[논문 리뷰] White matter deficits underlie the loss of consciousness level and predict recovery outcome in disorders of consciousness

Xuehai Wu, Jiaying Zhang외 13명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 24.

Traumatic Brain Injury Research참고 문헌 32인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 불명확한 의식 장애(DoC) 환자에서 백질(WM) 이상을 규명하기 위해 분산 텐서 영상(DTI)을 사용하며, 감소한 분획적 이방성(FA)과 증가한 확산계수를 의식 수준 저하와 연관지운다. 연구는 좌측 상부 소뇌교수에서의 원추형 확산계수와 우측 횡단성 대상화에서의 분획적 이방성이 각각 87.5% 및 75%의 정확도로 회복 가능성을 예측함을 보여준다.

ABSTRACT

This study aimed to identify white matter (WM) deficits underlying the loss of consciousness in disorder of consciousness (DOC) patients using Diffusion Tensor Imaging (DTI) and to demonstrate the potential value of DTI parameters in predicting recovery outcomes of DOC patients. With 30 DOC patients (8 comatose, 8 unresponsive wakefulness syndrome/vegetative state, and 14 minimal conscious state) and 25 patient controls, we performed group comparison of DTI parameters across 48 core WM regions of interest (ROIs) using Analysis of Covariance. Compared with controls, DOC patients had decreased Fractional anisotropy (FA) and increased diffusivities in widespread WM area.The corresponding DTI parameters of those WM deficits in DOC patients significantly correlated with the consciousness level evaluated by Coma Recovery Scale Revised (CRS-R) and Glasgow Coma Scale (GCS). As for predicting the recovery outcomes (i.e., regaining consciousness or not, grouped by their Glasgow Outcome Scale more than 2 or not) at 3 months post scan, radial diffusivity of left superior cerebellar peduncle and FA of right sagittal stratum reached an accuracy of 87.5% and 75% respectively. Our findings showed multiple WM deficits underlying the loss of consciousness level, and demonstrated the potential value of these WM areas in predicting the recovery outcomes of DOC patients who have lost awareness of the environment and themselves.

연구 동기 및 목표

• 불명확한 의식 장애(DoC) 환자에서 의식 수준 저하와 관련된 백질(WM) 결핍을 규명하는 것.
• DTI 유도 백질 매개변수와 의식 수준 임상 측정치 간의 관계를 분석하는 것.
• DoC 환자에서 3개월 후 회복 결과를 예측하기 위한 백질 연속성의 예측 가치를 평가하는 것.
• 기준화된 뇌 영상 지표를 사용하여 DoC 환자와 건강한 환자 대조군 간의 백질 이상을 비교하는 것.

제안 방법

• 30명의 DoC 환자와 25명의 환자 대조군에서 48개의 백질 영역에 대한 관심 영역(ROI)을 대상으로 DTI 매개변수의 군 비교를 실시함.
• 분획적 이방성(FA), 평균 확산계수(MD), 축방향 확산계수(AD), 원추형 확산계수(RD)의 차이를 분석하기 위해 공분산 분석(ANCOVA)을 적용함.
• DTI 매개변수를 임상 척도인 코마 회복 척도-개정판(CRS-R) 및 글라스고 코마 척도(GCS)와 상관 분석함.
• 3개월 후 회복 결과를 예측하기 위한 정확도 평가를 위해 수신기 작동 특성(ROC) 분석을 사용함.
• 글라스고 회복 척도(GOS) 점수를 기반으로 회복 결과를 분류함(GOS > 2 대비 ≤2).
• 특정 백질 연속, 특히 좌측 상부 소뇌교수와 우측 횡단성 대상화에 초점을 맞춰 예측 모델링을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불명확한 의식 장애(DoC) 환자에서 대조군과 비교해 유의미한 미세구조적 이상을 보이는 백질 영역는 어디인가?
• RQ2 DTI 매개변수(FA, MD, AD, RD)는 의식 수준 임상 측정치(CRS-R 및 GCS)와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 특정 백질 연속성 지표는 DoC 환자가 스캔 후 3개월 이내에 의식을 회복할 가능성을 예측할 수 있는가?
• RQ4 DoC 환자에서 회복 결과를 예측하는 데 가장 높은 정확도를 보이는 백질 연속은 무엇인가?

주요 결과

• DoC 환자는 대조군에 비해 광범위한 백질 영역에서 분획적 이방성(FA) 감소와 확산계수(MD, AD, RD) 증가를 보였다.
• 영향을 받은 백질 영역의 DTI 매개변수는 CRS-R 및 GCS 점수와 유의미한 음성 상관관계를 보였으며, 이는 미세구조적 손상이 심할수록 의식 수준이 낮아짐을 시사한다.
• 좌측 상부 소뇌교수에서의 원추형 확산계수는 3개월 후 추적 관찰에서 87.5%의 정확도로 회복 결과를 예측함.
• 우측 횡단성 대상화에서의 분획적 이방성(FA)은 75%의 정확도로 회복 결과를 예측함.
• 특히 소뇌교수 및 연합 섬유에서 핵심 연속에서의 백질 연속성 지표 조합은 임상적 회복 가능성을 강력하게 예측할 잠재력을 보였음.
• 이러한 결과들은 백질 미세구조적 손상이 DoC에서 의식 수준 저하의 핵심 생물학적 기초이며, 예후 생물지표로 활용될 수 있음을 시사한다.