Spatiotemporal analysis for detection of pre-symptomatic shape changes in neurodegenerative diseases: applied to GENFI study
- Creators
- Cury, Claire
- Durrleman, Stanley
- Cash, David M.
- Lorenzi, Marco
- Nicholas, Jennifer
- Bocchetta, Martina
- van Swieten, John Cornelis
- Borroni, Barbara
- Galimberti, Daniela
- Masellis, Mario
- Tartaglia, Maria Carmela
- Rowe, James
- Graff, Caroline
- Tagliavini, Fabrizio
- Frisoni, Giovanni B.
- Laforce, Robert Jr.
- Finger, Elizabeth
- de Mendonça, Alexandre
- Sorbi, Sandro
- Ourselin, Sébastien
- Rohrer, Jonathan D
- Modat, Marc
- Others:
- Vision, Action et Gestion d'informations en Santé (VisAGeS) ; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique ; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-SIGNAUX ET IMAGES NUMÉRIQUES, ROBOTIQUE (IRISA-D5) ; Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA) ; Université de Rennes 1 (UR1) ; Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique) ; Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Rennes 1 (UR1) ; Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique) ; Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA) ; Université de Rennes 1 (UR1) ; Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique) ; Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Rennes 1 (UR1) ; Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique) ; Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)
- Dementia Research Centre [London] (DRC) ; University College of London [London] (UCL)
- Department of Medical Physics and Biomedical Engineering (UCL) ; University College of London [London] (UCL)
- Algorithms, models and methods for images and signals of the human brain (ARAMIS) ; Sorbonne Université (SU)-Inria de Paris ; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut du Cerveau = Paris Brain Institute (ICM) ; Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP] ; Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Sorbonne Université (SU)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP] ; Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- E-Patient : Images, données & mOdèles pour la médeciNe numériquE (EPIONE) ; Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM) ; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
- London School of Hygiene and Tropical Medicine (LSHTM)
- Erasmus University Medical Center [Rotterdam] (Erasmus MC)
- Università degli Studi di Brescia = University of Brescia (UniBs)
- Centro Dino Ferrari [Milano] ; Università degli Studi di Milano = University of Milan (UNIMI)-Fondazione IRCCS Ca' Granda - Ospedale Maggiore Policlinico
- Sunnybrook Research Institute [Toronto] (SRI) ; Sunnybrook Health Sciences Centre
- Tanz Center Research in Neurodegenerative Diseases [Toronto] ; University of Toronto
- Cognition and Brain Sciences Unit (MRC CBU) ; University of Cambridge [UK] (CAM)
- Karolinska Institutet [Stockholm]
- Karolinska University Hospital [Stockholm]
- Fondazione IRCCS Istituto Neurologico "Carlo Besta"
- Neuroimaging and Telemedicine (LENITEM) ; IRCCS Fatebenefratelli - Brescia
- Université Laval [Québec] (ULaval)
- University of Western Ontario (UWO)
- Faculdade de Medicina [Lisboa] ; Universidade de Lisboa = University of Lisbon (ULISBOA)
- Università degli Studi di Firenze = University of Florence (UniFI)
- Imaging Sciences and Biomedical Engineering Division [London] ; Guy's and St Thomas' Hospital [London]-King's College London
Description
Brain atrophy as measured from structural MR images, is one of the primary imaging biomarkers used to track neurodegenerative disease progression. In diseases such as frontotemporal dementia or Alzheimer's disease, atrophy can be observed in key brain structures years before any clinical symptoms are present. Atrophy is most commonly captured as volume change of key structures and the shape changes of these structures are typically not analysed despite being potentially more sensitive than summary volume statistics over the entire structure. In this paper we propose a spatiotemporal analysis pipeline based Large Diffeomorphic Deformation Metric Mapping (LDDMM) to detect shape changes from volumetric MRI scans. We applied our framework to a cohort of individuals with genetic variants of frontotemporal dementia and healthy controls from the Genetic FTD Initiative (GENFI) study. Our method, take full advantage of the LDDMM framework, and relies on the creation of a population specific average spatiotemporal trajectory of a relevant brain structure of interest, the thalamus in our case. The residuals from each patient data to the average spatiotemporal trajectory are then clustered and studied to assess when presymptomatic mutation carriers differ from healthy control subjects. We found statistical differences in shape in the anterior region of the thalamus at least five years before the mutation carrier subjects develop any clinical symptoms. This region of the thalamus has been shown to be predominantly connected to the frontal lobe, consistent with the pattern of cortical atrophy seen in the disease.
Additional details
- URL
- https://hal.inria.fr/hal-01856906
- URN
- urn:oai:HAL:hal-01856906v1
- Origin repository
- UNICA