FUNCTIONELE PROTON MAGNETISCHE RESONANTIE SPECTROSCOPIE...

67
FACULTEIT GENEESKUNDE EN GEZONDHEIDSWETENSCHAPPEN Academiejaar 2010 - 2011 FUNCTIONELE PROTON MAGNETISCHE RESONANTIE SPECTROSCOPIE IN DE FYSIOPATHOLOGIE VAN MIGRAINE: de dynamiek van lactaat Anneloor DIERICKX Promotor: Prof. Dr. E. Achten Co-promotor: Prof. Dr. K. Paemeleire Scriptie voorgedragen in de 2 de Master in het kader van de opleiding tot MASTER IN DE GENEESKUNDE

Transcript of FUNCTIONELE PROTON MAGNETISCHE RESONANTIE SPECTROSCOPIE...

  • FACULTEIT GENEESKUNDE EN

    GEZONDHEIDSWETENSCHAPPEN

    Academiejaar 2010 - 2011

    FUNCTIONELE PROTON MAGNETISCHE

    RESONANTIE SPECTROSCOPIE IN DE

    FYSIOPATHOLOGIE VAN MIGRAINE:

    de dynamiek van lactaat

    Anneloor DIERICKX

    Promotor: Prof. Dr. E. Achten

    Co-promotor: Prof. Dr. K. Paemeleire

    Scriptie voorgedragen in de 2de Master in het kader van de opleiding tot

    MASTER IN DE GENEESKUNDE

  • FACULTEIT GENEESKUNDE EN

    GEZONDHEIDSWETENSCHAPPEN

    Academiejaar 2010 - 2011

    FUNCTIONELE PROTON MAGNETISCHE

    RESONANTIE SPECTROSCOPIE IN DE

    FYSIOPATHOLOGIE VAN MIGRAINE:

    de dynamiek van lactaat

    Anneloor DIERICKX

    Promotor: Prof. Dr. E. Achten

    Co-promotor: Prof. Dr. K. Paemeleire

    Scriptie voorgedragen in de 2de

    Master in het kader van de opleiding tot

    MASTER IN DE GENEESKUNDE

  • “De auteur en de promotor geven de toelating dit afstudeerwerk voor consultatie beschikbaar te

    stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de

    beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting uitdrukkelijk de

    bron te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit dit afstudeerwerk.”

    6 mei 2011

    Anneloor Dierickx Prof. Dr. Eric Achten

  • Voorwoord

    „Functionele proton magnetische resonantie spectroscopie in de fysiopathologie van migraine: de

    dynamiek van lactaat‟ was mijn thesisonderwerp van eerste keuze, en ik ben dan ook heel dankbaar

    dat ik deel heb mogen uitmaken van deze studie. Het was een leerrijke en veelzijdige ervaring die ik

    met voldoening presenteer in dit proefschrift.

    Graag zou ik mijn dank willen betuigen aan Professor Dr. E. Achten en Professor Dr. K. Paemeleire,

    omdat ze mij de kans geboden hebben om deel te nemen aan deze uitdagende studie. Professor Dr. E.

    Achten wil ik tevens bedanken voor het ter beschikking te stellen van het MR-researchgebouw en de

    nodige beeldvormende apparatuur om deze studie waar te kunnen maken. Professor Dr. K. Paemeleire

    wil ik graag bedanken voor zijn inzet in de recrutering van de migraine patiënten alsook voor zijn

    aanstekelijke interesse en boeiende kennisoverdracht betreffende migraine en meer algemeen,

    neurologie .

    Mijn speciale dank gaat uit naar Harmen Reyngoudt, voor zijn uitstekende begeleiding over alle

    aspecten van deze thesis. Bedankt om mij wegwijs te maken in de wetenschap van de spectroscopie

    alsook voor de vele uitleg en hulp die je me verleende over deze twee jaar. Een thesisstudent kan zich

    geen betere begeleider wensen.

    Ik wil graag mijn ouders bedanken voor hun eindeloze positieve aanmoedigingen en steun. Verder had

    ik ook graag mijn broer Willem willen bedanken voor zijn bijdrage aan de vormgeving van deze thesis.

    Tevens had ik graag mijn vriend Koen bedankt voor het inhoudelijke nazicht van mijn thesis en zijn

    zus Julie voor het maken van de illustratie van de rekruteringsaffiche.

    Tot slot zou ik graag mijn grote dankbaarheid willen uitdrukken aan alle deelnemers van de studie.

    Anneloor Dierickx

  • Inhoudsopgave

    ABSTRACT .............................................................................................................................. 1

    INLEIDING .............................................................................................................................. 2

    1. MIGRAINE ................................................................................................................................................... 2

    1.1 Definitie en classificatie ......................................................................................................................... 2

    1.2 Epidemiologie ........................................................................................................................................ 3

    1.3 Neurobiologie ........................................................................................................................................ 4

    1.3.1 Corticale spreidende depressie, aura en het trigeminovasculaire systeem ................................. 4

    1.3.2 Neurotransmitters en farmacologische targets .............................................................................. 6

    1.3.3 Ictaal versus interictaal en de invloed van triggers........................................................................ 7

    1.3.4 Genetica ........................................................................................................................................ 8

    1.3.5 Deficiënte corticale habituatie ..................................................................................................... 10

    1.3.6 NO overgevoeligheid .................................................................................................................. 11

    1.3.7 Metabole dysfunctie .................................................................................................................... 11

    2. MAGNETISCHE RESONANTIE SPECTROSCOPIE EN MIGRAINE .................................................... 13

    2.1 Principe van MRI en MRS .................................................................................................................. 13

    2.2 MRS en migraine ................................................................................................................................. 21

    2.3 Lactaat.................................................................................................................................................. 22

    METHODOLOGIE ............................................................................................................... 28

    1. DOEL VAN DE STUDIE ................................................................................................................................... 28

    2. PROEFPERSONEN .......................................................................................................................................... 28

    3. 1H-MRS EN VISUELE STIMULATIE ................................................................................................................ 29

    3.1 Spectrale analyse.................................................................................................................................. 31

    3.2 Kwantificatie ........................................................................................................................................ 32

    3.3 Statistische analyse .............................................................................................................................. 32

    RESULTATEN ....................................................................................................................... 33

    1. KWALITEIT VAN HET IN VIVO SPECTRUM ...................................................................................................... 33

    1.1 Fitting (specificiteit) ............................................................................................................................ 33

    1.2 Signaal-ruisverhouding (sensitiviteit) .................................................................................................. 33

    2. SIGNAALAMPLITUDES .................................................................................................................................. 34

  • 2.1 Signaalvariatie in vitro (fantoom) ........................................................................................................ 34

    2.2 Signaalvariatie in vivo ......................................................................................................................... 35

    2.2.1 Variatie in het signaal tijdens het volledige paradigma ............................................................... 36

    2.2.2 Variatie in het signaal tussen de verschillende stappen van het paradigma ............................... 36

    2.2.3 Variatie in het signaal tussen de verschillende stappen van het paradigma bij controle X ....... 37

    3. RELATIEVE KWANTIFICATIE ......................................................................................................................... 38

    4. ABSOLUTE KWANTIFICATIE .......................................................................................................................... 39

    DISCUSSIE ............................................................................................................................. 42

    REFERENTIES ...................................................................................................................... 45

    APPENDIX A: THE INTERNATIONAL HEADACHE CLASSIFICATION ................ 51

    APPENDIX B: RECRUTERINGSAFFICHE ..................................................................... 55

    APPENDIX C: MR-VRAGENLIJST................................................................................... 56

    APPENDIX D: VERKLARENDE WOORDENLIJST ...................................................... 57

  • 1

    Abstract

    Migraine is een frequent voorkomende invaliderende vorm van primaire hoofdpijn. De 1-

    jaarsprevalentie van migraine bedraagt 11% en het komt drie keer meer voor bij vrouwen dan bij

    mannen. Het treft voornamelijk de actieve bevolking en heeft bijgevolg een grote socio-economische

    impact. Migraine wordt klinisch beschreven volgens de criteria van de „International Headache

    Society‟ en kan in twee grote subtypes opgedeeld worden: migraine zonder aura (MO) en migraine

    met aura (MA). De fysiopathologie ervan is nog niet volledig opgehelderd maar omvat mogelijks een

    excessieve corticale activatie ten gevolge van een deficiënte habituatie bij repetitieve stimulatie

    alsook een verminderde mitochondriale energiereserve in de hersenen.

    Proton magnetische resonantie spectroscopie (1H-MRS) werd reeds in verscheidene studies

    aangewend om op een niet-invasieve manier lactaatveranderingen in de geactiveerde cerebrale cortex

    te meten. Een aantal van deze studies toonden een hoger basaal lactaatgehalte alsook een grotere

    stijging van het lactaatgehalte tijdens de visuele stimulatie bij MA patiënten in vergelijking met

    controles. Gelijkaardige studies betreffende de meest frequent voorkomende vorm van migraine, MO,

    zijn echter schaars.

    Reyngoudt et al. (2011) demonstreerden aan de hand van een 31

    P-MRS studie een verlaagd

    adenosinetrifosfaat (ATP) en fosfocreatine (PCr) gehalte in de visuele cortex van MO patiënten in rust,

    suggestief voor een reductie in het aërobe metabolisme [58] en dit bood de ideale voorzet voor verder

    onderzoek. Het doel van deze studie was na te gaan of het lactaatgehalte bij MO patiënten tijdens en

    na visuele stimulatie gestegen zou zijn. Dit onderzoek werd niet enkel beschreven in dit proefschrift,

    het werd tevens gepubliceerd in „The journal of headache and pain‟ [59].

    De opzet van deze studie, die twintig MO patiënten en twintig controlepersonen includeerde, was het

    uitvoeren van een 3T-1H-MRS onderzoek waarbij een 12 minuten durende visuele stimulatie werd

    toegepast aan een frequentie van 8 Hz via een MR-compatibele bril. Er werden geen significante

    verschillen in signaalintensiteiten, verhoudingen en absolute concentraties van de metabolieten

    (inclusief lactaat) geobserveerd tussen de MO patiënten en de controles. Lactaat vertoonde ook geen

    significante stijging tijdens of na het toedienen van de visuele stimulatie bij zowel de MO patiënten als

    de controles.

    Het moet vermeld worden dat eventuele subtiele lactaatveranderingen mogelijks niet gedetecteerd

    werden in migrainepatiënten en controles, gezien de detectielimiet voor lactaat met fMRS in de orde

    van 0.1-0.2 µmol/g is. Deze studie pleit evenwel tegen een significante omschakeling naar anaëroob

    metabolisme tijdens langdurige visuele stimulatie in de visuele cortex van MO patiënten.

  • 2

    Inleiding

    1. MIGRAINE

    1.1 Definitie en classificatie

    Volgens de richtlijnen van de International Headache Society (IHS) wordt een onderscheid gemaakt

    tussen (1) primaire hoofdpijn, (2) secundaire hoofdpijn en (3) craniale neuralgieën, faciale pijn en

    andere hoofdpijn. Secundaire hoofdpijn is het gevolg van een onderliggende aandoening, zoals: hoofd-

    en/of nektrauma, transient ischemic attack (TIA), cerebrovasculair accident (CVA), hersenbloeding,

    hersentumor, epilepsie, middelengebruik of abstinentie ervan, infectie, psychiatrische stoornis, etc. [75]

    Bij primaire hoofdpijn daarentegen is er geen sprake van een onderliggende aandoening, naast

    migraine behoren ook spanningshoofdpijn en clusterhoofdpijn tot deze categorie [75]. Zie Appendix A

    voor de volledige IHS classificatie van hoofdpijn.

    Migraine is een frequent voorkomende invaliderende aandoening die gekenmerkt wordt door een

    episodisch verloop met hoofdpijnaanvallen die onbehandeld 4-72 uur duren. Migraine voldoet aan

    minstens twee van de volgende criteria: (1) unilateraal gelokaliseerd, (2) kloppende pijn,

    (3) middelmatige tot ernstige pijnintensiteit en/of (4) verergeren van de pijn bij routine fysieke

    activiteit of een aanleiding tot de vermijding hiervan [75]. Migraine is ook steeds geassocieerd met één

    van de volgende symptomen: (1) misselijkheid en/of braken, (2) foto- en fonofobie [75].

    Migraine wordt onderverdeeld in twee grote subtypes: migraine zonder aura (MO) en migraine met

    aura (MA) (tabel 1). Migraine zonder aura is de meest frequent voorkomende vorm. Bij 20-30 % van

    de migrainepatiënten treden er auraverschijnselen op (MA) [75]. Deze aura‟s uiten zich in aanvallen

    van reversibele neurologische symptomen die zich gradueel manifesteren over het verloop van

    minstens 5 minuten en niet langer dan 60 minuten duren (per symptoom) [75]. Deze neurologische

    manifestaties kunnen zijn: visuele symptomen met positieve (zoals lichtjes, vlekken of lijnen) of

    negatieve (scotomen) verschijningsvorm, sensibele symptomen met positieve (naaldenprikken) of

    negatieve (gevoelloosheid) verschijningsvorm en taal/spraakmoeilijkheden. Meestal wordt deze aura

    binnen het uur gevolgd door hoofdpijn met de kenmerken van MO (typische aura met migraineuze

    hoofdpijn) [75].

    Andere subtypes van MA zijn: (1) typische aura met niet-migraineuze hoofdpijn, (2) typische aura

    zonder hoofdpijn, (3) familiale hemiplegische migraine (FHM), (4) sporadische hemiplegische

    migraine (SHM) en (5) basilaire migraine [75].

  • 3

    Een volledig overzicht van alle voorkomende types van migraine en complicaties ervan zijn opgesomd

    in tabel 1 [75].

    Migraine

    1. Migraine zonder aura

    2. Migraine met aura

    2.1 Typische aura met migraineuze hoofdpijn

    2.2 Typische aura met niet-migraineuze hoofdpijn

    2.3 Typische aura zonder hoofdpijn

    2.4 Familiale hemiplegische migraine (FHM)

    2.5 Sporadische hemiplegische migraine

    2.6 Basilaire migraine

    3. Periodische syndromen in de kindertijd die frequent precursoren zijn van migraine

    3.1 Cyclisch braken

    3.2 Abdominale migraine

    3.3 Benigne paroxismale vertigo in de kindertijd

    4. Retinale migraine

    5. Complicaties van migraine

    5.1 Chronische migraine

    5.2 Status migrainosus

    5.3 Persistente aura zonder herseninfarct

    5.4 Migraineus herseninfarct

    5.5 Migraine-getriggerde convulsie

    Tabel 1. De IHS classificatie van migraine. Bron: International Headache Society [75]

    1.2 Epidemiologie

    Migraine heeft een gemiddelde 1-jaarsprevalentie van 11% en komt drie keer meer voor bij vrouwen

    dan bij mannen [5]. Vóór de puberteit is migraine meer prevalent bij jongens maar vanaf de

    adolescentie is het meer prevalent bij meisjes [5]. Migraine heeft een piek prevalentie tussen de 25j en

    55j, treft dus voornamelijk de actieve bevolking en heeft bijgevolg een grote socio-economische

    impact (werkverzuim) [20]. De World Health Organisation (WHO) schat dat wereldwijd ongeveer

    324 miljoen mensen getroffen zijn door migraine en rangschikt migraine als 19de

    in de lijst van meest

    invaliderende aandoeningen [37].

  • 4

    1.3 Neurobiologie

    De zoektocht naar de onderliggende fysiopathologische mechanismen van migraine houdt menig

    wetenschapper in de ban. De kennis is de laatste jaren aanzienlijk geëvolueerd maar er zijn nog steeds

    talrijke controversen en onbeantwoorde vragen. Migraine is dus een „hot topic‟ in de

    onderzoekswereld en vele onderzoeksgroepen dragen bij tot deze dynamische en kritische dialoog. In

    dit proefschrift wordt er slechts een tipje van de sluier gelicht van het complexe causaliteitsmodel van

    migraine: corticale spreidende depressie, triggers, deficiënte corticale habituatie, genetica, NO-

    overgevoeligheid, metabole dysfunctie etc. Momenteel bestaat er echter nog geen sluitende theorie die

    al deze elementen verbindt.

    1.3.1 Corticale spreidende depressie, aura en het trigeminovasculaire systeem

    Sinds de eerste beschrijving van corticale spreidende depressie (CSD) door Leão (1944) is algemeen

    aangenomen dat CSD het elektrofysiologisch correlaat is van de migraineuze aura [36, 81]. Leão

    beschreef CSD als een zelf-propagerende golf van intense neuronale activiteit (depolarisatie), startend

    in de occipitale cortex (figuur 1), die zich gestaag (± 3 mm/min) uitspreidt over de cortex en gevolgd

    wordt door een periode van neuronale inactiviteit [36]. Cao (1999) postuleerde dat CSD mogelijks aan

    de basis ligt van de migraineaanval onafhankelijk van de aanwezigheid van aura symptomen [11]. Het

    is nog niet volledig opgehelderd hoe CSD ontstaat.

    Figuur 1. Corticale spreidende depressie (CSD) volgens Leão. CSD is een zelf-propagerende golf van intense

    neuronale activiteit die start in de occipitale cortex, zich gestaag uitspreidt en gevolgd wordt door een periode van

    neuronale inactiviteit. Bron: www.migraine-aura.org

    De CSD golf veroorzaakt activatie van het trigeminovasculaire systeem door de loslating van

    calcitonin gene-related peptide (CGRP), neurokinine A en substance P (SP) met als gevolg

    vasodilatatie en verhoogde cerebrale bloeddoorstroming, alsook extravasatie van pro-inflammatoire

    proteïnes uit de bloedvaten (steriele inflammatie) [15]. Dit resulteert in neurogene inflammatie van de

    meningen met als gevolg activatie van de trigeminale zenuwuiteinden (figuur 2). Deze zenuwuiteinden

    projecteren naar het trigeminale ganglion (1e orde neuron), die dan op zijn beurt het

    trigeminocervicale complex (2e orde neuron, bestaande uit de trigeminale nucleus caudalis en de

    dorsale hoorn van C1 en C2) activeert [25]. Het trigeminocervicale complex projecteert naar de

    thalamus, deze brengt het signaal over naar de sensoriële cortex en veroorzaakt hoofdpijn [15].

  • 5

    Sensitisatie van de perifere en nadien ook de centrale sensoriële zenuwuiteinden maakt de

    nociceptieve vezels gevoelig voor arteriële pulsaties en beweging, dit biedt een verklaring voor het

    pulserende karakter van de pijn en het verergeren ervan bij hoesten, bukken of bewegen van het hoofd

    [15]. De centrale sensitisatie staat mogelijks ook in voor de allodynie (verschijnsel waarbij niet-

    pijnlijke prikkels als pijnlijk worden ervaren) die 2/3e van de patiënten ondervindt tijdens een

    migraineaanval [15]. Het hersenweefsel zelf is niet pijngevoelig, de meningen en de grote

    hersenbloedvaten daarentegen wel. Pijn afkomstig van deze structuren straalt uit naar het voorhoofd,

    de nek en de hoofdhuid [15].

    Figuur 2. Het trigeminovasculaire systeem. Neurogene inflammatie van de meningen resulteert in activatie van de

    trigeminale zenuwuiteinden, deze projecteren naar het trigeminale ganglion (1e orde neuron) om nadien het

    trigeminocervicale complex (2e orde neuron (TCC), bestaande uit de trigeminale nucleus caudalis en de dorsale hoorn

    van C1 en C2) te activeren. Het trigeminocervicale complex projecteert verder naar de thalamus en deze brengt het

    signaal over naar de sensoriële cortex. Bron: [25]

  • 6

    1.3.2 Neurotransmitters en farmacologische targets

    Serotonine is een mono-amine (5-hydroxytryptamine, 5-HT) gesynthetiseerd uit tryptofaan en speelt

    een belangrijke rol in de fysiologie van de gemoedstoestand, gastro-intestinale motiliteit en vasculaire

    functie. Migrainepatiënten hebben een laag plasma serotoninegehalte interictaal en een verhoogde

    ictale urinaire 5-hydroxy-indol-azijnzuur (5-HIAA, de belangrijkste metaboliet van serotonine)

    excretie [45, 48]. Reserpine (een depletor van serotonine) kan een migraineaanval precipiteren en de

    intraveneuze injectie van serotonine doet de hoofdpijnintensiteit dalen tijdens een aanval [45]. Deze

    bevindingen zijn suggestief voor een rol van serotonine in de fysiopathologie van migraine en

    serotoninereceptoren zijn dan ook een belangrijke target in de aanvalsbehandeling van migraine.

    Triptanen worden verondersteld hun activiteit uit te oefenen via drie mechanismen (figuur 3). Het

    eerste mechanisme betreft de stimulatie van de 5-HT1B/1D receptoren op de gladde spiercellen van de

    meningeale bloedvaten, leidend tot vasoconstrictie. Het tweede mechanisme is de stimulatie van de 5-

    HT1B/1D receptoren op de perifere trigeminale nociceptieve zenuwuiteinden, dit leidt tot verminderde

    vrijstelling van neuropeptiden en dus inhibitie van de neurogene perivasculaire inflammatie. Het derde

    mechanisme betreft de inhibitie van de 2e orde neuronen in het trigeminocervicale complex .[26]

    Figuur 3. Mogelijke aangrijpingspunten van triptanen in het trigeminovasculaire systeem. Vessel : meningeaal

    bloedvat. Peripheral neuron: perifere trigeminale nociceptieve zenuwuiteinde. Central neuron: 2e orde neuron in het

    trigeminocervicale complex. Bron: [26]

  • 7

    Dopamine is een catecholamine dat gesynthetiseerd wordt uit tyrosine en speelt een belangrijke rol in

    talrijke hersenfuncties zoals cognitie, willekeurige motoriek, motivatie, inhibitie van de prolactine

    loslating etc. De mogelijke pathogenetische rol van dopamine in migraine is nog niet volledig

    opgehelderd maar betreft onder meer een dopaminerge hypersensitiviteit [45] en een verhoogd

    dopaminegehalte in de bloedplaatjes van migrainepatiënten [16]. De dopamine agonist lisuride blijkt

    nuttig te zijn in de profylactische behandeling van migraine, maar dit zou ook kunnen werken via een

    5-HT2B antagonisme [45]. Haloperidol, een inhibitor van D1, D2, 5-HT2, H1 en α2-adrenerge

    receptoren, zou nuttig zijn in de aanvalsbehandeling van migraine [45]. Deze argumenten suggereren

    een potentiële rol van dopamine in de fysiopathologie van migraine.

    Glutamaat is de belangrijkste excitatorische neurotransmitter in het centrale zenuwstelsel en medieert

    zijn effecten enerzijds via de ionotrope NMDA-(N-methyl-D-asparginezuur), AMPA-(α-amino-3-

    hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropioninezuur) en kainaatreceptoren en anderzijds via de metabotrope

    glutamaatreceptoren [16]. Enkele studies demonstreerden hogere glutamaat- en aspartaatgehaltes in

    bloedplaatjes, plasma en het cerebrospinaal vocht van migrainepatiënten [16]. Voorts zou de inname

    van glutamaatrijk voedsel in staat zijn een migraineaanval uit te lokken in voorbeschikte personen.

    Deze bevindingen zijn het meest uitgesproken bij MA patiënten en zijn suggestief voor het bestaan

    van een neuronale hyperexciteerbaarheid bij migrainepatiënten [16].

    Overige potentiële doelwitreceptoren in de behandeling van migraine zijn: adrenerge-, calcitonine

    gene-related peptide- (CGRP1 en CGRP2), adenosine- (A1, A2 en A3), endotheline- en vrouwelijke

    hormoon- (oestrogeen en progesteron) receptoren [48].

    1.3.3 Ictaal versus interictaal en de invloed van triggers

    Migraine is een aandoening gekenmerkt door een onderliggende hersenaandoening (interictaal) die de

    hersenen vatbaar maakt voor episodische migraineaanvallen (ictaal). Subcorticale structuren zoals de

    hersenstam, de hypothalamus en de thalamus zijn belangrijke actoren in het genereren van een

    migraine aanval (ictaal) [25]. Inzake de onderliggende fysiopathologische mechanismen die

    predisponeren voor een migraineaanval en kenmerkend zijn voor de aandoening „migraine‟

    (interictaal), bestaan er meerdere factoren die een rol zouden kunnen spelen. Tot nu toe is er nog geen

    eenduidig geïntegreerde visie die een duidelijk antwoord geeft op deze vraag. De belangrijkste van

    deze factoren zijn: (1) genetische predisposititie, (2) gebrek aan corticale habituatie, (3) NO

    overgevoeligheid en (4) metabole dysfunctie (zie verder).

  • 8

    D‟Andrea en Leon (2010) beschouwen migraine als een biobehavioral disorder of threshold disorder.

    Zij stellen dat migraine een multifactoriële aandoening is waarbij de aanvallen het gevolg zijn van de

    inwerking van stressoren op een hyperexciteerbaar brein [16].

    In de literatuur zijn talrijke uitlokkende factoren beschreven voor migraine, en in de algemene

    klinische praktijk heerst de opvatting dat het vermijden van deze triggers een adequate strategie is om

    migraineaanvallen te voorkomen [32].

    Kelman (2007) bestudeerde 1207 migrainepatiënten en stelde vast dat migraineaanvallen getriggerd

    waren bij 75.9% van deze patiënten: occasioneel in 40.4% van de patiënten, frequent (>33% van de

    hoofdpijnaanvallen) in 26.7% van de patiënten en heel frequent (>66% van de aanvallen) in 8.8% van

    de patiënten. De meest frequent beschreven triggers hierbij waren: hormonen (bij vrouwen), stress,

    vasten, weersomstandigheden, parfum/geuren, verstoring van de slaap, licht, rook, warmte, laat

    uitslapen, voedsel, fysieke activiteit, seksuele activiteit [32]. Triggers zijn niet te verwarren met de

    oorzaak van migraine, zij hebben enkel een bijdragende functie in het uitlokken van een aanval.

    1.3.4 Genetica

    Migraine speelt zich niet enkel af in je hersenen, kennelijk ook in je genen: tweeling- en familiale

    studies tonen aan dat er een genetische basis bestaat voor migraine. Russell et al.(1995) toonden aan

    dat eerstegraadsverwanten van MO patiënten een 2 maal verhoogd risico hebben op MO en een 1.4

    maal verhoogd risico op MA in vergelijking met controles [63]. Omgekeerd geldt dat

    eerstegraadsverwanten van MA-patiënten een 4 maal verhoogd risico op MA en geen verhoogd risico

    op MO hebben [63].

    Studies over FHM, een zeldzame erfelijke vorm van MA, konden mutaties aantonen in drie genen die

    een rol spelen in de controle van het ion- en neurotransmittergehalte in de hersenen, suggestief voor

    een neuronale hyperexciteerbaarheid als belangrijk mechanisme in migraine fysiopathologie [17]. Er

    werd echter geen overtuigend bewijs gevonden dat diezelfde genen ook een rol zouden spelen in

    MA/MO, alhoewel er wel belangrijk bewijs bestaat dat er een rol is weggelegd voor verstoorde ionen-

    en neurotransmitter regulatie [17].

    Epidemiologische studies beschrijven een familiaal voorkomen van migraine met frequente maternele

    transmissie, mogelijks duidend op een genetische mitochondriale basis. De observatie van het frequent

    voorkomen van migraineaanvallen bij MELAS (Mitochondrial myopathy, Encephalopathy, Lactic

    Acidosis, and Stroke-like episodes) patiënten pleit ook in het voordeel van voorgenoemde hypothese

    betreffende de dysfunctionele energievoorziening bij migrainepatiënten [34]. Het MELAS-syndroom

    is een maternaal overerfbare multisysteem aandoening veroorzaakt door mutaties in het

    mitochondriale DNA (mtDNA).

  • 9

    In de literatuur zijn bij enkele migrainepatiënten mitochondriale abnormaliteiten beschreven, maar

    systematische screening slaagde er tot nu toe niet in een duidelijk verband tussen migraine en bepaalde

    mitochondriale DNA-afwijkingen aan te tonen [34].

    In de veronderstelling dat de hersenen van migrainepatiënten gekenmerkt zouden zijn door een

    gereduceerde mitochondriale fosforylatiepotentiaal, kan men redeneren dat riboflavine profylactisch

    zou kunnen werken door verbetering van de mitochondriale energievoorziening. Riboflavine of

    coenzyme Q10 is een essentieel element van de mitochondriale elektronentransportketen, die vrij

    beweegt in de binnenste mitochondriale membraan en zo elektronen van het NADH dehydrogenase

    complex (complex I) en succinaat-Q-reductase complex (complex II) naar cytochroom C transfereert

    (figuur 4). Di Lorenzo et al.(2009) bestudeerden twee specifieke mitochondriale DNA (mtDNA)

    haplotypes (H en non-H) en hun respons op riboflavine [18]. Riboflavine bleek meer effectief te zijn

    bij migrainepatienten met het non-H mtDNA haplotype. Het onderliggende mechanisme is ongekend,

    maar het zou mogelijks te maken hebben met een verhoogde activiteit in complex I (belangrijk target

    van riboflavine) bij deze patiënten [18]. Het zou dus mogelijks eerder te maken hebben met haplotypes

    (polymorfismen) van mtDNA eerder dan werkelijke mutaties in de genen die coderen voor de

    respiratoire keten enzymen .

    Figuur 4. De mitochondriale elektronentransportketen. Riboflavine of coenzyme Q10 beweegt vrij in de binnenste

    mitochondriale membraan en transfereert zo elektronen van het NADH dehydrogenase complex (complex I) en

    succinaat-Q-reductase complex (complex II) naar het cytochroom C (Cyt C) . Bron: [61]

    In een uitgebreide genoomstudie (GWAS, Genome-Wide Association Study) over migraine claimen

    de onderzoekers een associatie met het rs1835740 allel (single nucleotide polymorfisme) op

    chromosoom 8q22.1 [1]. Dit allel is gelokaliseerd tussen, en speelt op die manier een rol in de

    regulatie van twee genen : het metadherin (MTDH) gen en het plasma glutamaat carboxypeptidase

    (PGCP) gen [1]. Deze genen spelen beide een belangrijke rol in de homeostase van glutamaat, een

    neurotransmitter die al eerder een potentiële rol kreeg toegeschreven in de fysiopathologie van

    migraine (zie 1.3.2).

  • 10

    Gezien de hoge prevalentie van migraine zou de ontdekking van één verantwoordelijk gen verassend

    zijn, want dit zou betekenen dat dit gen veel meer voorkomend zou zijn in de bevolking dan elk ander

    gekend ziekte-veroorzakend gen. Eerder dan de ontdekking van één oorzakelijk gen/mutatie zijn in de

    literatuur een variëteit aan genetische polymorfismen beschreven, helaas geen enkele daarvan

    reproduceerbaar. Russell et al. (1995) bestudeerden MA en MO aan de hand van een complexe

    segregatieanalyse en kwamen tot de conclusie dat er voor beide soorten een patroon van

    multifactoriële overerving bestaat. Bij deze analyse werd evenwel geen rekening gehouden dat één

    fenotype door verschillende genotypes bepaald kan zijn (genetische heterogeniteit), hierdoor kunnen

    we dus niet uitsluiten dat er een mendeliaans overervingspatroon zou kunnen bestaan [62].

    1.3.5 Deficiënte corticale habituatie

    Inzake de functionele status van het migraineuze brein bestaat er een duidelijke tegenstelling in de

    literatuur. Volgens Welch (2003) is er sprake van een interictale hyperexciteerbaarheid [81] terwijl

    Ambrosini en Schoenen (2003) beweren dat er eerder sprake zou zijn van een hypoexciteerbaar brein

    [2]. Fumal et al. (2003) stellen dat deze controverse in de literatuur waarschijnlijk te wijten is aan

    onderzoeksgerelateerde methodologische verschillen en een zwakke betrouwbaarheid van de

    fosfeenmetingen bij de „Transcranial Magnetic Stimulation‟ (TMS) [22]. Deze discutabele kwestie

    buiten beschouwing gelaten is er een vrij algemeen heersende eensgezindheid inzake de stelling dat

    migraine een aandoening is gekenmerkt door twee fenomenen: excessieve corticale activatie ten

    gevolge van een deficiënte habituatie [57, 58, 68, 69] alsook een verminderde mitochondriale

    energiereserve in de hersenen [57, 58].

    Habituatie is een proces van verminderde respons bij aangehouden stimulatie en is een

    beschermingsmechanisme van de cerebrale cortex tegen sensoriële overload [14]. Het proces van

    habituatie is uitgebreid bestudeerd aan de hand van neurofysiologische experimenten : TMS [7, 22,

    67], „Visual Evoked Potentials‟ (VEP) [67], „Contingent Negative Variation‟ (CNV) [2, 14] alsook

    functionele beeldvorming (fMRI) [9].

    De informatieverwerking bij migrainepatiënten wordt gekenmerkt door een habituatiestoornis,

    ongeacht of het de visuele, auditieve, somato-sensoriële of cognitieve potentialen betreft [2].

    Onderliggende mechanismen van deze gebrekkige habituatie bij migrainepatiënten zijn onzeker. Er

    zijn verschillende hypothesen waaronder het bestaan van een hypo/ hyperexciteerbaarheid van

    motorische en sensorische cortex, alsook een afgenomen pre-activatie van de sensorische cortex

    mogelijks ten gevolge van hypofunctionele subcortico-corticale aminerge banen [14].

  • 11

    1.3.6 NO overgevoeligheid

    NO (nitric oxide) is een gasvormige signaalmolecule gevormd door NOS (NO-synthase), waarvan 3

    isovormen aanwezig zijn in het lichaam: endotheliale NOS (eNOS), neuronale NOS (nNOS) en

    induceerbare NOS (iNOS). Het eNOS komt voor in de endotheliale cellen van de durale en cerebrale

    arteriën, terwijl het nNOS in de neuronen voorkomt. [51]

    Theoretisch zijn er drie potentiële aangrijpingspunten voor NO in migraine beschreven. Als eerste

    aangrijpingspunt beschrijft men de nitroxiderge parasympathische zenuwvezels: migraine is mogelijks

    geïnduceerd door stimulatie van deze vezels met als gevolg vasodilatatie van cerebrale arteriën. Het

    tweede punt betreft het vasculair endotheel: migraine is potentieel geïnduceerd door gestegen

    plasmaconcentraties van agentia die binden op de endotheliale receptoren met NO vrijlating tot gevolg.

    Het laatste punt betreft het centraal zenuwstelsel: NO is betrokken in de pijnverwerking in het centrale

    zenuwstelsel en induceert migraine mogelijks via centrale mechanismen. [51]

    Olesen (2008) beschrijft dat NO een cruciale rol speelt in de fysiopathologie van primaire hoofdpijn.

    Toediening van nitroglycerine (NTG, actief product:NO) veroorzaakt hoofdpijn bij controles en een

    tweedelige MO-aanval bij MO en MA patiënten [51]. NO blijkt dus een universele trigger voor

    migraine te zijn. Deze gegevens zijn suggestief voor het bestaan van een NO-hypersensitiviteit en

    hierbij zou een abnormale status van sensoriële (trigeminale en spinale) prikkelbaarheid een rol

    kunnen spelen [54].

    Deze NO-hypothese biedt een voorzet om verder onderzoek te verrichten naar nieuwe potentiële

    farmacologische targets in de behandeling van migraine zoals bijvoorbeeld inhibitoren van de NO-

    cyclic guanosine monophosphate (CGMP)-pathway [54].

    1.3.7 Metabole dysfunctie

    De hypothese van de metabole dysfunctie stelt dat een afwijking in het energiemetabolisme aan de

    basis ligt van migraine, met name een mitochondriale dysfunctie met een gereduceerde

    fosforylatiepotentiaal. Centraal staat het onevenwicht tussen energieaanbod en energieverbruik [4, 47,

    83].

    De afwijkingen in het energiemetabolisme werden reeds uitgebreid onderzocht aan de hand van

    talrijke MRS-studies. MRS-onderzoek in de occipitale lobus van MO patiënten toont een verminderd

    PCr gehalte, een gedaalde fosforylatiepotentiaal (energiestatus indicator) en een gedaald ATP gehalte

    [58]. Deze bevindingen bekrachtigen de hypothese van de metabole dysfunctie. Verscheidene studies

    beschrijven een gestegen basaal lactaatgehalte alsook een meer uitgesproken lactaatstijging in de

    visuele cortex van MA patiënten tijdens visuele stimulatie in vergelijking met controles [64, 80].

  • 12

    Enkele MRS-studies demonstreerden deze lactaatverschillen tussen migraine patiënten en controles,

    echter specifiek onderzoek naar de subgroep van patiënten met migraine zonder aura, de meest

    voorkomende vorm van migraine, is schaars.

  • 13

    2. MAGNETISCHE RESONANTIE SPECTROSCOPIE EN MIGRAINE

    2.1 Principe van MRI en MRS [10, 29]

    MRI (Magnetische Resonantie Imaging), NMR (Nucleaire Magnetische Resonantie), of kortweg MR

    (Magnetische Resonantie) genoemd, is een veelgebruikte beeldvormingstechniek met een uitstekend

    contrast oplossend vermogen. In tegenstelling tot röntgen- en Computed Tomography (CT)-beelden

    die vlak zijn en een povere contrastresolutie hebben, kan men met MRI sneden maken in drie vlakken

    (sagittaal, coronaal, transversaal) en hieruit anatomische 3D-reconstructies opbouwen aan de hand van

    gesofisticeerde software gebaseerd op het wiskundige principe van de Fourrier transformatie (figuur 1).

    Ook kan men de MR-parameters aanpassen om een optimale pulssequentie te bekomen voor het

    opsporen van een welbepaalde pathologie.

    Figuur 1. MRI 3D reconstructie van het hoofd. Bron: www.brainblogger.com

    Het grote voordeel van MR is de afwezige stralingsbelasting voor de patiënt en de mogelijkheid tot

    multiplanaire beeldvorming met een superieure beeldkwaliteit. De nadelen van MR zijn de hoge

    kostprijs en de lange onderzoekstijd, bovendien moet men rekening houden met metaalartefacten en

    eventuele claustrofobie bij de patiënt. Contra-indicaties voor MR zijn de aanwezigheid van ijzer- en

    nikkelhoudende voorwerpen, elektrische/magnetische/electromagnetische toestellen/implantaten en

    zwangere vrouwen in de eerste drie maanden van de zwangerschap. Relatieve contra-indicaties zijn:

    orthopedische implantaten, extracraniële vaatclips, MR-compatibele implantaten.

    Een MR-scanner bestaat uit een beweegbare tafel waarop de patiënt plaatsneemt, deze wordt in een

    holle cilindrische magneettunnel (bore) geschoven, die instaat voor het opwekken van een magnetisch

    veld (tussen 0,5 en 7 tesla). Het magnetisch veld wordt opgewekt door een elektrische stroom

    doorheen een supergeleidende spoel te sturen. Deze draadlus wordt gedompeld in een cryogeen,

    Helium, om de elektrische weerstand te minimaliseren (figuur 2).

    http://nl.wikipedia.org/wiki/Magnetismehttp://nl.wikipedia.org/wiki/Magnetismehttp://nl.wikipedia.org/wiki/Tesla_(eenheid)

  • 14

    Figuur 2. Doorsnede van een MR scanner. Bron: www.telescript.denayer.wenk.be

    De MRI techniek is gebaseerd op de specifieke eigenschappen van nuclei in het lichaam (1H,

    31P,…),

    gekenmerkt door drie parameters: lading, massa en spin (figuur 3). Elk kern wordt gekenmerkt door

    een gyromagnetische verhouding (γ) die specifiek en constant is voor dit element. De gyromagnetische

    verhouding van waterstof bedraagt 42.58MHz/T.

    Figuur 3. Een rondspinnend (pijl naar rechts) geladen partikel zoals bijvoorbeeld waterstof (1H) genereert een

    magnetisch veld (pijl naar boven). Bron: www.umkcradres.org

    Enkel atomen met ongepaarde spin kunnen gebruikt worden voor MR-beeldvorming. Men maakt

    meestal gebruik van waterstof (1H), het meest voorkomende atoom in ons lichaam. De nuclei worden

    door het aanbrengen van een extern magnetisch veld (B0) georiënteerd volgens (lage energie

    configuratie) of tegengesteld aan (hoge energieconfiguratie) de richting van dit veld (figuur 4).

    Figuur 4. De applicatie van een extern magnetisch veld doet de protonen alligneren volgens B0 (hetzij naar boven,

    hetzij naar onder). Bron: www.radiographics.rsna.org

    http://www.telescript.denayer.wenk.be/http://www.umkcradres.org/http://www.radiographics.rsna.org/

  • 15

    Alle spins richten zich volgens B0 waardoor de netto magnetisatie (M0) eveneens volgens B0 is

    georiënteerd. Deze netto magnetisatie wordt gekenmerkt door een resonantiefrequentie, de

    Larmorfrequentie genaamd. Deze Larmorfrequentie is het product van de gyromagnetische verhouding

    met de veldsterkte van het externe magnetische veld.

    ω = − γB

    Vervolgens wordt er een RF-puls (radiofrequente puls) aangelegd met dezelfde frequentie als de

    Larmorfrequentie en deze brengt M0 in een vlak dat loodrecht staat op B0 (Y- richting op figuur 5). Dit

    proces wordt de excitatie genoemd en resulteert in een transversale magnetisatievector (Mxy).

    Figuur 5. Excitatie. Het aanleggen van de RF puls (RF, blauwe lijnen) met de Larmorfrequentie roteert M0 over 90°,

    van de Z-as (uitgangspositie) naar de Y-as en dus loodrecht op B0. Bron: www.mri-physics.net

    Aangezien er in de natuur gestreefd wordt naar een minimale energie-inhoud keren de geëxciteerde

    protonen terug naar hun uitgangspositie (evenwichtstoestand: M0) en hierbij zenden ze een RF-golf uit

    (figuur 6).

    http://www.mri-physics.c/

  • 16

    Figuur 6. Relaxatie. Als de RF excitatie puls stopt, dan zal de netto magnetisatie vector (rode pijl verticaal) langs de

    Z-as groeien (stappen 1-2-3) met afgifte van een radiofrequente puls (RF, blauwe lijnen), tot aan de beginpositie (stap

    4). Bron: www.mri-physics.net

    Dit proces wordt de relaxatie genoemd en komt tot stand op twee manieren: de T1 en T2 relaxatie. T1

    (longitudinale) relaxatie is de spin-rooster relaxatieconstante en wordt gedefinieerd als de tijd die de

    longitudinale magnetisatie (Mz) nodig heeft om 63% van de oorspronkelijke waarde te bereiken

    (figuur 7).

    Figuur 7. T1 relaxatie. T1 (longitudinale relaxatie) is de spin-rooster relaxatieconstante en wordt gedefinieerd als de

    tijd die de longitudinale magnetisatie (Mz) nodig heeft om 63% van de oorspronkelijke waarde te bereiken. Bron:

    www.mri-physics.net

    T2 (transversale) relaxatie is de spin-spin relaxatieconstante en is gedefinieerd als de tijd die nodig is

    voor de transversale magnetisatie (Mxy) om tot 37% van de originele waarde te defaseren (figuur 8 en

    9).

    http://www.mri-physics./http://www.mri-physics.net/

  • 17

    Figuur 8. T2 relaxatie. T2 (transversale) relaxatie is de spin-spin relaxatieconstante en is gedefinieerd als de tijd die

    nodig is voor de transversale magnetisatie (Mxy) om tot 37% van de originele waarde te defaseren. Bron: www.mri-

    physics.net

    Figuur 9. T2 relaxatie. Meteen na de RF puls zijn alle spins nog coherent (allen in fase-stap A), nadien beginnen ze te

    defaseren (stappen B-C-D) tot ze volledig incoherent rondspinnen (allen uit fase-stap E), dit is de T2 relaxatie.

    Bron: www.mri-physics.com

    De T2 relaxatie (transverse relaxatie) is een proces dat gekenmerkt wordt door defasering: initieel

    bestaat er een grote fasecoherentie die vervolgens snel afneemt en hierbij kan men de uitgezonden

    radiofrequente golf, het Free Induction Decay (FID) signaal, opvangen (figuur 10). Zo kan men T1-

    gewogen beelden maken waarbij liquor- en waterrijke structuren donker kleuren en T2-gewogen

    beelden waarbij deze eerder wit kleuren.

    http://www.mri-physics./http://www.mri-physics./http://www.mri-physics.com/

  • 18

    Figuur 10. Het Free Induction Decay signaal (FID). T2 relaxatie is een verval proces, de fase- coherentie is groot in het

    begin, maar neemt snel af: het ontvangen signaal is sterk in het begin (tijdstip 0 op de grafiek) maar neemt snel af tot

    de FID uiteindelijk 0 is . De duur van dit proces noemt men de relaxatietijd. Bron: www.mri-physics.net

    Bij de spin echo sequentie wordt na de 90° puls een tweede RF-puls gegeven, een 180° puls. Deze puls

    herstelt de fasecoherentie van de spins, het signaal dat dan ontstaat is een echo. De tijd tussen de twee

    90° excitatiepulsen is de repetitietijd (TR) en de tijd tussen de 90°excitatiepuls en de echo is de

    echotijd (TE) (figuur 11).

    Figuur 11. Pulssequentie diagram spin echo sequentie. De tijd tussen de twee 90° excitatiepulsen is de repetitietijd (TR)

    en de tijd tussen de 90°excitatiepuls en de echo is de echotijd (TE). Bron: www.mri-physics.net

    Magnetische resonantie spectroscopie (MRS) is een MR-toepassing die gebruikt wordt om op een

    niet-invasieve manier metabole informatie van een weefsel te achterhalen. De meest gebruikte MRS

    toepassing betreft de diagnostiek van centraal zenuwstelsel aandoeningen: hersentumoren, diffuse

    hersenschade, encefalopathieën en metabole aandoeningen. 1H-MRS is omwille van de overvloed aan

    waterstof in het lichaam de meest gehanteerde techniek. Het opgevangen signaal wordt aan de hand

    van een Fourrier transformatie omgezet van het tijdsdomein naar het frequentiedomein, resulterend in

    een spectrum (figuur 12). Met behulp van deze techniek kunnen metabolieten zoals N-acetyl-aspartaat

    (NAA), choline (Cho), creatine (Cr) en lactaat (lac) gemeten worden.

    http://www.mri-physics.net/http://www.mri-physics.net/

  • 19

    Figuur 12. Voorbeeld van een MRS spectrum. Van rechts naar links: lactaat (lac) op 1.31 ppm, N-acetylaspartaat

    (NAA) op 2.01 ppm, creatine 1 (Cr1) op 3.03 ppm, myoinositol (mI) op 3.50 ppm, choline (chol) op 3.19 ppm, creatine

    2 (Cr2) op 3.90 ppm. Ppm=parts per million. Bron: Department of Radiology and Nuclear Medicine, Ghent Institute

    for Functional and Metabolic Imaging, Ghent University.

    Lactaat heeft een doublet (dubbele piek) structuur, zichtbaar op 1.31 ppm (figuur 13). Lactaat is

    normaalgezien niet rijkelijk aanwezig in gezonde weefsels en is een merker van anaërobe glycolyse.

    Als lactaat overmatig aanwezig is in weefsels duidt dit op een pathologie bijvoorbeeld hoge

    lactaatgehaltes in de hersenen van MELAS patiënten, of zoals dit onderzoek tracht te achterhalen;

    eventueel gestegen lactaatgehaltes in de hersenen van migrainepatiënten. De klinische toepassingen

    van de andere metabolieten en hun resonantiefrequenties staan samengevat in tabel 1.

    Figuur 13. Voorbeeld van een lactaatdoublet. Bron: Department of Radiology and Nuclear Medicine, Ghent Institute

    for Functional and Metabolic Imaging, Ghent University.

  • 20

    Tabel 1. Metabolieten in het MRS spectrum, hun klinische betekenis en resonantiefrequentie. Bron: [60]

    De oppervlakte onder de curve is recht evenredig met de concentratie van de metaboliet. Zoals reeds

    eerder vermeld resoneren de spins van de nuclei aan een bepaalde frequentie, de Larmorfrequentie, in

    het magnetisch veld. De verschillende 1H nuclei worden gekenmerkt door verschillende

    elektronendensiteiten omwille van hun geassocieerde bindingen, zo ondervinden ze onderling een

    variërende B0. Bijgevolg vertonen deze nuclei een verschillende resonantiefrequentie en zijn ze op

    verschillende frequenties in het spectrum te zien. Het verschil in resonantiefrequentie (uitgedrukt in

    Hz) tussen twee types nuclei is afhankelijk van de veldsterkte.

    De „chemical shift‟ (δ) van een nucleus is het verschil tussen de resonantiefrequentie van de nucleus

    en de referentiefrequentie, en is bijgevolg onafhankelijk van de veldsterkte (uitgedrukt in ppm):

    = ( - REF) x106 / REF

    Een probleem bij

    1H-MRS is het concentratieverschil in protonen tussen water en vetten enerzijds en

    metabolieten anderzijds. Het water- en eventueel het vetsignaal moet onderdrukt worden indien we

    signalen van welbepaalde metabolieten in het spectrum wensen te onderscheiden en, in dit onderzoek,

    absoluut te kwantificeren.

  • 21

    2.2 MRS en migraine

    MRS is een populaire methode in het onderzoek naar de fysiopathologie van migraine, voornamelijk

    1H-MRS en

    31P-MRS.

    Bij 31

    P-MRS experimenten concentreert men zich op de concentraties aan PCr, anorganisch fosfaat

    (Pi), adenosinedifosfaat (ADP), ATP, magnesium (Mg), en de veranderingen in het pH gehalte. Welch

    et al. (1989) observeerden het ictale hersenmetabolisme van MA en MO patiënten, zij rapporteerden

    dat tijdens een migraineaanval het mol% ATP (ATP/totaal fosfaat signaal) gelijk bleef en het mol%

    PCr (PCr/totaal fosfaat signaal) alsook het mol% Pi (Pi/totaal fosfaat signaal) stegen [83]. Ondanks de

    aanwijzingen voor het bestaan van een kortsluiting in de energievoorziening van de hersenen van

    migrainepatiënten, waardoor men een ictale hersenacidose zou verwachten, slaagde onderzoek er niet

    in een significant pH verschil tussen migrainepatiënten en controles aan te tonen [82, 83]. Barbiroli et

    al. (1990, 1992) beschreven een laag PCr, een hoog ADP gehalte en een lage fosforylatiepotentiaal bij

    MA patiënten tijdens de interictale periode [3, 4]. Deze bevindingen werden ook in andere migraine

    studies beschreven alsook de hypothese dat een mitochondriaal probleem mogelijks aan de basis ligt

    van de aandoening [57].

    Bij 1H-MRS experimenten in migraine concentreert men zich voornamelijk op de dynamiek van

    lactaat en NAA tijdens visuele stimulatie. Het onderwerpen van migrainepatiënten aan visuele

    stimulatie zou volgens sommige studies een metabole belasting met lactaataccumulatie veroorzaken,

    die suggestief is voor een onderliggende mitochondriale dysfunctie. Het toedienen van visuele

    stimulatie (photic stimulation: PS) zou bij gezonde controles een significante stijging in het

    lactaatgehalte veroorzaken in de occipitale cortex, waarbij deze gradueel terug afneemt bij

    aangehouden PS [35, 43, 55, 65]. Hiertegenover staat dat andere onderzoeksgroepen geen significante

    lactaatstijging beschrijven bij PS [8, 64] of zelfs een lactaatdaling beschrijven in de eerste seconden

    van PS [41].

    In een tweetal studies vertoonden MA-patiënten een hoger basaal lactaatgehalte alsook een

    proportioneel hogere lactaatstijging in respons op visuele stimulatie in vergelijking met controles [64,

    80]. Gelijkaardige studies betreffende MO zijn schaars en beschrijven voornamelijk relatieve

    kwantificatie [66]. Bij MO patiënten werden er geen significante verschillen in het basaal

    lactaatgehalte gevonden in vergelijking met controles [57] . Visuele stimulatie zou bij MO patiënten

    een subtiele lactaatstijging teweegbrengen, die mogelijks niet significant groter is dan die gemeten bij

    controles [66]. Het is deze stelling die nader wordt onderzocht in het verdere bestek van deze thesis.

  • 22

    2.3 Lactaat

    Hoewel de hersenen slechts 2-3% van het lichaamsgewicht uitmaken, verbruiken ze toch één vierde

    van het totale glucosegehalte. Het basaal metabolisme van de hersenen is hoog waarbij de meeste

    energie naar de glutamaterge neurotransmissie gaat: 80-90% van alle cerebrale corticale synapsen zijn

    glutamaterg [73]. Deze energie wordt voornamelijk gebruikt om de ionengradiënten te

    onderhouden/herstellen. De NA+/K

    +-ATP pomp vervult hierbij een belangrijke rol en maakt ongeveer

    80% van de ATP consumptie uit [52].

    De energievoorziening van de hersenen in rust is voornamelijk aëroob met glucose als belangrijkste

    energiesubstraat voor de ATP-synthese (conventionele hypothese: figuur 14) . De hersenen hebben

    slechts een beperkte glucosereserve onder de vorm van glycogeen en deze is voornamelijk opgeslagen

    in de astrocyten [79]. Glucose wordt door de GLUT-transporter doorheen de bloed-hersen barrière

    geloodst en opgenomen in neuronen en astrocyten. Glucose wordt nadien omgezet in glucose-6-fosfaat

    (G-6-P) door hexokinase en neemt deel aan de glycolyse, pentose-fosfaat-pathway en glycogenolyse

    in de astrocyten [84]. Bij de glycolyse in het cytosol wordt G-6-P omgezet tot pyruvaat, deze neemt

    vervolgens deel aan de Krebs cyclus en de oxidatieve fosforylatie in het mitochondrion [52]. Het

    eindresultaat is de productie van 38 moleculen ATP (waarvan er 2 afgeleverd werden door de

    glycolyse en de overige 36 door de oxidatieve fosforylatie) uit 1 molecule glucose met een zuurstof-

    glucose ratio van 6 [52].

  • 23

    Figuur 14. Conventionele hypothese. (1) Bij neuronale activiteit ontstaat er een depolarisatie in het neuron door de

    influx van Na+ en de efflux van K+. (2) De Na+/K+-ATPase wordt geactiveerd leidend tot een verhoogd ADP, AMP en

    Pi en een verminderd ATP. (3a) Activatie van de glycolyse: glucose wordt omgezet naar pyruvaat. (3b) Activatie van

    de Krebs-cyclus (TCA cycle) en de mitochondriale oxidative fosforylatie (OP). (4a+b) ATP productie. (5) Activatie

    van de glycolyse verlaagt het glucosegehalte en dit leidt tot (6) activatie van de GLUT-3-glucosetransporter met influx

    van glucose in het neuron. De vetgedrukte pijl wijst erop dat in de conventionele hypothese neuronen glucose

    metaboliseren tot pyruvaat. Pyruvaat zal dan deelnemen aan de Krebs-cyclus en het geproduceerde ATP wordt

    gebruikt om het Na+/K+-evenwicht te herstellen via de Na+/K+-ATPase. Snelle toename van de glycolyse resulteert in

    een gestegen NADH/NAD+,H+, en cytoplasmatisch pyruvaat. Deze veranderingen drijven de lactaatdehydrogenase-

    1(LDH-1)-reactie naar lactaatproductie. Deze factoren pleiten tegen het gebruik van lactaat uit de gliacellen. In

    astrocyten activeert de influx van Na+ en glutamaat het oxidatieve glucosemetabolisme die ATP voorziet om het

    Na+/K+ evenwicht te herstellen en glutamine te synthetiseren. Bron: [13]

    Een aantal studies werden gepubliceerd die een nieuwe theorie inzake energievoorziening van het

    neuron beschrijven. Deze theorie stelt dat neuronen eerder lactaat dan glucose zouden gebruiken

    tijdens activatie: de astrocyte-neuron lactate shuttle hypothesis (ANLSH : figuur 15). Astrocyten zijn

    een subtype van neurogliacellen, steuncellen van het zenuwweefsel. Ze hebben uitlopers omheen

    capillairen en neuronen en vormen door middel van gap junctions een syncytium met andere

    astrocyten. Ze hebben verscheidene functies (hoewel deze nog niet allemaal zijn opgehelderd) zoals

    het verwijderen van neurotransmitters uit de synaptische spleet, de ionenhuishouding en de

    ontwikkeling en herstel van neuronale componenten [33]. De ANLS hypothese [19, 24, 53, 77] stelt

    dat neuronale activatie het extracellulaire glutamaat verhoogt en dat deze opgenomen wordt in de

    astrocyt met behulp van de glutamaattransporter. In de astrocyt zorgt het glutamaat voor een activatie

    van het enzym glutamine synthetase en hierbij wordt de anaërobe glycolyse gestimuleerd met de

    omzetting van glucose naar lactaat. Lactaat wordt dan naar het neuron getransporteerd en daar gebruikt

    als brandstof voor de activiteit.

  • 24

    Figuur 15. Astrocyte-neuron lactate shuttle hypothesis (ANLSH). (1)De opname van glutamaat en Na+ in de gliacel

    via de glutamaattransporter.(2a+b) activatie van de Na+/K+- ATPase en glutamine synthase in de gliacel leidend tot

    een verhoogd ADP, AMP en Pi en een verminderd ATP. (3) Dit activeert uitsluitend de anaërobe glycolyse met (4)

    productie van lactaat die dan getransporteerd wordt over de gliale membraan naar de extracellulaire ruimte en via

    zijn concentratiegradiënt naar het neuron. (5) Lactaat wordt dan via LDH-1 omgezet naar pyruvaat. (6) Pyruvaat

    neemt deel aan de Krebs-cyclus met productie van ATP via oxidatieve fosforylatie. De vetgedrukte pijl wijst erop dat

    lactaat van de gliale glycolyse de oxidatieve fosforylatie in de neuronen aandrijft. Het gedaalde glucosegehalte in de

    gliacel wordt aangevuld via de GLUT-1-transporter uit het bloed en de extracellulaire ruimte. De ANLSH stelt dat de

    ATP nodig voor het naar buiten brengen van 3 Na+ moleculen en het naar binnen brengen van 1 glutamaat molecule

    precies aangevuld worden door de 2 ATP molecules geproduceerd door de anaërobe glycolyse van 1 glucose molecule.

    De activiteitsgerelateerde toename van de anaërobe glycolyse is overeenkomstig met de toename aan ‘glutamate

    cycling’. Bron: [13]

    Bewijzen die het ANLS model ondersteunen:

    Morgello et al (1995) toonden aan dat glucose transporters (GLUT-1) aanwezig zijn in

    astrocyten en het endotheel van de bloed-hersenbarrière [49].

    Pellerin et al (1998) toonden aan dat neuronen vooral lactaatdehydrogenase-1(LDH-1) tot

    expressie brengen en astrocyten vooral LDH-5, deze bevindingen kunnen erop wijzen dat

    lactaat geproduceerd wordt in de astrocyten en verbruikt wordt in de neuronen [53].

    Sibson et al (1997) beschreven dat de stoichiometrie tussen het oxidatief

    glucosemetabolisme en de glutamaat-neurotransmitter cyclus een verhouding heeft van

    ongeveer 1:1. Dit is suggestief voor een nauwe koppeling tussen het neuronale

    metabolisme en de recyclage van glutamine uit de astrocyten [72].

    Bliss en Sapolsky (2001) postuleerden dat lactaat mogelijks voordelen biedt als

    energiesubstraat in de omstandigheden waarbij het naar pyruvaat wordt omgezet in de

    afwezigheid van ATP [6].

  • 25

    Bewijzen die het conventionele model ondersteunen:

    Dienel en Herz (2001) beschreven dat er menige onduidelijkheden bestaan inzake de

    lactaat loslating in celculturen, dat er aanduidingen bestaan voor een oxidatief glucose

    metabolisme in de astrocyt tijdens de activatie en dat de lactaatopname in de neuronen en

    astrocyten tijdens activatie zeer traag gebeurt [19].

    Chih et al (2001) menen dat het aantonen van LDH-1/LDH-5 expressie in

    neuronen/astrocyten onvoldoende is om te kunnen besluiten dat lactaat geproduceerd

    wordt in astrocyten en vervolgens geconsumeerd wordt in neuronen. Neuronen hebben

    GLUT-3-receptoren die sneller en efficiënter werken dan de astrocytaire receptoren en dit

    pleit tegen de preferentiële opname van glucose in de astrocyt. [13]

    Takahashi et al (1995) beschrijven de afwezigheid van een astrocytaire metabole respons

    op een toegenomen hoeveelheid aan neuronale activiteitsindicatoren zoals kalium [74].

    Gjedde et al.(2001) toonden aan dat tijdens aangehouden stimulatie neuronen eerder

    pyruvaat gebruiken afkomstig van neuronale-, en niet astrocytaire glycolyse [23].

    Mangia et al. (2003) beschrijven een gedaald lactaatgehalte in de beginfase van PS [41].

    Alhoewel er duidelijk lactaat wordt geproduceerd tijdens neuronale activiteit, en neuronen dit kunnen

    gebruiken als energiebron, faalden studies er dus tot nu toe in te bewijzen dat neuronen gliaal

    geproduceerd lactaat als hun hoofdenergiebron gebruiken tijdens activiteit, zoals voorgesteld door de

    ANLSH [13].

    Lactaat is een indicator van anaërobe glycolyse en kan aangetoond worden met MRS. Gestegen

    lactaatgehaltes zouden kunnen wijzen op een mitochondriale dysfunctie, maar ze zouden echter ook

    kunnen kaderen binnen een breed spectrum van de normale fysiologie. Studies tonen immers aan dat

    lactaat ook in aërobe omstandigheden geproduceerd wordt in de visuele cortex bij PS [39] en dat bij

    hersenactivatie de zuurstof-glucose ratio afneemt, een aanwijzing dat de hersenen partieel gebruik

    maken van anaërobe glycolyse [28]. Deze bevindingen sluiten aan bij bevindingen van voorgenoemd

    MR spectroscopisch onderzoek inzake gestegen lactaatgehaltes bij hersenactivatie [35, 43, 55, 65] en

    metingen van extracellulair lactaat met microdialyse [40]. Zie tabel 2 voor een overzicht van een

    aantal belangrijke studies betreffende de dynamiek van lactaat in de visuele cortex van gezonde

    proefpersonen tijdens visuele stimulatie. Zie tabel 3 voor een overzicht van een aantal belangrijke

    studies betreffende basale lactaatgehaltes en de dynamiek van lactaat tijdens visuele stimulatie bij

    migrainepatiënten.

  • 26

    Referentie Visuele

    stimulatie

    Veld -

    sterkte

    Proefpersonen Bevindingen

    [55]

    Prichard

    1991

    Flitsend rood

    licht (bril)

    16 Hz

    2.1 T 5 gezonde

    vrijwilligers

    Lactaat stijging met 0.3-0.9 mM in de eerste 6

    minuten van visuele stimulatie, nadien opnieuw

    daling naar het basale lactaatgehalte.

    [46]

    Merboldt

    1992

    Flitsend Rood

    licht

    4-16 Hz

    2 T 48 gezonde

    vrijwilligers

    Basale lactaatgehaltes vertoonden belangrijke

    inter-individuele verschillen, gaande van niet te

    detecteren tot 1 mM. Er werden geen

    consistente lactaatveranderingen vastgesteld

    tijdens de visuele stimulatie: zowel stijging,

    daling als het constant blijven van het

    lactaatgehalte werden geobserveerd.

    [65]

    Sappey-

    Marinier

    1992

    Zwart/wit

    schaakbord

    2 Hz

    2 T 6 gezonde

    vrijwilligers

    Lactaat 2.5 keer hoger in de eerste 6.4 minuten

    van visuele stimulatie. Nadien opnieuw daling

    naar het basale lactaatgehalte.

    [35]

    Kuwabara

    1994

    Flitsend licht

    10 Hz

    1.5 T 7 gezonde

    vrijwilligers

    Lactaat verdubbeling meteen na de start van de

    visuele stimulatie, bij aangehouden stimulatie

    opnieuw daling naar het basale lactaatgehalte.

    [21]

    Frahm

    1996

    Flitsend licht

    10 Hz

    2 T 25 gezonde

    vrijwilligers

    Lactaat stijging van 0.38 mM naar 0.64 mM in

    de eerste 2.5 minuten van de visuele stimulatie.

    [41]

    Mangia

    2003

    Alternerende

    zwarte/witte

    strepen

    6 Hz

    1.5 T 5 gezonde

    vrijwilligers

    Lactaat daling in de eerste 5 seconden van

    visuele stimulatie, om nadien terug te stijgen tot

    het basale lactaatgehalte op 12 seconden.

    [39]

    Maddock

    2006

    Alternerend

    schaakbord

    8 Hz

    1.5 T 6 gezonde

    vrijwilligers

    Lactaat stijging tijdens de tweede minuut van

    visuele stimulatie, om dan constant te blijven

    gedurende de volgende 9 minuten. Na het

    stopzetten van de visuele stimulatie opnieuw

    daling naar het basale lactaatgehalte.

    [43]

    Mangia

    2007

    Alternerend

    rood/zwart

    schaakbord

    8 Hz

    7 T 12 gezonde

    vrijwilligers

    Lactaat stijging van 23% tijdens de eerste

    minuut van visuele stimulatie om dan een

    steady state level te bereiken en te dalen naar

    het basisgehalte bij het beëindigen van de

    visuele stimulatie.

    Tabel 2. 1H-MRS studies betreffende de dynamiek van lactaat tijdens visuele stimulatie bij gezonde proefpersonen.

  • 27

    Referentie Visuele

    stimulatie

    Veld -

    sterkte

    Proefpersonen Bevindingen

    [80]

    Watanabe

    1996

    Geen 1.5 T 6 gezonde

    vrijwilligers en 6

    migraine-

    patiënten1

    Verhoogde lactaatgehaltes in de visuele cortex

    bij de 5 migrainepatiënten die in de voorgaande

    2 maand een migraine aanval hadden

    ondervonden. Afwezige lactaatpiek bij de

    migrainepatiënt die reeds 4 jaar aanvalsvrij was.

    [64]

    Sandor

    2005

    Alternerend

    geel/blauw

    schaakbord

    8 Hz

    1.5 T 11 gezonde

    vrijwilligers, 5

    MA patiënten en

    5 MA+2 patiënten

    Bij MA patiënten is het basaal lactaatgehalte

    verhoogd, zonder verdere toename tijdens PS.

    Bij MA+ patiënten vond men geen verhoogd

    basaal lactaatgehalte maar wel een

    lactaatstijging tijdens de 14e minuut van de

    visuele stimulatie, om nadien opnieuw af te

    nemen.

    [66]

    Sarchielli

    2005

    Flitsend rood

    licht (bril)

    8 Hz

    1.5 T 10 gezonde

    vrijwilligers, 22

    MA patiënten, 22

    MO patiënten

    Milde lactaat stijging bij MA patiënten tijdens

    visuele stimulatie. Nadien opnieuw daling naar

    het basale lactaatgehalte.

    [27]

    Grimaldi

    2009

    Geen 1.5 T 4 FHM2 patiënten Mild gestegen lactaatgehalte interictaal bij één

    van de vier FHM2 patiënten.

    Tabel 3. 1H-MRS studies betreffende lactaat bij migrainepatiënten: de basale lactaatgehalten en de dynamiek van

    lactaat bij visuele stimulatie.

    1 3 MA patiënten,1 migraine met verlengde aura (MwpA) patiënt,1 patiënt met een migraineus infarct

    en 1 patiënt met basilaire migraine. 2 MA+: migraine met zowel visuele, somatosensorische, dysfatische en/of paretische aura.

  • 28

    Methodologie

    1. Doel van de studie

    De opzet van deze studie was het uitvoeren van een 3T-1H-MRS studie met twintig MO patiënten en

    twintig controlepersonen. De deelnemers kregen een MR-compatibele bril opgezet waardoor men een

    visuele stimulus kon waarnemen. Deze stimulus bestond uit een alternerend zwart-wit schaakbord dat

    gedurende 12 minuten werd geprojecteerd aan een frequentie van 8 Hz (waarbij 1 Hz equivalent is aan

    de omzetting zwart-wit). Tijdens het experiment werden metingen verricht in de visuele cortex die

    vervolgens omgezet werden in spectra met nadien een relatieve en absolute kwantificatie van de

    metabolieten. Op basis van dit onderzoek kunnen we vergelijken of er metabole verschillen optreden

    tussen migrainepatiënten en controlepersonen, alsook of er verschillen zijn met de spectra waarbij

    geen stimulus werd gegeven. Er werd vooral nadruk gelegd op het vinden van lactaatverschillen.

    2. Proefpersonen

    Twintig MO patiënten (31.9 ± 9.1 jaar, 3 mannen) en twintig twintig leeftijds- en geslacht

    gecorreleerde controlepersonen (31.9 ± 10.3 jaar, 3 mannen) werden bestudeerd. Migraine patiënten

    werden gerekruteerd via de hoofdpijnraadpleging van de dienst neurologie van het UZ Gent, onder het

    toezicht van Prof. Dr. K. Paemeleire. De patiënten werden geselecteerd aan de hand van de IHS

    criteria voor migraine zonder aura. De patiënten ondervonden gemiddeld 3.6 ± 1.1 aanvallen per

    maand. Er werd nagegaan dat zowel de proefpersonen als de migrainepatiënten voldeden aan de

    inclusiecriteria:

    migraine zonder aura: ten minste 1 jaar, aanvang vóór de leeftijd van 50 jaar

    geen preventieve behandeling voor migraine

    aanvalsfrequentie: minstens 2 keer per maand (bij voorkeur 2-4 aanvallen per maand,

    maximaal 15 hoofdpijndagen per maand)

    leeftijd: 18-60 jaar

    M/V

    Er werd nagegaan of de patiënten 48 uur aanvalsvrij waren voor de test en wanneer de volgende

    migraineaanval zich manifesteerde na de test (via mail). Deze studie werd goedgekeurd door het

    ethisch comité en alle deelnemers tekenden een informed consent formulier.

    Zie appendix B voor de rekruteringsaffiche met de in- en exclusiecriteria alsook appendix C voor de

    MR-compatibiliteitsfiche.

  • 29

    3. 1H-MRS en visuele stimulatie

    De metingen werden verricht met een 3T Siemens Trio Tim whole-body scanner ( Erlangen, Duitsland)

    waarbij een (31

    P-1H) multinucleaire volumespoel (Rapid Biomedical, Würzburg-Rimpar, Duitsland)

    met een diameter van 26.5 cm gebruikt werd. Spectra werden verworven aan de hand van een PRESS-

    sequentie (single voxel point-resolved spin echo sequence) met CHESS (chemical-shift-selective)

    water suppressie. Vóór de meting werd het B0-veld „geshimd‟. Shimmen is een iteratief proces waarbij

    kleine stroompjes geïnduceerd worden in zogenaamde „shim-coils‟ met als doel een homogeen B0-

    veld te creëren.

    De volume of interest (VOI) werd in de primaire visuele cortex geplaatst ter hoogt van Brodmann area

    17, gecentreerd rond de calcariene fissuur (figuur 1).

    Figuur 1. Illustratie visuele cortex. Primaire visuele cortex V1 (Brodmann area 17) en de secundaire visuele cortex V2 (area 18).

    Telkens werden 64 water-gesupprimeerde spectra (TE=288 ms, TR=2,000 ms, 8 averages)

    opgenomen alsook 10 water-ongesupprimeerde spectra met verschillende TE waarden (30, 50, 70, 90,

    110, 150, 200, 300, 500, 1000ms, TR=10,000ms, 1 average). De totale duur van het experiment

    bedroeg 40 min.

    Visuele stimulatie werd toegepast met behulp van een MR-compatibele bril die een alternerend zwart-

    wit schaakbord projecteerde aan een frequentie van 8 Hz . De personen werden gevraagd hun blik te

    fixeren op het rode kruisje in het midden van het schaakbord (figuur 2).

    Figuur 2. Illustratie schaakbord en controlestatus.

  • 30

    De controlestatus bestond uit een zwart scherm met een rood kruisje in het midden. Het paradigma

    bestond uit 6‟24” controlestatus (16 spectra), 12‟48” visuele stimulatie (32 spectra) en opnieuw 6‟24”

    controlestatus (16 spectra) (figuur 3).

    Figuur 3. Illustratie experimentverloop. Het paradigma bestond uit 6’24” controlestatus (16 spectra), 12’48” visuele stimulatie (32 spectra) en opnieuw 6’24” controlestatus (16 spectra).

    Een fantoomexperiment (een model om de in vivo situatie na te bootsen) werd uitgevoerd om het 1H-

    MRS protocol te evalueren. Het fantoom was een plastic sferisch fles met een diameter van 10.4 cm en

    bevatte 10mM NAA en 1mM lactaat (figuur 4).

    Figuur 4. Illustratie fantoom en fantoomspectrum.

  • 31

    3.1 Spectrale analyse

    Resultaten werden verwerkt met jMRUI (MRS spectra verwerkingssoftware) [50]. Het signaal van

    water (afkomstig van het water-ongesupprimeerde spectrum) werd bepaald aan de hand van HLSVD

    (Hankel-Lanczos Singular Value Decomposition), een „black box’ (geen gebruikersinput) algoritme.

    Water resoneert op de frequentie van 4.7 ppm en is zoals reeds eerder aangehaald in deze thesis zeer

    abundant in humaan weefsel (circa 55 M). Metabolietconcentraties zijn typisch in de orde van 1-10

    mM (een factor 5000-50000 kleiner). Bijgevolg is het noodzakelijk het watersignaal te supprimeren.

    Vaak blijft er na de watersuppressie nog een zeker residu over dat met HLSVD (jMRUI) verder kan

    verwijderd worden. De signalen van de te bepalen metabolieten ( Lac, NAA, tCr, cho) werden bepaald

    nadat het residuele watersignaal (afkomstig van het water-gesupprimeerde spectrum) verwijderd werd.

    Na watersuppressie (van het residu) zijn de signalen van Lac, NAA, tCr en Cho zichtbaar in het

    spectrum op de respectievelijke frequenties 1.31, 2.01, 3.03 en 3.19 ppm. Deze spectra werden

    gesommeerd per 16 (volgens het paradigma) en vervolgens onderworpen aan een filter (Lorentziaans,

    5 Hz) en een fasecorrectie.

    Signaalintensiteiten werden bepaald aan de hand van een specifiek algoritme: QUEST (jMRUI)

    (figuur 5). Dit algoritme maakt gebruik van een gesimuleerde basisset van metabolieten of van

    signalen afkomstig van fantoomexperimenten om de in vivo signalen van Lac, NAA, tCr en Cho te

    bepalen. QUEST is dus in tegenstelling tot HLSVD geen „black box‟ methode maar vergt input van de

    gebruiker. Essentieel bij deze methode is dat de gesimuleerde signalen tot stand gekomen zijn met

    dezelfde MR-parameters (TE=288 ms, PRESS) als in vivo.

    Figuur 5. Illustratie QUEST toepassing. De QUEST signaalamplitude wordt uitgedrukt in arbitrary units (AU).

    Een uitvoerige uiteenzetting over signaalverwerking en specifiek over HLSVD en QUEST behoort

    niet tot het bestek van deze thesis.

  • 32

    3.2 Kwantificatie

    Metabolietratio‟s van NAA/tCr, Cho/tCr, Lac/tCr, Lac/NAA werden berekend aan de hand van de

    signaal amplitudes berekend met QUEST. Absolute in vivo concentraties werden berekend aan de

    hand van de „fantoomvervangingstechniek‟ (phantom replacement technique), volgens de volgende

    vergelijking:

    Hierbij corresponderen i met in vivo en r met referentiefantoom, [C] is de metabolietconcentratie, de

    NAA metaboliet concentratie [Cr] in het referentiefantoom correspondeert met 10mM. S is de

    signaalsterkte, V is het volume van de voxel waarin het signaal werd gemeten, N is het aantal protonen

    dat bijdraagt tot de spectrale resonantie (N=3 voor NAA, tCr en Lac, N=9 voor Cho), cT1 en cT2 zijn

    correctiefactoren voor het signaalverlies veroorzaakt door de longitudinale (T1) en transversale

    relaxatie (T2), respectievelijk. T is de absolute temperatuur (Ti= 310.16 K in vivo, Tr= 294.16 K in het

    fantoom). ρ Is de densiteit van water, Cload is een correctiefactor voor de verschillende spoelladingen

    en Ccsf is de correctiefactor voor partiële volume effecten, dit is de fractie van CSF vergeleken met de

    fractie water in het hersenparenchym in de VOI. Het volumeratio Vr/Vi kan geschrapt worden uit de

    vergelijking aangezien deze volumes dezelfde zijn, namelijk 20x20x20 mm3. Reyngoudt et al. (2010)

    berekenden deze correctiefactoren reeds in een voorgaande studie en deze waarden werden opnieuw

    gebruikt [57].

    3.3 Statistische analyse

    De statistische analyse werd uitgevoerd aan de hand van SPSS software (SPSS 15.0 voor Windows).

    Beschrijvende statistiek werd uitgevoerd voor leeftijd, geslacht, signaal-ruis-verhouding (SNR),

    signaalamplitudes, metabolietratio‟s en absolute metabolietconcentraties. Om te bepalen of er

    verschillen waren in metabolietratio‟s en absolute concentraties tussen de groepen (MO patiënten en

    controles) en tussen de verschillende condities (voor, tijdens en na PS), werd een repeated measures

    ANOVA (analysis of variance) toegepast. Hierbij werd de conditie als intra-individuele variatie en de

    groep als interindividuele variatie genomen. Gelijkheid van variantie werd onderzocht aan de hand van

    de Levene‟s test en de normaaldistributie van de data werd getoetst aan de hand van de Kolmogorov-

    Smirnov test. Resultaten werden als significant beschouwd indien p

  • 33

    Resultaten

    1. Kwaliteit van het in vivo spectrum

    1.1 Fitting (specificiteit)

    Er bestaat een inherente variatie in het QUEST-algoritme per signaal. Er is dus een onzekerheid in te

    calculeren wat betreft de fitting van de signaalamplitudes door het QUEST-algoritme: bij de fitting

    van elke piek bestaat er een zekere standaardafwijking. Tabel 1 beschrijft de variatiecoëfficiënt (CV)

    van het QUEST-algoritme voor iedere metaboliet.

    Cho tCr Lac NAA

    Controles 8.07 4.30 23.25 1.93

    MO patiënten 7.82 4.32 21.61 1.89

    Tabel 1. Variatiecoëfficiënten (%) van de metabolieten met het QUEST-algoritme. Alle waarden zijn gemiddelden van

    20 controles en 20 patiënten.

    Uit tabel 1 blijkt dat deze variatiecoëfficient het grootste is voor lactaat en het kleinste voor NAA. Dit

    wil dus zeggen dat het QUEST algoritme de NAA piek goed fit en de lactaat piek veel minder accuraat,

    namelijk met een standaardafwijking die tien maal hoger is als deze van NAA.

    1.2 Signaal-ruisverhouding (sensitiviteit)

    Van alle datasets werd de signaal-ruisverhouding (SNR) berekend: dit is de verhouding van de

    signaalamplitude van de hoogste piek (i.e. NAA) tegenover de standaarddeviatie van de ruis.

    SNR ∆SNR (%)

    Controles 2.4 ± 0.37 5.2 ± 2.3

    MO patiënten 2.4 ± 0.35 5.5 ± 2.5

    Tabel 2. SNR en ∆SNR . Alle waarden zijn gemiddelden van 20 controles en 20 patiënten.

    Uit tabel 2 blijkt dat de SNR zowel in de controlegroep als in de patiëntengroep identiek is, namelijk

    2.4. Ook de standaardafwijking van de SNR is identiek: beide groepen vertonen 15% variatie op de

    SNR.

    De ∆SNR is de variatie van de SNR tussen de verschillende stappen in het paradigma (voor, tijdens en

    na de visuele stimulatie). Deze waarde bedraagt 5.2% in de controlepopulatie en 5.5% in de

    patiëntenpopulatie.

  • 34

    Er zijn dus geen verschillen op vlak van SNR tussen de twee groepen alsook zijn er geen verschillen in

    de variatie van de SNR tussen de verschillende paradigmastappen bij de twee groepen. Indien

    eventuele metabole verschillen tussen de twee groepen zouden gevonden worden, zijn deze dus niet te

    wijten aan SNR variatie.

    Het experiment werd uitgevoerd met een lange echotijd (TE=288 ms), hierbij zijn de

    signaalamplitudes beduidend minder groot dan bij kortere echotijd (bv TE=30 ms) omwille van de

    langere T2-relaxatie. NAA is een goede maatstaf om de SNR van het MR-spectrum in te schatten en

    werd daarom gebruikt voor de kwaliteitscontrole van de spectra. Deze piek is minder gevoelig aan de

    gereduceerde SNR ten gevolge van de korte TE dan andere metabolieten zoals lactaat, glutamaat,

    GABA en myo-inositol en dit ten gevolge van zijn hoge concentratie, langere T2- waarde en

    singletstructuur.

    2. Signaalamplitudes

    2.1 Signaalvariatie in vitro (fantoom)

    De variatie van het signaal werd ook getest met behulp van een fantoom, in de veronderstelling dat

    vloeistof in dit fantoom niet onderhevig is aan acute metabole veranderingen ten gevolge van de

    visuele stimulatie. Om toch identieke omstandigheden als bij voorgaande experimenten te creëren

    werd bij het fantoom alsnog visuele stimulatie toegediend.

    De NAA signaalvariaties in het fantoom blijven onder de 1%-grens (tabel 3 en figuur 1), dit is niet zo

    voor lactaat. Lactaat vertoont grote signaalvariaties (tabel 3 en figuur 2). Lactaat is duidelijk een

    wispelturig metaboliet aangezien het een grotere variatie vertoont dan alle andere metabolieten in vitro

    (fantoom), alsook in vivo. De redenen voor deze moeilijke kwantificatie van lactaat omvatten de

    doubletstructuur, de j-coupling, de lage concentratie in vivo alsook de lage SNR waarmee gemeten

    werd.

    NAA lactaat

    Gemiddelde 25.37 AU 22.61 AU

    Standaarddeviatie 0.07 1.04

    Variatiecoëfficient 0.28 4.60

    Tabel 3. Absolute kwantificatie van NAA en lactaat in het fantoom: gemiddelde (AU), standaarddeviatie en

    variatiecoëfficiënt (%). AU=arbitrary units .

  • 35

    Figuur 1. NAA gehalte (AU) in het fantoom (64 spectra) tijdens visuele stimulatie.

    Figuur 2. Lactaatgehalte (AU) in het fantoom (64 spectra) tijdens visuele stimulatie.

    2.2 Signaalvariatie in vivo

    Totaal Voor-stimulatie Stimulatie-na Na-voor

    controles patiënten controles patiënten controles patiënten controles patiënten

    NAA 2.9 ± 1.7 3.0 ± 1.1 1.7 ± 3.3 1.3 ± 5.2 -2.5 ± 4.4 -1.4 ± 3.5 -0.8 ± 4.7 -0.3 ± 4.4

    tCr 7.3 ± 4.4 7.7 ± 4.1 4.9 ± 14.4 4.5 ± 11.2 -4.9 ± 10.6 -0.5 ± 9.8 -1.4 ± 8.4 3.8 ± 14.1

    Cho 11.9 ± 7.9 11.7 ± 7.1 8.1 ± 29.5 -0.3 ± 18.5 -2.4 ± 16.7 1.9 ± 19.5 3.1 ± 22.5 1.8 ± 28.7

    Lac 33.4 ± 18.4 29.9 ± 17.2 16.9 ± 53.1 31.4 ± 74.5 7.9 ± 86.4 -5.8 ± 45.5 8.3 ± 55.9 -0.7 ± 42.8

    Tabel 4. Signaalvariatie (%) van de metabolieten in vivo in totaal (gemiddelde van de verschillende condities) en

    tussen de verschillende condities. Alle waarden zijn gemiddelden van 20 controles en 20 patiënten.

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    0 10 20 30 40 50 60 70

    Signaalamplitude (AU)

    Spectra

    NAA

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    0 10 20 30 40 50 60 70

    Signaalamplitude (AU)

    Spectra

    Lactaat

  • 36

    2.2.1 Variatie in het signaal tijdens het volledige paradigma

    Tabel 4 (1e kolom) beschrijft de gemiddelde variatie (%) in signaalamplitude per metaboliet over alle

    condities (totaal). Hieruit blijkt dat de signalen van de verschillende stappen van het paradigma (voor,

    tijdens en na visuele stimulatie) gelijkaardige variaties vertonen, bij zowel controles als bij patiënten

    (geen significante verschillen: p>0.05). NAA beschrijft de kleinste variatie (2.9%) tijdens het

    volledige functionele paradigma, voor tCr en Cho daarentegen zijn hogere variaties beschreven

    namelijk 7.3% en 11.9% respectievelijk. Lac beschrijft de grootste variatie, deze is 33.4%. Uit de tabel

    blijkt ook dat de standaarddeviaties hoog zijn voor alle metabolieten.

    2.2.2 Variatie in het signaal tussen de verschillende stappen van het

    paradigma

    Tabel 4 (2e-3

    e-4

    e kolom) beschrijft de variatie in signaalamplitude per metaboliet tussen de

    verschillende condities (%). Uit de tabel blijkt dat het NAA signaal 1.7% en 1.3% stijgt na stimulatie

    tegenover de beginconditie in controles en patiënten respectievelijk. De signaalvariatie van NAA

    tussen het voor en stimulatie stadium staan geïllustreerd in figuur 3. Het lactaat signaal stijgt

    gemiddeld 16.9% en 31.4% tussen het voor en stimulatie stadium in controles en patiënten

    respectievelijk. De signaalvariatie van lactaat tussen het voor en stimulatie stadium staan geïllustreerd

    in figuur 4. Voor alle waarden in de tabel gelden echter grote standaardafwijkingen, wat impliceert dat

    deze waarden dus niet bruikbaar zijn om een gevalideerde tendens te beschrijven.

    Figuur 3. Variatie (%) in het NAA signaal tussen het voor stadium(vóór applicatie van de visuele stimulatie) en het

    stimulatie stadium (tijdens applicatie van de visuele stimulatie). De subjecten zijn genummerd van 1 tot 20 (patiënten

    en controles).

    -20,00-15,00-10,00

    -5,000,005,00

    10,0015,0020,00

    0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

    Sign

    aalv

    aria

    tie

    (%

    )

    Subjecten

    NAA: voor- stimulatie

    MO patiënten

    Controles

  • 37

    Figuur 4. Variatie (%) in het lactaat signaal tussen het voor stadium (vóór applicatie van de visuele stimulatie) en het

    stimulatie stadium (tijdens applicatie van de visuele stimulatie). De subjecten zijn genummerd van 1 tot 20 (patiënten

    en controles).

    2.2.3 Variatie in het signaal tussen de verschillende stappen van het

    paradigma bij controle X

    Men zou kunnen stellen dat de hierboven beschreven signaalvariaties het gevolg zijn van het effect

    van het functionele paradigma op de signaalamplitudes. Om dit te toetsen, werd hetzelfde protocol

    doorlopen in een gezonde vrijwilliger (controle X), zonder toepassing van de visuele stimulatie. Tabel

    5 beschrijft de gemiddelde variatie in de signalen bij de twintig controles die wel visuele stimulatie

    toegediend kregen en bij controle X die geen visuele stimulatie toegediend kreeg.

    De SNR in het experiment met controle X was gemiddeld 2.33 en dus vergelijkbaar met de andere

    data. Bij controle X kan er geen invloed van de visuele stimulatie zijn opgetreden, de vastgestelde

    variatie is hier dus niet het gevolg van.

    Cho tCr Lac NAA

    Controles 11.9 ±7.9 7.3 ± 4.4 33.4 ± 18.4 2.9 ± 1.7

    Controle X 7.27 7.12 5.90 6.41

    Tabel 5. Gemiddelde signaalvariaties (%) per metaboliet in vivo in totaal (over de verschillende condities) bij de 20

    controles en bij controle X .

    De oorzaak van deze variatie is vermoedelijk een combinatie van random fluctuaties van het systeem

    (SNR variatie) en basale fluctuaties in het in vivo metabolisme. Het dient evenwel vermeld te worden

    dat we slechts één controle X vergelijken met 20 andere controles.

    -100,00-50,00

    0,0050,00

    100,00150,00200,00250,00300,00

    0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

    Sign

    aalv

    aria

    tie

    (%

    )

    Subjecten

    Lactaat: voor- stimulatie

    MO patiënten

    Controles

  • 38

    3. Relatieve kwantificatie

    Om een goede vergelijking te kunnen maken tussen de twee groepen (controles en patiënten) en de

    drie condities (vóór, tijdens en na stimulatie) werd een repeated measures ANOVA toegepast op de

    data. De relatieve kwantificatie van de metabolieten is weergegeven in tabel 6.

    Voor Stimulatie 1 Stimulatie 2 Na

    NAA/tCr controles 2.34 ± 0.269 2.38 ± 0.289 2.26 ± 0.244 2.40 ± 0.239

    patiënten 2.46 ± 0.248 2.41 ± 0.233 2.42 ± 0.233 2.38 ± 0.256

    Cho/tCr controles 0.221 ± 0.061 0.236 ± 0.059 0.214 ± 0.050 0.224 ± 0.036

    patiënten 0.222 ± 0.059 0.228 ± 0.047 0.221 ± 0.046 0.223 ± 0.045

    Lac/tCr controles 0.242 ± 0.108 0.247 ± 0.118 0.270 ± 0.118 0.243 ± 0.117

    patiënten 0.267 ± 0.146 0.249 ± 0.099 0.288 ± 0.127 0.258 ± 0.122

    Lac/NAA controles 0.103 ± 0.044 0.104 ± 0.048 0.120 ± 0.053 0.104 ± 0.054

    patiënten 0.112 ± 0.060 0.105 ± 0.043 0.126 ± 0.046 0.110 ± 0.050

    Tabel 6. Relatieve kwantificatie van de metabolieten. Alle waarden zijn gemiddelden van 20 controles en 20 patiënten.

    De condities werden uitgemiddeld over 16 spectra.

    Uit tabel 7 blijkt dat er geen significante verschillen waar te nemen zijn in de metabolietratio‟s tussen

    de verschillende condities en de verschillende groepen (p>0.05).

    NAA/tCr Cho/tCr Lac/tCr Lac/NAA

    Conditie 0.474 0.639 0.643 0.680

    Groep 0.168 0.673 0.237 0.370

    Tabel 7. P-waarden bij de relatieve kwantificatie van de metabolieten.

  • 39

    4. Absolute kwantificatie

    Om een goede vergelijking te kunnen maken tussen de twee groepen (controles en patiënten) en de

    drie condities (vóór, tijdens en na stimulatie) werd opnieuw een repeated measures ANOVA toegepast

    op de data. De absolute kwantificatie van de metabolieten is weergegeven in tabel 8.

    voor stimulatie 1 stimulatie 2 na

    [NAA] controles 14.92 ± 1.39 15.05 ± 1.39 14.75 ± 1.53 14.84 ± 1.70

    patiënten 15.22 ± 1.76 15.36 ± 1.88 15.30 ± 1.90 15.21 ± 1.80

    [tCr] controles 12.68 ± 1.60 12.63 ± 1.69 13.14 ± 1.47 12.25 ± 1.47

    patiënten 12.43 ± 1.84 12.59 ± 1.84 12.54 ± 1.69 12.67 ± 1.59

    [Cho] controles 0.88 ± 0.22 0.93 ± 0.17 0.89 ± 0.21 0.88 ± 0.18

    patiënten 0.92 ± 0.22 0.88 ± 0.18 0.89 ± 0.17 0.90 ± 0.18

    [Lac] controles 0.51 ± 0.19 0.53 ± 0.23 0.60 ± 0.24 0.52 ± 0.24

    patiënten 0.55 ± 0.29 0.60 ± 0.24 0.62 ± 0.23 0.53 ± 0.26

    Tabel 8. Absolute kwantificatie van de metabolieten (mM). Alle waa