Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Lisa Frank

Volumetrische Untersuchungen der Gehirne epileptischer Hunde

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110489

title (eng.)

Volumetric investigations of the brains of epileptic dogs

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/frankl_ws17.pdf

abstract (deutsch)

Die idiopathische Epilepsie (IE) ist eine der häufigsten chronischen neurologischen Erkrankungen beim Hund und stellt eine Erkrankung des Gehirns mit wiederkehrenden epileptischen Anfällen dar, die genetisch, vermutlich genetisch oder unklarer Genese sind. Die IE ist eine Ausschlussdiagnose, weshalb bei Hunden mit Anfallsgeschehen eine umfassende diagnostische Abklärung durchgeführt werden sollte (TIER I-III), um eine strukturelle Epilepsie (SE) oder reaktive Anfälle ausschließen zu können. Besonders die Magnetresonanztomographie (MRT) des Schädels ist geeignet, intrakranielle Veränderungen des Gehirns zu erkennen bzw. auszuschließen und ist bei Hunden mit IE ohne Befund. Nicht alle Hunde mit IE können erfolgreich mit Antiepileptika therapiert werden, so dass diese Erkrankung nicht nur für den Hund, sondern auch für die Patientenbesitzer eine Beeinträchtigung der Lebensqualität darstellt.

Bei Menschen mit Epilepsie wurden durch die Anwendung der Voxel-based Morphometrie (VBM), eine Technik, die es möglich macht, MRT-Bilder objektiv zu analysieren und Unterschiede in Gehirnmorphologien (beispielsweise im Volumen der grauen Substanz (GMV)) zwischen 2 Gruppen von Subjekten aufzudecken, zahlreiche Strukturen der grauen Substanz (GM) entdeckt, die im Volumen reduziert oder erhöht waren. Die Anwendung der VBM kann nicht nur einzelne spezifische Strukturen des Gehirns bewerten, sondern auch anatomische Unterschiede des gesamten Gehirns aufdecken und atrophierte Gehirnregionen ohne manuelle Messungen and subjektive Einflüsse der Untersuchenden beurteilen. Allerdings gibt es beim Gebrauch der VBM in der Veterinärmedizin, v. a. bei Hunden, einige Nachteile: es gibt nur wenige Veterinärmediziner mit Erfahrung in der Durchführung und Beurteilung der VBM, der Zugang zu Hochleistungsrechnern ist begrenzt und die durch die Zucht entstandene Vielfalt der Hunderassen und daraus resultierende brachycephale, mesocephale, dolichocephale und gemischte Schädel- sowie Gehirnformen kompliziert eine routinemäßige, standardisierte Bildbearbeitung und die Anwendung der VBM bei Hunden.

Deshalb wurden in dieser Studie T1 gewichtete 3D TFE (turbo field echo) MRT-Aufnahmen nur einer Rasse verwendet, um mittels VBM das GMV epileptischer mit dem Volumen der grauen Substanz gesunder Hunde zu vergleichen. Die MRT-Aufnahmen von fünf Kontrollbeagle, fünf Beagle mit IE sowie fünf mit SE wurden manuell extrahiert (Amira 6.3.0), registriert und nach Erstellung von Gewebewahrscheinlichkeitskarten in GM, weiße Substanz und Zerebrospinalflüssigkeit segmentiert (FSL 4.1.8, SPM12). Anschließend wurden die extrahierten GM-Aufnahmen einander angepasst (Realignement), 4 Templates der GM erstellt und nach räumlicher Anpassung statistische Analysen angefertigt, in denen Volumenunterschiede der GM zwischen der Kontrollgruppe und den Beagle mit IE, SE bzw. allen epileptischen Beagle zusammen verglichen wurden (SPM12).

Epileptische Beagle zeigten ein reduziertes GMV im Bulbus olfactorius, Gyrus cinguli, Hippocampus und Kortex v. a. des Lobus temporalis und occipitalis. Beagle mit IE wiesen ein vermindertes GMV im Bulbus olfactorius, Lobus temporalis, Hippocampus und Gyrus cinguli, Beagle mit SE milde GMV-Abnahmen im Lobus temporalis auf. Auch Bereiche der GM mit erhöhtem Volumen im Lobus frontalis (IE Beagle), parietalis (IE und SE Beagle) und temporalis (IE und besonders epileptische Beagle) sowie im Bulbus olfactorius (epileptische Beagle) wurden aufgedeckt.

Alle volumetrischen Unterschiede zwischen epileptischen und gesunden Beagle stimmen mit zahlreichen Befunden aus VBM-Studien epileptischer Menschen überein, welches die Annahme, dass der Hund ein sinnvolles Tiermodell für den Menschen darstellt, bekräftigt. Gefundene Reduktionen des GMV epileptischer Beagle könnten die Ursache oder Konsequenz epileptischer Anfälle darstellen und für Verhaltensänderungen an Epilepsie erkrankter Hunde verantwortlich sein, während das erhöhte GMV Geweberegenerationen oder protektive Mechanismen repräsentieren könnte. In dieser Pilotstudie konnte gezeigt werden, dass die VBM eine exzellente Methode darstellt, Unterschiede im GMV des Gehirns zwischen Gruppen, nicht aber zwischen Individuen, gesunder und epileptischer Hunde aufzudecken, wenn MRT-Aufnahmen nur einer Rasse verglichen werden. Weitere VBM-Untersuchungen der Gehirne von Hunden mit rassespezifischen epileptischen Syndromen könnte die canine Epilepsieforschung fördern und als Biomarker für das therapeutische Outcome epileptischer Hunde fungieren. Nichtsdestotrotz muss diese Technik weiterentwickelt werden, damit sie in der veterinärmedizinischen Forschung zukünftig breitgefächerter angewendet werden kann.

abstract (englisch)

Idiopathic epilepsy (IE) is one of the most common chronic neurological disorders in dogs, which is defined as a disorder of the brain characterized by recurrent epileptic seizures of unknown, genetic or suspected genetic origin. Because IE is a diagnose of exclusion, several diagnostic approaches have to be considered in dogs with seizures (TIER I-III) to exclude structural epilepsy (SE) or reactive seizures. Especially magnetic resonance imaging (MRI) of the skull is suitable to recognize or exclude intracranial changes of the brain. In dogs with IE such examination is considered to be without special findings.

Application of Voxel-based Morphometry (VBM) in epileptic humans, a method to analyse MR images and detect differences in brain morphologies, for instance in grey matter volume (GMV), between two groups of subjects, detected several grey matter (GM) structures that are reduced or increased in volume. The VBM method can not only evaluate specific structures of the brain, but also anatomical differences of the entire brain and allows the assessment of atrophic brain regions across large groups of subjects without manual measurements and subjective influences. However, the application of VBM method for animals, especially for dogs, has some disadvantages: only few veterinarians have much experience in performing and evaluating VBM, the access of high performance computers is limited in veterinary medicine and the variety of existing dog breeds resulting in brachycephalic, mesocephalic, dolichocephalic and mixed skull and brain shapes complicates standardized image processing and using VBM methods in canines routinely.

Therefore, T1 weighted 3D TFE (turbo field echo) MR images of one breed were used in the current study to compare GMV of epileptic and healthy dogs using VBM. MR images of five control Beagles, five Beagles with IE as well as five with SE were manually extracted (Amira 6.3.0), registered and, after creation of tissue probability maps, segmented in GM, white matter and cerebrospinal fluid (FSL 4.1.8, SPM12). Subsequently, extracted GM images were realigned, 4 GM templates were created and after spatial normalization statistical analyses were implemented, that compared volume differences of the GM between the control group and the Beagles with IE, SE resp. all epileptic Beagles (SPM12).

Epileptic Beagles displayed reduced GMV in olfactory bulb, cingulate gyrus, hippocampus and cortex, especially in temporal and occipital lobes. Beagles with IE showed decreased GMV in olfactory bulb, temporal lobe, hippocampus and cingulate gyrus, Beagles with SE mild GMV reduction in temporal lobe. Increased volume of GM in frontal (IE Beagles), parietal (IE and SE Beagles) and temporal (IE and epileptic Beagles) lobes as well as in olfactory bulb (epileptic Beagles) could also be detected.

All volumetric differences between epileptic and healthy Beagles are in agreement with several findings in epileptic humans that emphasizes that the dog is a useful large animal model for humans. Reduction of GMV in epileptic Beagles may represent the cause or consequence of epileptic seizures and be responsible for behavioral changes of epileptic dogs, while an increased GMV can denote tissue regeneration or protective mechanisms. In this pilot study, it could be shown that VBM analysis represents an excellent method to detect GMV differences of the brain between groups of healthy and epileptic dogs, when MRI images of only one breed are compared. VBM cannot be recommended for evaluation of individual patients. Further VBM investigations of dogs with breed specific epileptic syndromes could promote canine epilepsy research and could be evaluated as a biomarker for treatment outcome. Nevertheless, this technique has to be further developed in order to apply it broadly in veterinary medicine research.

keywords

Voxel-basierte Morphometrie, Hunde, Epilepsie ; Voxel-based morphometry, dogs, epilepsy

kb

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