Brain morphometry in Pontocerebellar Hypoplasia type 2A

Abstract

Pontocerebellar hypoplasia represents a heterogenous group of early-onset neurodegenerative diseases characterised by disrupted cerebellar and pontine development, leading to a severe clinical condition with extra pyramidal dyskinesia and severe psychomotor impairment. A RNA splicing mutation has been identified in all children with PCH type 2, however its precise impact on the children’s brain architecture remains unclear. To what extent cerebellar and pontine impairment affects global brain development must be investigated. Therefore, this study aimed to examine infra- and supratentorial brain volumes in a genetically homogenous cohort of patients to assess brain development of children with pontocerebellar hypoplasia type 2A.

24 patient MRI scans, obtained on film and in digital format, compared to 24 age and gender matched controls, were manually segmented for their image volume in cerebellum, brain stem, supratentorial brain, frontal lobe and pons area. All children tested positive for the missense p.A307S mutation in the TSEN54 gene. MRI films were converted to digital pixel format (JPEG). All images received a manual mask, which was thresholded to reduce CSF signal, yielding the desired brain volume. In addition, longitudinal volume and image data in five patients were subjected to visual examination. The adapted method was validated by converting digital 3D MRI data to JPEG format as well as intra- and inter-rater testing using Intra-correlation and Dice similarity coefficients.

Volumetric data in conjunction with longitudinal case studies revealed severe volume loss in cerebellum, pons, brain stem as well as to a lesser extent in supratentorial structures at birth. This study could illustrate for the first time, a volume increase in infra- and supratentorial brain areas during infancy in PCH2A. The frontal lobe was not found to be more severely affected than the rest of supratentorial structures. Supratentorial growth continued throughout the first 5 years of life, then stagnating. No volume regression in any brain structure was seen in the first 5 years of life. The validation process revealed high precision and reproducibility as strong values for ICC and DSC in intra- and interrater were observed.

Reduced volumes in infratentorial brain structures present at birth are interpreted as the consequence of prenatal neurodegeneration leading to pontocerebellar hypoplasia. Evidence of volume increase in the first years of life do not support the concept of a continued neurodegeneration but argue in favour of a secondary impact of these severely disturbed pontocerebellar structures on supratentorial development with microcephaly. This is supported by the evidence for some clinical progress in the first years of life in PCH2A patients. Nevertheless, volume loss was demonstrated in a longitudinal analysis in an older patient, which could be explained in the context of late-stage atrophy, eventually developing in most children with PCH.

This study provides new insight into the impact of the underlying gene defect supporting a primary cerebellar dysfunction with secondary severe disruption of cerebellar-cerebral networks and probably some late neurodegeneration.

Pontocerebelläre Hypoplasie umfasst eine heterogene Gruppe früh einsetzender neurodegenerativer Erkrankungen, welche primär eine Störung in der cerebellären und pontinen Entwicklung erfahren. Eine Mutation im RNA splicing Prozess im TSEN54 Gen wurde bei allen Kindern mit PCH2A gefunden, ihre genauen Auswirkungen auf die Gehirnarchitektur bleiben jedoch unklar. Inwieweit die cerebelläre und pontine Schädigung das gesamte Gehirn beeinträchtigt, muss untersucht werden. Diese Dissertation beabsichtigte, infra- und supratentorielle Strukturen anhand des Volumens in einer genetisch homogenen Patientenkohorte zu untersuchen und dadurch Rückschlüsse auf die Gehirnentwicklung bei Kindern mit PCH2A zu erhalten.

MRT Aufnahmen von 24 Patienten, auf Folien und in digitalem Format, wurden 24 alters- und geschlechtsabgestimmten Kontrollen gegenübergestellt, um das Volumen sowohl von Cerebellum, Gehirnstamm sowie der Pons (Fläche) und gesamten supratentoriellen Volumen mit Unterteilung des Frontallappens, manuell zu segmentieren. Alle Kinder zeigten die missense p.A307S Mutation im TSEN54 Gen. Die MRT Folien wurden in eine digitale, Pixel-kodierte Bildinformation überführt (JPEG). Anschließend wurden alle digitalen Aufnahmen manuell umfahren, ein Intensitätsschwellenwert präzisierte die Maske, um überschüssige Liquorsignale zu subtrahieren. Zusätzlich wurden longitudinale Daten in 5 Patienten inkorporiert. Die Validierung der adaptierten Methode erfolgte indem 3D MRT Voxelaufnahmen in Pixel-kodierte Bilder konvertiert und vermessen wurden. Zusätzlich wurden Intra- und Interrater Tests anhand von Intra-Correlation (ICC) and Dice Similiarity Coefficients (DSC) durchgeführt.

Die Analyse der Querschnitts- sowie der Longitudinalvolumina ergaben eine ausgeprägte Minderung im Cerebellum, Gehirnstamm und in der Pons (Fläche) sowie in supratentoriellen Strukturen bereits zur Geburt. Zum ersten Mal wurde ein globaler Volumenzuwachs im Kindesalter bei PCH2A nachgewiesen. Der Frontallappen war nicht stärker beeinträchtigt als andere supratentorielle Strukturen. Es zeigte sich stetiges supratentorielles Wachstum in den ersten 5 Jahren mit darauffolgender Abflachung. In den ersten 5 Jahren wurde kein Volumenrückgang in irgendeiner Gehirnstruktur beobachtet. Die Validierung zeigte hohe Präzision und Reproduzierbarkeit mit hohen ICC und DSC Werten.

Die bereits bei Geburt ausgeprägt verminderten infratentoriellen Volumina werden als Folge einer pränatalen Neurodegeneration interpretiert, die zur pontocerebellären Hypoplasie führt. Die Volumenzunahme aller Gehirnstrukturen in den ersten Lebensjahren widerlegen die Annahme einer kontinuierlich, fortschreitenden Neurodegeneration, und unterstützen stattdessen eine sekundäre Folge der primären infratentoriellen Hypoplasie auf die supratentorielle Gehirnentwicklung mit Mikrozephalie. Des Weiteren wird diese These durch den zwar geringfügigen aber klinischen Fortschritt der Kinder in den ersten Jahren unterstützt. Hinweise für eine Volumenabnahme bei älteren Kindern mit PCH2A können im Sinne einer spät einsetzenden Atrophie interpretiert werden, die sich wahrscheinlich bei fast allen Kindern mit PCH entwickelt.

Diese Studie vermittelt einen Einblick in die Rolle des zugrundeliegenden Gendefekts, der über eine primäre, cerebelläre Störung zu sekundären, schweren Störungen der cerebellär-cerebralen Netzwerke führt, gefolgt von einer ggf. späten Neurodegeneration.