασθενών. Αν και ο μετωπιαίος λοβός περιέχει μεγάλο ποσοστό του συνολικού εγκεφαλικού φλοιού του ανθρώπινου εγκεφάλου, οι επιληπτικές κρίσεις που έχουν ως περιοχή έναρξης αυτή την ανατομική περιοχή είναι λιγότερο μελετημένες από τις επιληπτικές κρίσεις που προκύπτουν από τους κροταφικούς λοβούς. Η νευροαπεικόνιση είναι εξίσου σημαντική με τη χρήση του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΗΕΓ) στη διάγνωση και ταξινόμηση της επιληψίας. Οι τεχνικές νευροαπεικόνισης περιλαμβάνουν την Υπολογιστική Τομογραφία (ΥΤ, Computed Tomography - CT) την Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (ΑΜΣ, Magnetic Resonance Imaging – MRI), την Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίου (ΤΕΠ, Positron Emission Tomography – PET) και την Τομογραφία Εκπομπής Μονού Φωτονίου (ΤΕΜΦ, Single Photon Emission Tomography – SPECT). Αν και οι τεχνικές ΥΤ, ΤΕΜΦ και ΤΕΠ έχουν διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στη διάγνωση της επιληψίας, η ΑΜΣ έφερε επανάσταση στην κατανόηση και διάγνωση αυτής. Τα πλεονεκτήματα της ΑΜΣ περιλαμβάνουν τη χρήση μη ιονίζουσας ακτινοβολίας και την υψηλότερη ευαισθησία και ειδικότητα σε σχέση με την ΥΤ στην αναγνώριση αιτιολογικών αλλοιώσεων τόσο σε ενήλικες όσο και σε παιδιά με επιληψία (εστιακές αλλοιώσεις, σκλήρυνση ιπποκάπου, όγκοι, φλοιϊκές δυσπλασίες κ.α.). Επίσης, τις τελευταίες δυο δεκαετίες έχουν προστεθεί και άλλες σύγχρονες τεχνικές νευροαπεικόνισης στο οπλοστάσιο της ΑΜΣ όπως είναι η Λειτουργική Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (ΛΑΜΣ, functional Magnetic Resonance Imaging – fMRI) και η Απεικόνιση Τανυστή Διάχυσης (ΑΤΔ, Diffusion Tensor Imaging – DTI). Η μεν πρώτη απεικονίζει την αιμοδυναμική απόκριση που σχετίζεται με τη νευρωνική δραστηριότητα στον εγκέφαλο, η δε δεύτερη χρησιμοποιείται για τη χαρτογράφηση των νευρωνικών δεσμίδων της λευκής ουσίας του εγκεφάλου και παράλληλα τον εντοπισμό ενδεχόμενων βλαβών τους.Συνεπώς, η μελέτη αυτή αποσκοπεί στη διερεύνηση του μοτίβου των αλλαγών στα λειτουργικά και δομικά δίκτυα των επιληπτικών ασθενών χωρίς σαφή επιληπτογόνο βλάβη χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές νευροαπεικόνισης ΑΜΣ σε ομοιογενείς ομάδες ασθενών και υγιών, ενισχύοντας την παρούσα μελέτη. Πιο συγκεκριμένα, οι κύριοι στόχοι της παρούσας μελέτης ήταν να διερευνηθεί: i) Tο δομικό και λειτουργικό μοτίβο των κύριων δικτύων κατάστασης ηρεμίας (RSNs) σε ασθενείς με εστιακή επιληψία, χωρίς επιληπτογόνα ευρήματα στη συμβατική ΑΜΣ εγκεφάλου. ii) H σχέση μεταξύ του τροποποιημένου RSN και του αναφερόμενου επιληπτικού δικτύου που εμπλέκεται στην επιληψία. iii) Η δομική ακεραιότητα τόσο της φαιάς όσο και της λευκής ουσίας σε ασθενείς με εστιακή επιληψία, χωρίς επιληπτογόνα ευρήματα στη συμβατική ΑΜΣ εγκεφάλου και iv) Η εύρεση λειτουργικά και ανατομικά συνδεδεμένων και μη περιοχών του εγκεφάλου, μέσω ανάλυσης και αξιολόγησης των DTI και rs-fMRI δεδομένων. Στους ασθενείς με εστιακή ΕΚΛ βρέθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές των FA και AD τόσο σε κροταφικές όσο και σε εξωκροταφικές δεσμίδες ομόπλευρα της επιληπτικής εστίας, υποδεικνύοντας εκτεταμένες αλλοιώσεις στη δομή της λευκής ουσίας. Στους ασθενείς με εστιακή ΕΜΛ βρέθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές της FA σε δεσμίδες που συνδέουν τον μετωπιαίο λοβό με τα υπόλοιπα τμήματα του εγκεφάλου. Στους ασθενείς με ΕΚΛ παρουσιάστηκαν εκτεταμένες ογκομετρικές διαφορές σε δομές της φαιάς ουσίας στον μετωπιαίο, κροταφικό, βρεγματικό και ινιακό λοβό αμφοτερόπλευρα της επιληπτικής εστίας καθώς και στην παρεγκεφαλίδα. Αντίστοιχα, στους ασθενείς με ΕΜΛ παρουσιάστηκαν ογκομετρικές μειώσεις στην άνω και μέση μετωπιαία έλικα, στην πρόσθια κεντρική έλικα, στην πληκτραία έλικα, στο σφηνοειδές λόβιο και την οσφρητική έλικα. Αντίθετα, αξίζει να σημειωθεί πως η δεξιά γωνιώδης έλικα καθώς και η αμφίπλευρη κάτω βρεγματική έλικα παρουσίασαν ογκομετρική αύξηση της φαιάς ουσίας στους ασθενείς έναντι των υγιών μαρτύρων λειτουργώντας πιθανώς ως αντισταθμιστικός μηχανισμός. Επιπρόσθετα, η ανάλυση των rs-fMRI δεδομένων με τη χρήση ICA έδειξε μεταβολή του δικτύου προεπιλεγμένης λειτουργίας στους ασθενείς με ΕΚΛ και μεταβολή του δεξιού προσθιο – βρεγματικού δικτύου στους ασθενείς με ΕΜΛ. Επίσης, η voxel – to – voxel ανάλυση των rs-fMRI δεδομένων έδειξε πως στους ασθενείς με ΕΚΛ οι δείκτες της εγγενούς συνδεσιμότητας, της καθολικής συσχέτισης, της ακτινικής συσχέτισης, της ακτινικής ομοιότητας και του κλασματικού εύρους διακυμάνσεων χαμηλής συχνότητας παρουσίασαν στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα. Αντίστοιχα, για τους ασθενείς με ΕΜΛ οι αντίστοιχοι δείκτες ήταν η εγγενής συνδεσιμότητα, η τοπική συσχέτιση, η καθολική συσχέτιση, η ακτινική συσχέτιση, ακτινική ομοιότητα και το κλασματικό εύρος διακυμάνσεων χαμηλής συχνότητας. Τέλος, οι εκφυλισμένες προσαγωγές και απαγωγές δεσμίδες της λευκής ουσίας του κροταφικού και μετωπιαίου λοβού σε συνδυασμό με τις γενικευμένες ατροφίες της φαιάς ουσίας και τις μεταβολές της λειτουργικής συνδεσιμότητας μεταξύ των δικτύων μπορούν να ρίξουν φως σε ένα σύνθετο εξωκροταφικό δίκτυο που μπορεί να σχετίζεται με την εκδήλωση εστιακών κροταφικών και μετωπιαίων επιληπτικών κρίσεων ανοίγοντας τον δρόμο για έγκαιρη ανίχνευση της νευρωνικής απώλειας και τον ακριβή εντοπισμό της περιοχής εκδήλωσης των επιληπτικών κρίσεων, κάτι που έχει ιδιαίτερη κλινική σημασία ιδιαίτερα όταν ο ασθενής είναι υποψήφιος για χειρουργική επέμβαση (φαρμακοανθεκτική επιληψία).

Relationship between the Corticospinal and Corticocerebellar Tracts and Their Role in Upper Extremity Motor Recovery in Stroke Patients

The corticospinal tract (CST) and corticocerebellar tract (CCT) are both involved in the upper extremity (UE) function after stroke. Understanding the relationship between the tracts and their functions can contribute to developing patient-specific rehabilitative strategies. Seventy ischemic stroke patients who underwent diffusion tensor imaging (DTI) two weeks after the stroke onset and motor function assessments two weeks and three months after the stroke onset were included in this study. To obtain the CST and CCT integrity, the functional anisotropy (FA) values of both tracts were extracted from the DTI data. Linear regression was used to identify the relationship and predictive accuracy. The CST FA data had predictive values, but CCT FA did not. There were interaction effects between the CST and CCT FA values (p = 0.011). The CCT was significantly associated with high CST FA but not low CST FA. When the CST or CCT FA were applied to patients depending on the CST status, the stratified model showed higher predictive accuracy (R2 = 0.380) than that of the CST-only model (R2 = 0.320). In this study, the conditional role of CCT depending on CST status was identified in terms of UE recovery in stroke patients. This result could provide useful information about individualized rehabilitative strategies in stroke patients.

ITVT-03. Use of Functional MRI and DTI for Surgical Planning of Maximal Extent of Resection of CNS Tumors - A Single Neurosurgical Center’s Experience

Use of functional neuroimaging capabilities such as fMRI, DTI, MRP, MRS, AS-PET-CT, SPECT, and TMS as noninvasive tools to visualize intrinsic brain and spine morphology in relation to function have developed over the past 30 years. Amongst these imaging modalities, functional magnetic resonance imaging (fMRI) is of particular interest since it follows the physiological coupling between neuronal electrical activity and metabolic structural (cellular) activity as it relates to tissue vascularity and perfusion states. As an adjunct to this modality, MRI-based diffusion tensor imaging (DTI) allows further detailed radiographic assessment of fiber tracts in the brain in relationship to the surgical lesion of interest. In addition, combination of other imaging modalities including MR perfusion and intraoperative tools such as neuronavigation and direct cortical stimulation can help guide the extent of maximal safe resection. Herein we present a case series from our neurosurgical institution of primary intra-axial, extra-axial, supratentorial, and brainstem tumors resected using fMRI and DTI for presurgical planning allowing for maximal safe extent of resection and outcomes.