Investigation of the Excitatory / Inhibitory balance in neurodegenerative movement disorders: a 1H-MRS study

Abstract

As doenças neurodegenerativas incluem várias condições caracterizadas por uma degeneração contínua e acentuada dos neurónios no cérebro. A prevalência dessas doenças tem aumentado em todo o mundo e os tratamentos disponíveis são, na sua maioria, sintomáticos. Portanto, a carga física, emocional e económica para esses doentes e cuidadores é devastadora, enquanto a degeneração vai progredindo nos indivíduos afetados. As doenças neurodegenerativas do movimento, como a Doença de Parkinson (PD) e Huntington (HD), são caracterizadas por graves défices motores, acompanhados de disfunções emocionais e cognitivas. Estas disfunções têm sido relacionadas com alterações no controlo excitatório/inibitório (E/I) pela desconexão progressiva no ciclo gânglios de base-tálamo-cortical. O tónus excitatório e inibitório pode ser avaliado, in vivo, por Espectroscopia de Ressonância Magnética de protão (1H-MRS), pois permite estimar indiretamente os níveis de GABA (inibitório) e Glutamato (excitatório).Portanto, o objetivo deste projeto é estudar o equilíbrio excitatório/inibitório, in vivo, no córtex frontal de doentes HD e DP, comparando as razões de Glx (combinação de glutamato e glutamina) e GABA em indivíduos com essas doenças e controlos saudáveis emparelhados para idade e sexo.Setenta doentes (27HD; 27 DP; 16 controles) foram submetidos a um protocolo de Ressonância Magnética a 3T incluindo aquisição de imagens estruturais, funcionais e de espectroscopia. Neste estudo, a análise foi focada em dados de 1H-MRS, adquiridos num voxel de 27mL no lobo pré-frontal. Como o GABA é difícil de resolver no espectro de protão, devido à sua baixa concentração e contaminação do sinal por sinais sobrepostos, foi usada uma abordagem de edição espetral através da sequência de pulso MEGA-PRESS. O processamento de dados espectrais foi realizado usando o Gannet e a análise estatística foi realizada no software estatístico R. Um doente de Huntington foi excluído, pois os dados de MRS não foram adquiridos na mesma região anatómica.Após uma avaliação visual inicial de controlo de qualidade dos espectros, 44 conjuntos de dados foram descartados. A nossa hipótese é que o movimento excessivo, ao qual a MRS é particularmente sensível, foi o artefato predominante que contribuiu para a alta taxa de rejeição. No entanto, vários fatores que afetam a qualidade do sinal podem ser considerados: permanecer completamente imóvel é um desafio para doentes com PD e HD em neuroimagem; o movimento leva ao deslocamento do voxel causando artefatos de contaminação por volumes parciais; o lobo frontal é uma área particularmente sensível para aquisição de MRS devido a artefatos de suscetibilidade; realizar 1H-MRS após fMRI pode produzir desvios de frequência devido aos gradientes aplicados; etc. Encontramos algumas tendências nos níveis de GABA e Glx entre os grupos, mas não foram estatisticamente significativas e os resultados são inconclusivos.Um debate sobre as medidas de avaliação de qualidade e métodos recentes de correção de artefatos foi brevemente realizado. Estudos futuros de 1H-MRS focando em populações especiais propensas ao movimento, como populações clínicas, e também em recém-nascidos e crianças pequenas devem ter um desenho de estudo e plano de análise de dados ainda mais criteriosos, tendo em consideração as taxas de exclusão de dados devido aos critérios de garantia de qualidade, o protocolo de aquisição e algoritmos de processamento de dados.

Neurodegenerative diseases span several conditions characterized by a continuous and massive neural degeneration in distinct brain regions. The prevalence of these disorders is rising worldwide, and the available treatments are mostly symptomatic. Therefore, the physical, emotional, and economic burden to these patients and caregivers is devastating while degeneration progresses in the afflicted individuals. Neurodegenerative movement disorders, such as Parkinson’s (PD) and Huntington’s Disease (HD) are characterized by severe motor deficits accompanied with emotional and cognitive dysfunctions. These dysfunctions have been related with alterations on excitatory/inhibitory (E/I) control with a progressive disconnection in basal ganglia-thalamocortical loops. Excitatory and inhibitory tonus may be evaluated, in vivo, using proton Magnetic Resonance Spectroscopy (1H-MRS) since it allows to indirectly estimate GABA (inhibitory) and Glutamate (excitatory) levels. Therefore, the objective of this project is to study the Excitatory/Inhibitory balance, in vivo, in the frontal cortex of HD and PD patients by comparing Glx (pool of glutamate and glutamine) to GABA ratios between these clinical disorders with healthy age- and gender- adjusted Control participants. Seventy patients (27HD; 27 PD; 16 Controls) were submitted to a 3T MRI protocol including structural, functional, and spectroscopic imaging. In this study, analysis was focused on 1H-MRS data, acquired in a 27mL voxel in the prefrontal lobe. Since GABA is difficult to resolve in the proton spectra, due to its low concentration and signal contamination by overlapping signals, a J-difference editing approach was used with MEGA-PRESS pulse sequence. Spectral data processing was performed using Gannet and statistical analysis was performed using R statistical software. One HD patient was excluded since MRS data was not acquired in the same anatomical region.After an initial visual quality control assessment of the spectra 44 datasets were discarded. We do hypothesize that excessive motion, to which MRS is particularly sensitive, was the predominant artifact contributing for the high rate of dropouts. Nonetheless several factors affecting the signal quality may be considered: staying completely still is a challenge for neuroimaging PD and HD patients; motion leads to voxel misplacement and partial volume artifacts; the frontal lobe is a particularly sensitive area for MRS acquisition due to susceptibility artifacts; performing the 1H-MRS after fMRI may produce frequency drifts due to the applied gradients; etc. We found some trends on GABA and Glx levels between groups, yet these were not statistically significant, and results are thus inconclusive.A discussion on the quality assurance measures, which are often absent in the literature, and recent artifacts correction methods was briefly performed. Future 1H-MRS studies focusing special populations prone to movement such as clinical patients, and also infants and small children must have an even more thorough study design and data analysis plan, accounting for dropout rates due to quality assurance criteria, the acquisition protocol, and data processing algorithms.