Patterns of cerebral gray and white matter alterations in preterm subjects by magnetic resonance imaging

Abstract

Preterm birth is frequently associated with an increased risk of neurodevelopmental difficulties and of cognitive, behavioural and emotional problems during childhood. The present thesis comprises two MRI studies that demonstrated patterns of cerebral gray matter (GM) and white matter (WM) alterations and their cognitive correlates in children and adolescents who were born preterm.<br/>Our first study provided evidence of the persistence of diffuse WM abnormalities in adolescents who were born very preterm, and underlines their high frequency. The individual voxel-based morphometry analysis approach demonstrated that 80% of preterm subjects had WM abnormalities, the most frequently affected areas being the centrum semiovale and the posterior periventricular regions. These results suggest that WM reductions are common, even in those preterm subjects without motor impairment and who receive normal schooling. Volumetric and MRI-related cognitive outcomes suggest that cognitive processing speed is persistently impaired following early brain damage, despite the existence of developmental plasticity. Although the nature of the relationship between diffuse WM injury and cognitive/behavioural deficits is complex and not entirely understood, the results of our first study suggest that WM abnormalities are related with worse Performance IQ scores and slower processing speed. So, we can affirm that diffuse WM loss in preterm children plays an important role in long-term cognitive impairment. <br/>Our second study focussed on the investigation of preterm children with a low risk either of neurological deficit or of developmental difficulties. While the neurodevelopmental and cognitive outcome of high-risk preterm samples is well known, little research has been conducted into low-risk preterms, such as those born between 30-34 weeks of GA, with uncomplicated perinatal histories, normal cranial ultrasound scans and no obvious neurodevelopmental deficits. To our knowledge, this is the first study to investigate the brain volume characteristics of a low-risk preterm sample in childhood using an MRI approach and the first attempt to relate these measures to cognitive performance. This study demonstrated that low-risk preterm children are characterized by the presence of regional cortical GM volume reductions in the parietal and temporal lobes which correlate strongly with IQ. Moreover, preterm children also showed WM volume reductions that were concomitant with the GM loss in the parietal and temporal regions compared to full-terms.<br/>In summary, the body of results derived from this thesis provides evidence that preterm birth is associated with brain abnormalities and cognitive impairment in middle childhood and adolescence. Future studies are required to assess the impact of cognitive and behavioural function in middle childhood on later outcomes in preterm samples with low risk of neurodevelopmental deficits.

Les seqüeles cognitives i conductuals associades al naixement prematur constitueixen actualment un dels principals temes d'interès pediàtric. Les imatges per ressonància magnètica (RM) han resultat una eina interessant per a l'estudi de les lesions cerebrals associades a la prematuritat, encara que els correlats entre les troballes en RM i els indicatius del neurodesenvolupament estan poc investigats.<br/>L'interès general d'aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi de les bases neuroanatòmiques (patrons d'alteració de substància grisa i blanca cerebral) relacionades amb el rendiment cognitiu que presenten els nens i els adolescents que han nascut prematurs. Amb aquest objectiu s'han usat tècniques volumètriques de neuroimatge basades en imatges de RM, així com avaluacions cognitives i de conducta en dues mostres de nens i adolescents (edats mitges de 9 i 14 anys respectivament) amb antecedents de part prematur. <br/>L'objectiu del primer estudi va ser investigar les relacions entre el rendiment cognitiu general i la integritat (concentració) de la substància blanca en una mostra d'adolescents que van néixer molt prematurs. Segons el nostre coneixement, cap estudi previ no havia usat la tècnica de la morfometria basada en el vòxel (VBM de l'anglès voxel-based morphometry) per analitzar els possibles correlats entre la substància blanca cerebral i els processos cognitius relacionats amb el quocient d'intel·ligència (QI) manipulatiu i amb mesures de velocitat de processament en una mostra d'adolescents amb antecedents de part prematur. A més a més, aquest va ser el primer estudi en usar una anàlisi de comparacions individuals amb la VBM a fi d'avaluar i establir els diferents patrons d'afectació de la substància blanca per a cada adolescent nascut prematur.<br/>Mentre que el desenvolupament neurològic i cognitiu dels prematurs d'alt risc ha rebut molta atenció, pràcticament no hi ha estudis amb referència als prematurs amb baix risc a desenvolupar dèficits neurològics o cognitius. Els prematurs de baix risc es defineixen com aquells nascuts amb una prematuritat moderada (30-34 setmanes de gestació), sense evidències de complicacions neonatals associades, amb resultats d'ultrasons cranials normals i sense dèficits obvis del desenvolupament motor, cognitiu i social. Fins a la realització de la nostra segona investigació, cap altre estudi no havia investigat les característiques volumètriques d'una mostra de prematurs de baix risc mitjançant RM (tècnica VBM), ni havia relacionat aquestes mesures amb l'execució cognitiva.<br/><br/>Les conclusions d'aquesta tesi derivades de l'estudi I (I-III) i de l'estudi II (IV-VI) son:<br/><br/>I. Els adolescents amb antecedents de prematuritat, sense evidències d'alteracions en la substància blanca segons una inspecció visual neuroradiològica de les imatges de RM, presenten amb una freqüència elevada reduccions de concentració de substància blanca en comparació amb els adolescents nascuts a terme, usant la tècnica de neuroimatge voxel-based morphometry. <br/><br/>II. Els resultats dels anàlisis de patrons d'alteració de la substància blanca cerebral en prematurs adolescents mostren que el centre semioval i les regions periventriculars posteriors son les àrees més freqüentment afectades. Aquests resultats suggereixen que aquestes alteracions en substància blanca son altament comunes en subjectes amb antecedents de part prematur, i que persisteixen fins a l'adolescència, després d'un llarg període de maduració cerebral.<br/><br/>III. Els adolescents amb història de part prematur presenten una afectació major en el QI Manipulatiu que en el QI Verbal. Tanmateix, l'afectació difusa de la substància blanca cerebral té un efecte important en el rendiment cognitiu dels prematurs, sobretot en tasques d'organització perceptiva i de velocitat de processament.<br/><br/>IV. Els nens prematurs amb baix risc de desenvolupar dèficits del neurodesenvolupament presenten unes reduccions volumètriques de substància grisa cerebral tant globals com regionals localitzades principalment al lòbul temporal.<br/><br/>V. Els nens prematurs de baix risc presenten decrements de volum de la substància blanca adjacents a les regions d'afectació de la substància grisa, encara que a només a les regions temporals esquerres van assolir la significació estadística. Amb aquests resultats, queda palès que els nens prematurs de baix risc mostren una afectació principalment en la substància grisa cortical, amb reduccions associades, però no tant manifestes, de substància blanca. La integritat de les substàncies grisa i blanca cerebral en la infància estan relacionades amb variables neonatològiques tals com l'edat de gestació i el pes al néixer. <br/><br/>VI. El rendiment cognitiu dels nens prematurs de baix risc està caracteritzat per dèficits en la comprensió verbal i en el raonament perceptiu. Tanmateix, els nens prematurs de baix risc no mostren problemes de conducta o afectius en comparació amb els nens nascuts a terme.<br/>Finalment, destacar que són necessaris estudis futurs que avaluïn els efectes de la prematuritat per se en el desenvolupament i la morfologia cerebral així com també en relació amb els subseqüents correlats cognitius.