Η μορφοκλασματική διάσταση ως δείκτης και παράμετρος εκτίμησης της διαμόρφωσης του εγκεφαλικού φλοιού και ενδεχόμενης προϊούσης άνοιας

Abstract

The fractal dimension (FD) of the cerebral cortex was measured in 93 individuals, 56 males and 37 females, aged 3 months to 78 years, with normal brain MRI’s in order to compare the convolutions of the cerebral cortex between genders and age groups. Psychiatric or epileptic patients were excluded. Image J, an image processing program, was used to skeletonize cerebral cortex and the box counting method applied. FDs on slices taken from left and right hemispheres were calculated. In our results from all measurements a mean FD of 1.59 ⁺. 0.061 was found. A significant degree of lateralization in the left hemisphere was demonstrated. As shown, basal ganglia development mainly in the left hemisphere, is heavily dependent upon age until puberty, compared to corresponding right hemisphere slice. In right hemisphere a significant but lower dependence with age is observed. In addition, both left and right cortex development equally depend on age until puberty. Comparing age dependence of brain convolutions, it is interesting to note an increased developmental activity at ages between 1 and 15 years, indicating significant brain remodelling during childhood and adolescence. In infancy, only changes in basal ganglia are observed, while in adulthood, the right hemisphere continues to remodel. This may be due to the fact that brain cortex gray matter develops more rapidly than basal ganglia. Apart from our finding of the above difference between the left and right side, we also found a significant difference in lateralization (left hemisphere) with gender and correlations of left hemisphere differences with age. The indexes of FD during lifespan can also be used as a threshold of pathological conditions in elderly people. A FD different than 1,60 in individuals elder than 50 years can be an indication of pathological condition mainly dementia providing that there are no other obvious findings such as tumours, haemorrhage or infracts. Since Alzheimer’s disease is a main cause of dementia FD can be a useful tool for investigation of early stages of the disease.

Η μορφοκλασματική διάσταση (fractal dimension-FD) του εγκεφαλικού φλοιού μετρήθηκε σε μαγνητικές τομογραφίες 93 ασθενών (56 αρένων και 37 θήλεων) ηλικίας 3 μηνών έως 78 ετών που διαγνώστηκαν χωρίς παθολογικά ευρήματα,. Σκοπός της μελέτης ήταν η εφαρμογή, για πρώτη φορά, της FD ως δείκτη της ανατομικής διαμόρφωσης του εγκεφαλικού φλοιού καθώς επίσης και η σύγκριση των τιμών της μεταξύ των δύο φύλων, ομάδων ηλικιών και ημισφαιρίων. Ήταν επίσης η οριοθέτηση των τιμών σε σχέση με το φύλο και την ηλικία που θα μπορούσαν να αποτελέσουν στοιχείο της αξιολόγησης υπάρχουσας ατροφίας και της σχετιζόμενης με αυτήν-οποιασδήποτε αιτιολογίας-άνοιας. Για την απεικόνιση «σκελετοποίηση» (skeletonization) του φλοιού χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Image J που δημιουργήθηκε στο ΝΙΗ , και για τον υπολογισμό της FD εφαρμόσθηκε η μέθοδος «Box counting». Μετρήθηκε η FD σε σειρά οβελιαίων τομών κάθε ημισφαιρίου με οδηγά σημεία το κροταφικό και ρινικό όριο των οφθαλμικών κόγχων. Στα αποτελέσματα μας από όλες τις μετρήσεις βρέθηκε μέση τιμή της FD = 1.59 ⁺. 0.061. Τα αποτελέσματα έδειξαν μια στατιστικά σημαντική θετική συσχέτιση προς την ηλικία μέχρι την εφηβεία, στις ρινικές τομές του αριστερού ημισφαιρίου ενώ οι αντίστοιχες τομές του δεξιού ημισφαιρίου δείχνουν μια σημαντική, αλλά σαφώς ασθενέστερη συσχέτιση. Επιπλέον τόσο οι αριστερές όσο και οι δεξιές κροταφικές τομές φαίνονται να εξαρτώνται εξίσου από την ηλικία ενώ οι αντίστοιχες ελικώσεις του δεξιού ημισφαιρίου φαίνονται να εξελίσσονται περαιτέρω. Οι εξωτερικές (κροταφικές) τομές τόσο του αριστερού όσο και του δεξιού ημισφαιρίου δείχνουν μια ανάπτυξη που εξαρτάται εξ’ ίσου από την ηλικία μέχρι την εφηβεία. Με την σύγκριση της εξάρτησης της διαμόρφωσης του φλοιού από την ηλικία παρατηρείται μια αυξημένη ανάπτυξη στις ηλικίες μεταξύ 1 και 15 ετών, που είναι ενδεικτική μιας σημαντικής επαναδιαμόρφωσης του φλοιού κατά την παιδική και εφηβική ηλικία. Στα νεογνά παρατηρούνται αλλαγές μόνο στα βασικά γάγγλια, ενώ στους ενήλικες το δεξιό ημισφαίριο εξακολουθεί να διαμορφώνεται. Αυτό πιθανόν να αποτελεί ένδειξη ότι η φαιά ουσία του φλοιού (που αναδεικνύεται στις εξωτερικές τομές) αναπτύσσεται ταχύτερα από αυτή των βασικών γαγλίων (που αναδεικνύεται στις μέσες και εσωτερικές-ρινικές-τομές). Εκτός από τα ευρήματά μας των διαφορών μεταξύ των δύο ημισφαιρίων βρήκαμε επίσης μια σημαντική διαφορά στην ετερόπλευρη ανάπτυξη (αριστερό ημισφαίριο) σχετιζόμενη προς το φύλο και την ηλικία. Σύμφωνα με τα παραπάνω ευρήματα η μέτρηση της FD είναι ικανοποιητική μέθοδος για συγκρίσεις όπως αυτές της μελέτης μας. Η ερμηνεία δισδιάστατων εικόνων είναι συνήθης στην καθημερινή Ιατρική πρακτική και η μέτρηση της FD μπορεί να εφαρμοσθεί εύκολα, δεν βασίζεται σε πολύπλοκες μορφομετρικές ογκομετρικές μεθόδους και μπορεί να καθορίσει όρια μεταξύ φυσιολογικών και παθολογικών εικόνων, όρια που είναι δύσκολο να καθοριστούν με την απλή ερμηνεία τους που βασίζεται στην εμπειρία του παρατηρητή. Η οριοθέτηση τιμών της FD του φλοιού που καταγράφηκε, μπορεί να αποτελέσει δείκτη της εκτίμησης, ειδικά σε άτομα μεγάλης ηλικίας, της άνοιας, οποιοσδήποτε αιτιολογίας και μάλιστα σε αρχικά στάδια όπως πχ στη νόσο του Alzheimer. Δεδομένου ότι οι παραπάνω καταστάσεις αφορούν κατά κανόνα άτομα ηλικίας άνω των 50 ετών, FD με τιμή διαφορετική της 1,59 θα πρέπει να θεωρηθεί ως ενδεικτική παθολογικής επεξεργασίας με την προϋπόθεση της μη ύπαρξης παθολογικών ευρημάτων όπως νεοπλάσματος, αιμορραγίας ή εμφράγματος.