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

A neuroimaging feature extraction model is designed to extract region-based image features whose values are predicted by base learners trained on raw neuroimaging morphological variables. The main objectives are to identify Alzheimer’s disease (AD) in its earliest manifestations, and be able to predict and gauge progression of the disease through the stages of mild cognitive impairment (EMCI), late MCI (LMCI) and AD. The model was evaluated on the ADNI database and showed 75.26% accuracy for the challenging EMCI diagnosis based on the 10-fold cross-validation. Our approach also performed well for the other binary classifications: EMCI vs. LMCI (72.3%), EMCI vs. AD (95%), LMCI vs. AD (84.3%), CN vs. LMCI (77.5%), and CN vs. AD (96.5%). By applying the model to the Genome-wide Association Study, along with the sparse Partial Least Squares regression method, we successfully detected risk genes such as the APOE, TOMM40, RVRL2 and APOC1 along with the new finding of rs917100. Moreover, the research aimed to investigate the relationship of different biomarkers; especially the imaging biomarkers to better understand the precise biologic changes that characterize Alzheimer’s disease. The unique and independent contribution of APOE4 allele status (E4+\E4-), amyloid (Aβ) load status (Amy+\Amy-) and combined APOE4 and Aβ status on regional cortical thickness (CTh) and cognition were evaluated via a series of two-way ANCOVAs with post-hoc Tukey HSD tests. Results showed that decreased CTh is independently associated with Amy+ status in many brain regions, but with E4+ status in very restricted number of brain regions. Among CN and EMCI participants, E4+ status is associated with increased CTh, in medial and inferior temporal regions. Diverging association patterns of global and regional Aβ load with cortical volume were found in the entorhinal, temporal pole and parahippocampal regions, which were positively associated with regional Aβ load, but with a negative correlation for global Aβ load in MCI stages. In addition, strong positive correlations were shown between baseline regional CTh and the difference of CTh in each region between the CN and AD, even after adjusting for the regional Aβ and APOE genotype (E4+: r = 0.521 and E4-: r = 0.694).