Inter-lobar connectivity of the frontal lobe association tracts consistently observed in 105 healthy adults

Abstract

Abstract : Problem: Diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) is the only method to examine in-vivo white matter pathways/tracts. However, the tracts obtained from dMRI are fundamentally unreliable due to the problem of the inconsistent positive. The inconsistent positive tract is a tract that is observed inconsistently across a population. For example, a tract that exists in 2/3 of a population is an inconsistent positive as it does not exist consistently across a population. Two features drive the inconsistent positive (1) diffusion MRI is a false positive prone methodology, where for every one valid tract rendered, four invalid tracts are rendered (Maier-Hein et al., 2017); (2) individual neuroanatomical differences will also contribute to the inconsistent positive (Catani et al., 2017). Frontal lobe intrahemispheric cortical to cortical (association) connectivity is particularly vulnerable to the inconsistent positive dilemma because of two reasons. One being probability, as the frontal lobe is the largest lobe of the brain with a high degree of parcels/areas/ subcomponents (Semendeferi, Lu et al. 2002). The second being a lack of a systematic methodology for anatomical exploration resulting in modern discoveries of possibly ancient networks (Catani, Mesulam et al. 2013). Solution: This work aimed to introduce TractoFind, a state-of-the-art dMRI population-level cohort analysis tool that aimed to increase the reliability of in-vivo white matter connectivity analysis. TractoFind utilizes occurrence/frequency, shape/trajectory, and volume information of a population to obtain reliable white matter tracts. It was theorized the application of TractoFind to analyze frontal lobe interhemispheric cortical to cortical (association) connectivity would result in finding novel/atypical tracts with unique functions. Conversely, it was speculated that the application of TractoFind would be stringent, something that was examined within this work by relaxing the shape reliability parameter and examining the results. Conclusion: In a healthy population of 105 subjects, Tractofind allowed for characterization of 94 reliable tracts frontal lobe association tracts. Upon examination, 24 atypical tracts were found within the 94 reliable tracts of interest, which were further categorized into three novel networks. Intriguingly, 29 shape variable reliable tracts were discovered by relaxing the shape reliability measure, indicating that TractoFind can be penalizing and should haver parameter optimization for use. In conclusion TractoFind, a population level cohort analysis tool allowed for new insights into reliable frontal lobe association connectivity.

Problème: L'imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) est la seule méthode pour examiner les voies de la substance blanche in vivo. Cependant, les voies obtenus à partir de l'IRMd sont fondamentalement peu fiables en raison du problème du positif inconstant. La voie positive inconstante est une voie qui est observée de manière inconstante dans une population. Par exemple, si une voie existe dans les 2/3 d'une population, il s'agit d'un positif inconstant car elle n'existe pas de manière constante dans une population. Deux caractéristiques entraînent le positif inconstant (1) l'IRM de diffusion est une méthodologie sujette aux faux positifs, où pour chaque voie valide rendue, quatre voies invalides sont rendues (Maier-Hein et al., 2017); (2) les différences neuroanatomiques individuelles contribueront également au positif inconstant (Catani et al., 2017). La connectivité corticale intra-hémisphérique à corticale (association) du lobe frontal est particulièrement vulnérable au dilemme positif inconstant pour deux raisons. L'un étant la probabilité car le lobe frontal est le plus grand lobe du cerveau avec un degré élevé de parcelles/zones/sous-composantes (Semendeferi, Lu, Schenker et Damásio, 2002). La seconde étant l'absence d'une méthodologie systématique pour l'exploration anatomique entraînant des découvertes modernes de réseaux possiblement anciens (Catani et al., 2013). Solution: Ce travail visait à introduire TractoFind, un outil d'analyse de cohorte dMRI de pointe au niveau de la population qui visait à augmenter la fiabilité de l'analyse de connectivité de la substance blanche in vivo. TractoFind utilise les informations d'occurrence/fréquence, de forme/ trajectoire et de volume d'une population pour obtenir des voies de matière blanche fiables. Il a été supposé que l'application de TractoFind pour analyser le lobe frontal entraînerait la recherche de voies nouvelles/atypiques avec des fonctions uniques. À l'inverse, il a été supposé que l'application TractoFind serait stricte, ce qui a été examiné dans ce travail en assouplissant le paramètre de fiabilité de la forme et en examinant les résultats. Conclusion: Dans une population saine de 105 sujets, Tractofind a permis de caractériser 94 voies fiables d'association du lobe frontal. Après examen, 24 voies atypiques ont été trouvées parmi les 94 voies d'intérêt fiables, qui ont ensuite été classées en trois nouveaux réseaux. Curieusement, 29 voies fiables de formes variables ont été découvertes en assouplissant la mesure de fiabilité de forme, indiquant que TractoFind peut être pénalisant et devrait avoir une optimisation des paramètres pour son utilisation. En conclusion, TractoFind, un outil d'analyse de cohorte au niveau de la population, a permis la mise en évidence de nouvelles informations sur la connectivité fiable des associations du lobe frontal.