Investigating the white matter structure of the sensorimotor system in children with cerebral palsy

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-02-09
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
79 + app. 53
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 23/2024
Abstract
Cerebral palsy (CP) is the leading motor disorder in childhood, primarily caused by a brain insult occurring before birth. CP is typically characterized by spasticity, affecting one side of the body (hemiplegia) or both sides, predominantly the lower limbs (diplegia). The advancements in diffusion-weighted magnetic resonance imaging (dMRI) and tractography, have allowed the identification of altered white matter structure of the brain in CP. However, our understanding of how these alterations differ between hemiplegic and diplegic subtypes, and their relationship with sensorimotor deficits, such as balance, gait and manual dexterity, remains limited. In this thesis, we investigated a cohort of children and adolescents aged 10–18 years diagnosed with hemiplegic (N = 16) or diplegic CP (N = 11) alongside their typically developed peers (N = 31). Using tractography, we investigated the interhemispheric commissural pathways, i.e. corpus callosum, and thalamocortical pathways connecting to the representational areas of the upper and lower limbs. To address the cortical abnormalities seen in CP and enhance the functional relevance of the studied tracts, we introduced a novel seeding approach using proprioceptive simulation (passive movement) of the limbs together with functional neuroimaging. The derived dMRI metrics were compared between the three groups, and their association with behavioral measures was investigated. Our results showed significant alterations in the diffusion properties of the investigated pathways between children with and without CP, indicating changes in the axonal organization. Specifically, participants with hemiplegic CP seemed to have more severe structural changes that were relatively localized when compared to those with diplegic CP. The white matter involvement reflected, to some extent, the topographic presentation of the functional deficit. While we observed some associations between the dMRI-metrics and sensorimotor function, they were weak, and the directionality was non-conclusive, underscoring the complexity of the structure-function relationships. The dMRI holds promising potential as an objective tool for guiding the diagnosis and treatment of CP in the future. By highlighting the differences in location and severity of white matter alterations between hemiplegic and diplegic CP, our findings contribute significantly to the existing literature. Further, our research emphasizes the importance of along-tract analysis and specific outlining of investigated tracts in future studies on both CP and typical development. Research on CP not only enhances our understanding of the disorder itself but also sheds light on the development and plasticity of the human sensorimotor system.

CP-vamma on motorinen oireyhtymä, joka on yleisimmin seurausta ennen syntymää tapahtuneesta aivovammasta. CP-vamman tavallisin oiretyyppi on poikkeava lihasjänteys eli spastisuus, joka voi ilmetä pääasiassa toisella puolella kehoa (hemiplegia) tai vaikuttaa molemminpuolisesti, usein painottuen alaraajoihin (diplegia). CP-vamman vaikutuksia aivojen valkean aineen rakenteeseen voidaan nykyään tutkia hyödyntäen diffuusiopainotettua magneettikuvantamista (dMRI) ja traktografiaa. Kuitenkin ymmärryksemme siitä, miten nämä valkean aineen muutokset eroavat hemiplegisessä ja diplegisessä CP-vammassa, ja miten ne liittyvät sensorimotorisiin häiriöihin, kuten tasapainon, kävelyn ja käsien käytön haasteisiin, on edelleen rajallinen. Väitöskirjassa tutkittiin 10–18-vuotiaita lapsia ja nuoria, joilla oli diagnosoitu hemipleginen (N = 16) tai dipleginen (N = 11) CP-vamma, sekä saman ikäisiä tyypillisesti kehittyneitä verrokkeja (N = 31). DMRI-menetelmän avulla tarkasteltiin, kuinka CP-vamma vaikuttaa aivopuoliskot toisiinsa yhdistävään hermoratakimppuun (corpus callosum) sekä ylä- ja alaraajojen representaatioalueiden ja talamuksen välisiin yhteyksiin. Lisäksi työssä esiteltiin uudenlainen menetelmä toiminnallisesti merkityksellisten ratakokonaisuuksien erottamiseksi, mikä on erityisen hyödyllistä tutkittaessa CP-vammasta johtuvaa poikkeavaa aivojen anatomiaa. Tässä menetelmässä traktografiaan yhdistettiin toiminnallista aivokuvantamista, jossa raajoja liikutettiin passiivisesti (proprioseptiivinen stimulointi). Mallinnettuja ratakokonaisuuksia vertailtiin kolmen tutkimusryhmän välillä ja lisäksi arvioitiin näiden ratojen yhteyttä sensorimotoriseen suorituskykyyn. CP-oireyhtymän ja tyypillisesti kehittyneiden lasten välillä havaittiin merkittäviä eroja tarkasteltujen rakenteiden diffuusio-ominaisuuksissa, mikä viittaa muutoksiin aksonien järjestäytymisessä. Hemiplegisessä CP-vammassa nämä valkean aineen muutokset olivat pääosin suurempia ja paikallisempia verrattuna diplegiseen CP-vammaan. Valkean aineen muutokset heijastelivat myös jossain määrin CP-vamman painottumista eri kehon osiin. Vaikka havaitsimme joitain yhteyksiä dMRI-parametrien ja sensorimotorisen toimintakyvyn välillä, ne olivat heikkoja, mikä korostaa aivojen rakenteen ja toiminnan välisen yhteyden monimutkaisuutta. Tulevaisuudessa dMRI voi mahdollisesti toimia objektiivisena työkaluna CP-vamman diagnosoinnissa sekä kuntoutuksen ohjaamisessa. Tutkimuksen löydökset osoittivat selkeitä eroja valkean aineen muutosten sijainnin ja vakavuuden suhteen hemiplegisen ja diplegisen CP-vamman välillä, mikä tuo merkittävän lisän aiempaan tietoon. Lisäksi väitöskirja osoittaa, että tulevissa tutkimuksissa on tärkeää kiinnittää huomiota hermoratamallin tarkkaan rajaamiseen sekä sen pitkittäisanalyysiin. CP-tutkimus lisää paitsi ymmärrystämme itse oireyhtymästä, se antaa lisäksi tärkeää tietoa ihmisen sensorimotorisen järjestelmän kehittymisestä ja muovautumiskyvystä.
Description
Supervising professor
Parkkonen, Lauri, Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
Thesis advisor
Piitulainen, Harri, Prof., University of Jyväskylä, Finland
Keywords
tractography, cerebral palsy, diffusion-weighted MRI, MEG, fMRI, traktografia, CP oireyhtymä, diffuusiopainotettu MRI, MEG, fMRI
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Jaatela J, Aydogan DB, Nurmi T, Vallinoja J, Piitulainen H. 2022. Identification of proprioceptive thalamocortical tracts in children: comparison of fMRI, MEG, and manual seeding of probabilistic tractography. Cerebral Cortex. 32:3736–3751.
    DOI: 10.1093/cercor/bhab444 View at publisher
  • [Publication 2]: Jaatela J, Nurmi T, Vallinoja J, Sairanen V, Mäenpää H, Piitulainen H. 2023. Altered corpus callosum structure in adolescents with cerebral palsy: connection to gait and balance. Brain Structure and Function. 228:1901–1915.
    DOI: 10.1007/s00429-023-02692-1 View at publisher
  • [Publication 3]: Jaatela J, Aydogan DB, Nurmi T, Vallinoja J, Mäenpää H, Piitulainen H. 2023. Limb-specific thalamocortical tracts are impaired differently in hemiplegic and diplegic subtypes of cerebral palsy. Cerebral Cortex. 33:10245–10257.
    DOI: 10.1093/cercor/bhad279 View at publisher
Citation