The human brain changes in a complex and heterogeneous way throughout life, the normal aging process is associated to significant alterations in the axonal connections. In this study, we evaluated the age-related changes in physical parameters associated with the brain white and gray matter integrity in healthy subjects, as well as the possible correlation between them in specific tracts. Structural images (1 mm isotropic) and diffusion weighted images (2 mm isotropic, b = 1000 s /mm2) of 158 healthy individuals aged between 18 and 83 years were retrospectively collected at the Clinics Hospital of Ribeirao Preto, after their acquisition in a 3T MR scanner. From the structural images, the cortical thickness was estimated and the age effect was evaluated in several regions based on the Atlas of Destrieux. The diffusion-weighted images were processed to characterize the intravoxel diffusion using two models: diffusion tensor (DT) and constrained spherical deconvolution (CSD). Fractional anisotropy (FA) and apparent density of fiber (AFD) maps were estimated and used in statistical group analysis between the three groups separated by age. The most relevant brain tracts were segmented by three procedures: manually, automatically with a specific tool and based on automatic segmented cortical regions. Physical parameters of diffusion (anisotropy and diffusivities) were evaluated in the segmented tracts to determine the age-related changes. The connectome analysis based on two cortical parcellations was performed to evaluate the age effect on characteristic structural brain network parameters. The tract-cortical relationship was evaluated considering the anisotropy of each tract and the thickness of the cortical areas at the end of the corresponding tract. Further analysis was performed to evaluate a possible association of structural and functional connectivity in the corpus callosum (CC). There was significant cortical thinning in 88.5% of the regions during life (p <0.05, corrected for multiple comparisons); the frontal region was the most affected in the initial aging (after 40 years), and the occipital and temporal regions in the elderly (after 60 years). Similarly, the group analysis demonstrated a global pattern of reduction of FA and AFD in the white matter, with a higher rate of degradation of integrity from the sixth decade of life. The manual selection of tracts from the DT model proved to be the most reliable methodology in the precise definition of the tracts for our data. Following this methodology, analysis of anisotropy and diffusion parameters also indicated degeneration of white matter in normal aging in all studied brain tracts and corroborated to the antero-posterior gradient of degeneration in the CC. Fornix was the most affected tract bilaterally, with a 3.5% reduction and an increase of 4% per decade in these parameters, respectively; followed by CC. In the evaluation of the age effect on the connectome estimates, regardless of diffusion model and cortical atlas, there was a decrease in global efficiency, number of connections and local efficiency with aging, mainly in the prefrontal, temporal and parietal and its connections. In the tract-cortical analysis, cortical regions connected by tracts demonstrated similar thinning patterns for the majority of tracts, and a significant relation between mean cortical thinning rate and FA/MD alteration rates were found. In all evaluated tracts, age was the main effect controlling diffusion parameters alterations; there were no direct correlations with cortical thickness for the majority of tracts. Only for the fornix, the values of FA and MD showed significant correlation with the cortical thickness of the subcallosal gyrus in both hemispheres during aging (p <0.05 corrected). For the other tracts, CC, Inferior Longitudinal Fasciculus, Uncinated Fasciculus, Inferior Fronto-occipital Fasciculus, Corticospinal Tract, Cingulum and Arcuate Fasciculus, age was the main effect controlling alterations in the parameters, but there were no direct correlations between FA and MD and cortical thickness during the aging process. / O cérebro humano muda de forma complexa e heterogênea ao longo da vida, o processo de envelhecimento normal tem associado significativas alterações nas conexões axonais. Neste estudo, avaliamos as mudanças relacionadas à idade em parâmetros físicos associados à integridade das substâncias branca e cinzenta cerebral em sujeitos saudáveis, assim como a possivel correlação entre eles em tratos específicos. Imagens estruturais (1 mm isotrópica) e imagens ponderadas em difusão (2 mm isotrópica e b=1000 s/mm2) de 158 indivíduos saudáveis entre 18 a 83 anos foram coletadas retrospectivamente no Hospital das Clinícas de Ribeirão Preto, após sua aquisição em aparelho de ressonância magnética de 3 Teslas. A partir das imagens estruturais, a espessura cortical foi estimada e o efeito de idade nela foi avaliado em diversas regiões tomando com base o atlas de Destrieux. As imagens ponderadas em difusão foram processadas para caracterizar a difusão intravoxel utilizando dois modelos: tensor de difusão (DT) e deconvolução esférica restrita (CSD). Mapas de anisotropia fracionada (FA) e densidade aparente da fibra (AFD) foram estimados e usados em analise estatistica de três grupos separados por faixa etária. Os tratos cerebrais mais relevantes foram segmentados por tres procedimentos: manualmente, automaticamente com uma ferramenta especifica e com base em regiões corticais automaticante segmentadas. Parâmetros físicos de difusão (anisotropia e difusibilide) foram avaliados nos tratos segmentados para determinar as alterações relacionadas à idade. A análise de conectoma baseada em dois parcelamentos corticais foi realizada para avaliar também o efeito da idade em parâmetros caracteristicos da rede estrutural cerebral. A relação trato-cortical foi avaliada considerando a anisotropia de cada trato e as espessuras das áreas corticais nas extremidades do trato correspondente. Uma análise adicional foi realizada para avaliar uma possivel associação de onetividades estrutural e funcional no corpo caloso (CC). Houve afinamento cortical significativo em 88,5% das regiões durante a vida (p <0,05, corrigido); a região frontal foi a mais afetada no envelhecimento inicial (após 40 anos), e as regiões occipital e temporal nos idosos (após 60 anos). Similarmente, a análise de grupo demonstrou um padrão global de redução de FA e AFD na substância branca, com uma maior taxa de degradação de integridade a partir da sexta década de vida. A seleção manual de tratos baseada no modelo de DT mostrou-se a metodologia mais confiavél na precisa definição dos tratos nos nossos dados. Seguindo essa metodologia, a análise dos parâmetros de anistropia e difusão também indicou degeneração de substância branca no envelhecimento normal em todos os tratos cerebrais estudados e corroborou o gradiente ântero-posterior de degeneração no CC. O fornix foi o trato mais afetado bilatreamente com redução de 3.5% e aumento de 4% por década nesses parâmetros, respectivamente; seguido do CC. Na avaliação do efeito da idade nas estimativas do conectoma, independentemente do modelo de difusão e do atlas cortical usado, houve uma diminuição da eficiência global com o envelhececimento, do número de conexões e da eficiência local, principalmente nas regiões pré-frontal, temporal e parietal e suas conexões. Nas análises trato-corticais, as regiões corticais conectadas por tratos mostraram padrões de afinamento similares para a maioria dos tratos, e uma correlação significativa entre a taxa média de afinamento cortical e as taxas de alteração de FA e difusibilidade média (MD) foram encontradas. Em todos os tratos avaliados, a idade foi o principal efeito controlando das alterações dos parâmetros de difusão; não houve correlações diretas com espessura cortical para a maioria dos tratos. Somente para o fornix, os valores de FA e MD mostraram correlação com a espessura cortical do giro subcalosal (parcelamento de Destrieux) em ambos os hemisférios durante o envelhecimento (p <0,05 corrigido). Para os outros tratos, CC, fascículo longitudinal inferior, fascículo uncinado, fascículo occipitofrontal inferior, trato cortico-espinal, parte cingulada do cíngulo e fascículo arqueado, a idade foi o principal efeito no controle das alterações dos parâmetros, mas não houve correlações diretas entre FA e MD e espessura cortical durante o processo de envelhecimento

The human brain changes in a complex and heterogeneous way throughout life, the normal aging process is associated to significant alterations in the axonal connections. In this study, we evaluated the age-related changes in physical parameters associated with the brain white and gray matter integrity in healthy subjects, as well as the possible correlation between them in specific tracts. Structural images (1 mm isotropic) and diffusion weighted images (2 mm isotropic, b = 1000 s /mm2) of 158 healthy individuals aged between 18 and 83 years were retrospectively collected at the Clinics Hospital of Ribeirao Preto, after their acquisition in a 3T MR scanner. From the structural images, the cortical thickness was estimated and the age effect was evaluated in several regions based on the Atlas of Destrieux. The diffusion-weighted images were processed to characterize the intravoxel diffusion using two models: diffusion tensor (DT) and constrained spherical deconvolution (CSD). Fractional anisotropy (FA) and apparent density of fiber (AFD) maps were estimated and used in statistical group analysis between the three groups separated by age. The most relevant brain tracts were segmented by three procedures: manually, automatically with a specific tool and based on automatic segmented cortical regions. Physical parameters of diffusion (anisotropy and diffusivities) were evaluated in the segmented tracts to determine the age-related changes. The connectome analysis based on two cortical parcellations was performed to evaluate the age effect on characteristic structural brain network parameters. The tract-cortical relationship was evaluated considering the anisotropy of each tract and the thickness of the cortical areas at the end of the corresponding tract. Further analysis was performed to evaluate a possible association of structural and functional connectivity in the corpus callosum (CC). There was significant cortical thinning in 88.5% of the regions during life (p <0.05, corrected for multiple comparisons); the frontal region was the most affected in the initial aging (after 40 years), and the occipital and temporal regions in the elderly (after 60 years). Similarly, the group analysis demonstrated a global pattern of reduction of FA and AFD in the white matter, with a higher rate of degradation of integrity from the sixth decade of life. The manual selection of tracts from the DT model proved to be the most reliable methodology in the precise definition of the tracts for our data. Following this methodology, analysis of anisotropy and diffusion parameters also indicated degeneration of white matter in normal aging in all studied brain tracts and corroborated to the antero-posterior gradient of degeneration in the CC. Fornix was the most affected tract bilaterally, with a 3.5% reduction and an increase of 4% per decade in these parameters, respectively; followed by CC. In the evaluation of the age effect on the connectome estimates, regardless of diffusion model and cortical atlas, there was a decrease in global efficiency, number of connections and local efficiency with aging, mainly in the prefrontal, temporal and parietal and its connections. In the tract-cortical analysis, cortical regions connected by tracts demonstrated similar thinning patterns for the majority of tracts, and a significant relation between mean cortical thinning rate and FA/MD alteration rates were found. In all evaluated tracts, age was the main effect controlling diffusion parameters alterations; there were no direct correlations with cortical thickness for the majority of tracts. Only for the fornix, the values of FA and MD showed significant correlation with the cortical thickness of the subcallosal gyrus in both hemispheres during aging (p <0.05 corrected). For the other tracts, CC, Inferior Longitudinal Fasciculus, Uncinated Fasciculus, Inferior Fronto-occipital Fasciculus, Corticospinal Tract, Cingulum and Arcuate Fasciculus, age was the main effect controlling alterations in the parameters, but there were no direct correlations between FA and MD and cortical thickness during the aging process. / O cérebro humano muda de forma complexa e heterogênea ao longo da vida, o processo de envelhecimento normal tem associado significativas alterações nas conexões axonais. Neste estudo, avaliamos as mudanças relacionadas à idade em parâmetros físicos associados à integridade das substâncias branca e cinzenta cerebral em sujeitos saudáveis, assim como a possivel correlação entre eles em tratos específicos. Imagens estruturais (1 mm isotrópica) e imagens ponderadas em difusão (2 mm isotrópica e b=1000 s/mm2) de 158 indivíduos saudáveis entre 18 a 83 anos foram coletadas retrospectivamente no Hospital das Clinícas de Ribeirão Preto, após sua aquisição em aparelho de ressonância magnética de 3 Teslas. A partir das imagens estruturais, a espessura cortical foi estimada e o efeito de idade nela foi avaliado em diversas regiões tomando com base o atlas de Destrieux. As imagens ponderadas em difusão foram processadas para caracterizar a difusão intravoxel utilizando dois modelos: tensor de difusão (DT) e deconvolução esférica restrita (CSD). Mapas de anisotropia fracionada (FA) e densidade aparente da fibra (AFD) foram estimados e usados em analise estatistica de três grupos separados por faixa etária. Os tratos cerebrais mais relevantes foram segmentados por tres procedimentos: manualmente, automaticamente com uma ferramenta especifica e com base em regiões corticais automaticante segmentadas. Parâmetros físicos de difusão (anisotropia e difusibilide) foram avaliados nos tratos segmentados para determinar as alterações relacionadas à idade. A análise de conectoma baseada em dois parcelamentos corticais foi realizada para avaliar também o efeito da idade em parâmetros caracteristicos da rede estrutural cerebral. A relação trato-cortical foi avaliada considerando a anisotropia de cada trato e as espessuras das áreas corticais nas extremidades do trato correspondente. Uma análise adicional foi realizada para avaliar uma possivel associação de onetividades estrutural e funcional no corpo caloso (CC). Houve afinamento cortical significativo em 88,5% das regiões durante a vida (p <0,05, corrigido); a região frontal foi a mais afetada no envelhecimento inicial (após 40 anos), e as regiões occipital e temporal nos idosos (após 60 anos). Similarmente, a análise de grupo demonstrou um padrão global de redução de FA e AFD na substância branca, com uma maior taxa de degradação de integridade a partir da sexta década de vida. A seleção manual de tratos baseada no modelo de DT mostrou-se a metodologia mais confiavél na precisa definição dos tratos nos nossos dados. Seguindo essa metodologia, a análise dos parâmetros de anistropia e difusão também indicou degeneração de substância branca no envelhecimento normal em todos os tratos cerebrais estudados e corroborou o gradiente ântero-posterior de degeneração no CC. O fornix foi o trato mais afetado bilatreamente com redução de 3.5% e aumento de 4% por década nesses parâmetros, respectivamente; seguido do CC. Na avaliação do efeito da idade nas estimativas do conectoma, independentemente do modelo de difusão e do atlas cortical usado, houve uma diminuição da eficiência global com o envelhececimento, do número de conexões e da eficiência local, principalmente nas regiões pré-frontal, temporal e parietal e suas conexões. Nas análises trato-corticais, as regiões corticais conectadas por tratos mostraram padrões de afinamento similares para a maioria dos tratos, e uma correlação significativa entre a taxa média de afinamento cortical e as taxas de alteração de FA e difusibilidade média (MD) foram encontradas. Em todos os tratos avaliados, a idade foi o principal efeito controlando das alterações dos parâmetros de difusão; não houve correlações diretas com espessura cortical para a maioria dos tratos. Somente para o fornix, os valores de FA e MD mostraram correlação com a espessura cortical do giro subcalosal (parcelamento de Destrieux) em ambos os hemisférios durante o envelhecimento (p <0,05 corrigido). Para os outros tratos, CC, fascículo longitudinal inferior, fascículo uncinado, fascículo occipitofrontal inferior, trato cortico-espinal, parte cingulada do cíngulo e fascículo arqueado, a idade foi o principal efeito no controle das alterações dos parâmetros, mas não houve correlações diretas entre FA e MD e espessura cortical durante o processo de envelhecimento

Made available in DSpace on 2017-07-21T18:15:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Karina Barros.pdf: 4796312 bytes, checksum: 322e3fb2c57753435e1498a85380aeed (MD5) Previous issue date: 2015-02-25 / The focus of this analysis was the mantainance of connectivity in landscape as a fundamental principle for biodiversity conservation, where ecological flows are considered highly relevant to planning aimed at environmental conservation. The combination between the geography spatial analysis and functional analysis of ecology allows the understanding of landscape connectivity from the interaction between the physical arrangement of the landscape (structural connectivity) and the response of organisms to these physical structures (functional connectivity). In Piraí do Sul National Forest, a 153ha unit of conservation of sustainable use within the Atlantic forest biome, the calculation of structural metrics revealed the predominance of a little permeable matrix modified by agriculture, forestry, livestock and roads. Predomine small patches with 75% of the fragments lesser than 3,2ha. The few larger patches are aggregated. There is a high proportion of edge (13.3% of the total area), with 70% of the patches entirely subject to edge effects. The spatial disposition of the patches imply in low supply of habitat, because although over 53% of the patches were in the vicinity of another fragment at a distance of up to 20 m, its neighbors in that search radius are very small. The low level of connectivity (6.3%) also is a strong indicator of the degree of fragmentation. Only 4.4% of the total area of the landscape consists on corridors, mostlly determined by the hydrographic network. The functional analysis reveals that the perception of landscape connectivity is variable, and for generalists animal species, the profile of size and arrangement of patches does not compromise the offset among the elements of the landscape. Specialized animal species, however, perceive a scenario of fragmentation highly compromising. For the plant species, the structural characteristics of the patches constitute secondary aspects to the landscape perception. Fragmentation of the landscape must be brought to discussion on the Managing Council of Piraí do Sul National Forest and should be treated within the management plan. This should incorporate appropriate criteria to the confrontation of the ecological problem represented by the proven framework of landscape fragmentation. To do so, are discussed specific contributions of the connectivity analysis. / O enfoque desta análise foi a manutenção da conectividade na paisagem como um princípio fundamental para a conservação da biodiversidade, onde os fluxos ecológicos são considerados altamente relevantes para o planejamento voltado à conservação ambiental. A combinação entre a análise espacial da geografia e análise funcional da ecologia permite a compreensão da conectividade da paisagem a partir da interação entre o arranjo físico da paisagem (conectividade estrutural) e a resposta dos organismos a essas estruturas físicas (conectividade funcional). Na Floresta Nacional de Piraí do Sul e entorno, uma unidade de conservação de uso sustentável de 153 hectares inserida no bioma da Mata Atlântica, o cálculo de métricas estruturais revelou o predomínio de uma matriz pouco permeável e alterada pela agricultura, silvicultura, pecuária e estradas. Há predomínio quantitativo de fragmentos pequenos, com 75% dos fragmentos inferiores a 3,2ha. Há poucos fragmentos maiores, agregados. Há alta proporção de áreas de borda (13,3% da área total), com 70% dos fragmentos totalmente sujeitos ao efeito de borda. A disposição espacial dos fragmentos implica em baixa oferta de habitat, pois embora mais de 53% dos fragmentos estejam na vizinhança de outro fragmento a uma distância de até 20m, os seus vizinhos, nesse raio, possuem área pequena. O baixo índice de conectividade (6,3%) também é um forte indicador do grau de fragmentação. Apenas 4,4% da área total da paisagem configura-se como corredores, basicamente determinados pela rede hidrográfica. A análise funcional revela que a percepção sobre a conectividade da paisagem é variável, sendo que para espécies animais de hábitos generalistas, o perfil de tamanho e disposição dos fragmentos não compromete o deslocamento entre os elementos da paisagem. As espécies animais especialistas, contudo, percebem um cenário de fragmentação altamente comprometedor. Para as espécies vegetais, as características estruturais dos fragmentos constituem aspectos secundários à percepção da paisagem. A fragmentação da paisagem deve ser levada à discussão no Conselho Gestor da FLONA de Piraí do Sul e tratada no Plano de Manejo, que deve incorporar critérios adequados ao enfrentamento do problema ecológico representado pelo comprovado quadro de fragmentação da paisagem. Para tanto, são discutidas contribuições específicas da análise da conectividade.