Estudio de fibras de la materia blanca superficial en datos del Proyecto Conectoma Humano

Abstract

El estudio del conectoma humano busca definir las principales estructuras y conexiones cerebrales, junto con su función. Este, en el futuro generará un impacto en la neurociencia y el campo clínico. Con la resonancia magnética de difusión es posible explorar la estructura de la materia blanca, dada por organización de las fibras que la componen. Los fascículos largos de asociación han sido estudiados en profundidad. Sin embargo, existen pocos estudios acerca de los fascículos cortos de asociación de la materia blanca superficial, debido a su menor tamaño, estructura desconocida y mayor variabilidad entre sujetos. Su estudio es de gran importancia para entender la funcionalidad del cerebro humano y estudiar patologías asociadas a una conectividad anormal de estas fibras. Para abordar el estudio de las fibras de la materia blanca superficial se trabajó con imágenes de resonancia magnética de difusión provenientes del Human Connectome Project (HCP), una base de datos grande y de muy buena calidad. Se aplicaron algoritmos para reconstruir las trayectorias principales de las fibras cerebrales y se evaluaron sus parámetros para lograr una reconstrucción de buena calidad en las zonas superficiales de la corteza. Una vez aplicado el algoritmo de tractografía adecuado sobre los modelos de difusión, se adaptó y aplicó un método automático, basado en clustering jerárquico inter-sujeto, sobre el cerebro completo de 100 sujetos. De esta forma, se logró identificar aquellos fascículos superficiales de la materia blanca de mayor reproducibilidad, dando como resultado un nuevo atlas. El atlas obtenido está compuesto por 501 fascículos de fibras de asociación cortas superficiales en todo el cerebro. Los fascículos que conforman el atlas fueron etiquetados y jerarquizados de acuerdo a las regiones que conectan y lóbulo al que pertenecen. Este fue validado segmentando automáticamente datos de tractografía determinística y probabilística provenientes de diferentes bases de datos, donde se obtuvo una reproducibilidad muy alta, en especial para el caso de tractografía probabilística en datos del HCP. El uso de tractografía probabilística calculada a partir de imágenes de difusión de alta calidad registradas no linealmente, en conjunto con la aplicación de técnicas como clustering inter-sujeto, permitió la construcción de un atlas robusto de fibras superficiales, compuesto por fascículos bien definidos a lo largo de toda la superficie del cerebro. Comparado con trabajos previos, contiene un mayor número de fascículos y mayor cobertura del cerebro, donde algunos fascículos funcionales han sido descritos en la literatura, y una cantidad importante de fascículos no está presente en atlas previos.

The study of the human connectome intends to define the main structures and connections of the brain, with their function. This, in the future, will have an impact on neuroscience and the clinical field. With diffusion MRI it is possible to explore the structure of the white matter, given by the organization of the fibers that compose it. The long association fascicles have been deeply studied. However, there are few studies on the short association bundles of the superficial white matter, due to their smaller size, unknown structure and greater variability between subjects. Their study is very important to understand the functionality of the human brain and to study pathologies associated with abnormal connectivity of these fibers. To face the study of superficial white matter fibers, we worked with diffusion magnetic resonance images from the Human Connectome Project (HCP), a large and high quality database. Algorithms were applied to reconstruct the main trajectories of the brain fibers and their parameters were evaluated to achieve a good reconstruction quality in the superficial areas of the cortex. Once the appropriate tractography algorithm was applied on the diffusion models, an automatic method based on inter-subject hierarchical clustering, was adapted and applied on the whole brain of 100 subjects. In this way, it was possible to identify the superficial white matter fascicles with the highest reproducibility, resulting in a new atlas. The obtained atlas is composed of 501 fascicles of superficial short association fibers in the whole brain. The fascicles that make up the atlas were labeled and hierarchized according to the regions connected by them and the lobe to which they belong. This was validated by an automatic segmentation of deterministic and probabilistic tractography data from different databases, where a very high reproducibility was obtained, especially in the case of probabilistic tractography in HCP data. The use of probabilistic tractography calculated from high quality nonlinearly registered diffusion images, together with the application of techniques such as inter-subject clustering, allowed the construction of a robust atlas of superficial fibers, composed of well-defined bundles along the entire surface of the brain. Compared to previous works, it contains a larger number of bundles and greater coverage of the brain, where some functional fascicles have been described in the literature, and a significant number of fascicles are not present in previous atlases.