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Introduction: Ischemic and hemorrhagic strokes in the brainstem and cerebellum with injury to the functional loop of the Guillain-Mollaret triangle (GMT) can trigger a series of events that result in secondary trans-synaptic neurodegeneration of the inferior olivary nucleus. In an unknown percentage of patients, this leads to a condition called hypertrophic olivary degeneration (HOD). Characteristic clinical symptoms of HOD progress slowly over months and consist of a rhythmic palatal tremor, vertical pendular nystagmus, and Holmes tremor of the upper limbs. Diffusion Tensor Imaging (DTI) with tractography is a promising method to identify functional pathway lesions along the cerebello-thalamo-cortical connectivity and to generate a deeper understanding of the HOD pathophysiology. The incidence of HOD development following stroke and the timeline of clinical symptoms have not yet been determined in prospective studies—a prerequisite for the surveillance of patients at risk. Methods and Analysis: Patients with ischemic and hemorrhagic strokes in the brainstem and cerebellum with a topo-anatomical relation to the GMT are recruited within certified stroke units of the Interdisciplinary Neurovascular Network of the Rhine-Main. Matching lesions are identified using a predefined MRI template. Eligible patients are prospectively followed up and present at 4 and 8 months after the index event. During study visits, a clinical neurological examination and brain MRI, including high-resolution T2-, proton-density-weighted imaging, and DTI tractography, are performed. Fiberoptic endoscopic evaluation of swallowing is optional if palatal tremor is encountered. Study Outcomes: The primary endpoint of this prospective clinical multicenter study is to determine the frequency of radiological HOD development in patients with a posterior fossa stroke affecting the GMT at 8 months after the index event. Secondary endpoints are identification of (1) the timeline and relevance of clinical symptoms, (2) lesion localizations more prone to HOD occurrence, and (3) the best MR-imaging regimen for HOD identification. Additionally, (4) DTI tractography data are used to analyze individual pathway lesions. The aim is to contribute to the epidemiological and pathophysiological understanding of HOD and hereby facilitate future research on therapeutic and prophylactic measures.
Purpose: Diffuse cortical damage in relapsing–remitting multiple sclerosis (RRMS) is clinically relevant but cannot be directly assessed with conventional MRI. In this study, it was aimed to use diffusion tensor imaging (DTI) techniques with optimized intrinsic eddy current compensation to quantify and characterize cortical mean diffusivity (MD) and fractional anisotropy (FA) changes in RRMS and to analyze the distribution of these changes across the cortex.
Materials and Methods: Three-Tesla MRI acquisition, mapping of the MD providing information about the integrity of microstructural barriers and of the FA reflecting axonal density and surface-based analysis with Freesurfer were performed for 24 RRMS patients and 25 control subjects.
Results: Across the whole cortex, MD was increased in patients (p < 0.001), while surface-based analysis revealed focal cortical FA decreases. MD and FA changes were distributed inhomogeneously across the cortex, the MD increase being more widespread than the FA decrease. Cortical MD correlated with the Expanded Disability Status Scale (EDSS, r = 0.38, p = 0.03).
Conclusion: Damage of microstructural barriers occurs inhomogeneously across the cortex in RRMS and might be spatially more widespread than axonal degeneration. The results and, in particular, the correlation with the clinical status indicate that DTI might be a promising technique for the monitoring of cortical damage under treatment in larger clinical studies.
Die moderne Biochemie ist eine Wissenschaft, die sich im Wandel befindet. Während die bisherige Forschung sehr stark experimentell geprägt ist, existiert eine theoretische Biologie, analog zur theoretischen Chemie, nur in Ansätzen. Trotzdem wandelt sich auch diese Wissenschaft hin zu einer stärkeren Einbindung theoretischer Ansätze. Der Grund hierfür liegt in der Betrachtung von zunehmend komplexeren Systemen. So beschäftigt man sich in der Systembiologie, einem Teilbereich der Biochemie, unter anderem mit der Aufklärung komplexer Reaktionsnetzwerke. Während Ausschnitte dieser Netzwerke weiterhin experimentell aufgeklärt und verstanden werden, lässt sich das zusammenhängende Bild zunehmend nur noch durch eine theoretisch geprägte Modellbildung fassen. Darüber hinaus zeigen neuere Forschungsergebnisse die Bedeutung der Tatsache, dass Moleküle, Zellen und Zellhaufen, also wichtige Forschungsubjekte der Biochmie, dreidimensionale Gebilde sind – eine Tatsache, die bei der Modellbildung berücksichtigt werden muss. Eine Antwort auf die genannten Herausforderungen ist der konzertierte Einsatz von Simulation und Visualisierung als Mittel des Erkenntnisgewinns. Damit ist die Informatik gefordert entsprechende dedizierte Werkzeuge zu entwickeln, die Simulation, Visualisierung und Interaktion im Kontext des von der Anwendungsdisziplin gesetzten räumlich-zeitlichen Problemkreises miteinander verbinden. In dieser Arbeit wird ein integriertes Konzept zu Simulation, Interaktivität und Visualisierung vorgelegt, das auf einer Anforderungsanalyse in Bezug auf Anforderungen an die Simulation und Anforderungen an die Interaktivität und Visualisierung basiert. Zur Lösung der aufgeworfenen Probleme wird ein „Baukastensystem“ auf Basis von Multi-Agenten-Systemen vorgeschlagen. Die Auswahl des geeigneten Simulationsverfahrens, z. B. die Auswahl eines stochastischen Verfahrens gegenüber einem deterministischen Verfahrens, wird so zur Auswahl eines Bausteins, wobei gezeigt wird, wie z. B. mit Hilfe von Regeln die Auswahl auch automatisiert werden kann. Ebenso wird gezeigt, wie man „Baussteine“ auch im räumlichen Sinne verstehen kann, als Dinge, die in einem dreidimensionalen Kontext einen bestimmten Raum einnehmen und die, in ihrer Gesamtheit betrachtet, den Beobachtungsraum der Simulation ausfüllen. Diese Bausteine finden sich entsprechend ebenfalls im Kontext der Interaktion wieder. Ein wichtiger Aspekt in diesem Baukastenkonzept ist die Frage der Kommunikationsstruktur und des Kommunikationsprotokolls, für den ein Vorschlag erarbeitet wird. Das entwickelte Gesamtkonzept besteht aus zwei Teilen: Einem Konzept für Ein- und Ausgabegeräte mit einer gemeinsamen Metapher, die die Geräte logisch in den Anwendungskontext einbettet und einem Simulations- und Visualisierungskonzept auf der Basis der Kopplung heterogener intelligenter Agenten in eine gemeinsame Simulationsumgebung. Hierfür wurde ein spezieller Dialekt einer Agentenkommunikationssprache entwickelt, der dabei insbesondere den Aspekt der dreidimensionalen Visualierung einer solchen Simulation berücksichtigt.