Quantitative measurement of brain size, shape, and temporal change (for example, in order to estimate atrophy) is increasingly important in biomedical image analysis applications. New methods of structural analysis attempt to improve robustness, accuracy, and extent of automation. A fully automated method of longitudinal (temporal change) analysis, SIENA, was presented previously. In this paper, improvements to this method are described, and also an extension of SIENA to a new method for cross-sectional (single time point) analysis. The methods are fully automated, robust, and accurate: 0.15% brain volume change error (longitudinal): 0.5–1% brain volume accuracy for single-time point (cross-sectional). A particular advantage is the relative insensitivity to differences in scanning parameters. The methods provide easy manual review of their output by the automatic production of summary images which show the results of the brain extraction, registration, tissue segmentation, and final atrophy estimation.

Treatment options for patients with secondary progressive multiple sclerosis are few. Encouraging results in open-label studies prompted this randomised trial of mitoxantrone in such patients.194 patients with worsening relapsing-remitting or secondary progressive multiple sclerosis were assigned placebo or mitoxantrone (5 mg/m(2) [exploratory group] or 12 mg/m(2) intravenously) every 3 months for 24 months. Clinical assessments were made every 3 months for 24 months. The primary endpoint was a multivariate analysis of five clinical measures. Analyses of mitoxantrone 12 mg/m(2) versus placebo were based on patients who received at least one dose and returned for at least one assessment of efficacy.Of 194 patients enrolled, 188 were able to be assessed at 24 months. There were no drug-related serious adverse events or evidence of clinically significant cardiac dysfunction. At 24 months, the mitoxantrone group experienced benefits compared with the placebo group for the primary outcome (difference 0.30 [95% CI 0.17-0.44]; p<0.0001) and the preplanned univariate analyses of those measures: change in expanded disability status scale (0.24 [0.04-0.44]; p=0.0194), change in ambulation index (0.21 [0.02-0.40]; p=0.0306), adjusted total number of treated relapses (0.38 [0.18-0.59]; p=0.0002), time to first treated relapse (0.44 [0.20-0.69]; p=0.0004), and change in standardised neurological status (0.23 [0.03-0.43]; p=0.0268).Mitoxantrone 12 mg/m(2) was generally well tolerated and reduced progression of disability and clinical exacerbations. Further studies are needed to identify the patients with these forms of multiple sclerosis who are most likely to respond to therapy, the best treatment protocols, and the frequency of long-term drug-related side-effects.

Objective

 To assess axonal damage and its contribution to disability at different stages of multiple sclerosis (MS). 

Background

 Recent in vivo imaging and in situ pathologic studies have demonstrated that substantial axonal damage accompanies the inflammatory lesions of MS. However, the relation of axonal damage to the duration of MS and its contribution to disability at different stages of the disease remain poorly defined. 

Design

 We performed proton magnetic resonance spectroscopic imaging in 88 patients with a wide range of clinical disability and disease duration to measureN-acetylaspartate (NAA, an index of axonal integrity) relative to creatine (Cr) in a large central brain volume that included mostly normal-appearing white matter on magnetic resonance imaging. 

Results

 We observed that the NAA/Cr values were abnormally low in the early stages of MS, even before significant disability (measured using the Expanded Disability Status Scale [EDSS]) was evident clinically, and declined more rapidly with respect to EDSS at lower than at higher EDSS scores (P<.001). The correlation of NAA/Cr values with EDSS score was significantly (P<.03) stronger in patients with mild disability (EDSS score <5, Spearman rank order correlation = –0.54,P< .001) than in patients with more severe disability (EDSS score ≥5, Spearman rank order correlation = −0.1,P<.9). When similar analyses were performed in patients with MS grouped for duration of disease, the subgroup with early disease duration (<5 years) also showed central brain NAA/Cr resonance intensity ratios significantly lower than healthy controls (P<.001). 

Conclusion

 Cerebral axonal damage begins and contributes to disability from the earliest stages of the disease.

It has been difficult to establish a strong correlation between total brain T2-weighted lesion volume on MRI and clinical disability in multiple sclerosis, in part because of the lack of pathological specificity of T2-weighted MRI signal changes. Proton magnetic resonance spectroscopy studies have shown that measurements of the resonance intensity of N-acetylaspartate (which is localized exclusively in neurons and neuronal processes in the mature brain) can provide a specific index of axonal damage or dysfunction. Here we report a 30-month longitudinal study of 29 patients with multiple sclerosis who had either a relapsing or a secondary progressive clinical course. Conventional brain MRI and single-voxel proton magnetic resonance spectroscopy examinations were obtained at intervals of 6-8 months with concurrent clinical evaluation. At the onset of the study, the brain N-acetylaspartate:creatine resonance intensity ratio was abnormally low for the whole group of patients (control mean = 2.93 +/- 0.2, patient mean = 2.56 +/- 0.4, P < 0.005). There were no significant differences between the relapsing and secondary progressive subgroups. Over the follow-up period, there was a trend towards a decrease (8%) in the brain N-acetylaspartate:creatine ratio for the 11 relapsing patients and a significant (P < 0.001) correlation between changes in the brain N-acetylaspartate:creatine ratio and expanded disability scale scores for the patients in this group. This correlation was even more evident for the patients who had clinically relevant relapses during the 30 months of follow-up (seven of 11 patients). Increases in T2-weighted lesion volumes (35% in 30 months for the group as a whole, P < 0.0001, without differences between the subgroups) did not correlate with disability either in the group of patients as a whole or in the different subgroups. We conclude that indices of axonal damage or loss such as brain N-acetylaspartate may provide a specific measure of pathological changes relevant to disability. Total T2-weighted lesion volumes, although more sensitive to changes with time than brain N-acetylaspartate, may be less relevant to understanding the progression of disability.

To assess cortical gray matter (GM) changes in MS and establish their relevance to clinical disability and to inflammatory changes of white matter (WM) in patients with the relapsing-remitting (RR) and primary progressive (PP) forms of the disease.Conventional MRI examinations were obtained in patients with definite MS who had either the RR or the PP form of the disease. An automated analysis tool was used with conventional T1-weighted MR images to obtain total and cortical brain volumes normalized for head size. Total brain lesion load was estimated on conventional proton density and T2-weighted MR images. The relationship between volumetric MR measures and scores of clinical disability was assessed.Normalized cortical volumes (NCV) were lower for both RR and PP MS patients than for normal control subjects (p < 0.001) but were similar between the two patient groups (p > 0.5). NCV decreases in both patients groups were detected even in those patients with short disease duration (<5 years; p < 0.001 in RR MS and p < 0.05 in PP MS) and minimal brain lesion volume (<5 mL; p < 0.0001 in RR MS and p < 0.005 in PP MS). Measures of NCV in individual patients were negatively correlated with T2-weighted lesion volume (r = -0.47, p < 0.001) and disease duration (r = -0.25, p < 0.05) only in the patients with RR MS. NCV correlated with Expanded Disability Status Scale scores across all of the patients, but the strength of the correlation was stronger (p < 0.05) for PP (r = -0.64, p < 0.0001) than for RR (r = -0.27, p = 0.04) MS patients.These data confirm substantial neocortical volume loss in MS patients and suggest that neocortical GM pathology may occur early in the course of the disease in both RR and PP MS patients and contribute significantly to neurologic impairment. Although a proportion of this neocortical pathology may be secondary to WM inflammation, the extent of the changes suggests that, especially in patients with PP MS, an independent neurodegenerative process also is active.

Purpose Quantitative measurement of change in brain size and shape (e.g., to estimate atrophy) is an important current area of research. New methods of change analysis attempt to improve robustness, accuracy, and extent of automation. A fully automated method has been developed that achieves high estimation accuracy. Method A fully automated method of longitudinal change analysis is presented here, which automatically segments brain from nonbrain in each image, registers the two brain images while using estimated skull images to constrain scaling and skew, and finally estimates brain surface motion by tracking surface points to subvoxel accuracy. Results and Conclusion The method described has been shown to be accurate (≈0.2% brain volume change error) and to achieve high robustness (no failures in several hundred analyses over a range of different data sets).

Normal ageing is associated with gradual brain atrophy. Determining spatial and temporal patterns of change can help shed light on underlying mechanisms. Neuroimaging provides various measures of brain structure that can be used to assess such age-related change but studies to date have typically considered single imaging measures. Although there is consensus on the notion that brain structure deteriorates with age, evidence on the precise time course and spatial distribution of changes is mixed. We assessed grey matter (GM) and white matter (WM) structure in a group of 66 adults aged between 23 and 81. Multimodal imaging measures included voxel-based morphometry (VBM)-style analysis of GM and WM volume and diffusion tensor imaging (DTI) metrics of WM microstructure. We found widespread reductions in GM volume from middle age onwards but earlier reductions in GM were detected in frontal cortex. Widespread age-related deterioration in WM microstructure was detected from young adulthood onwards. WM decline was detected earlier and more sensitively using DTI-based measures of microstructure than using markers of WM volume derived from conventional T1-weighted imaging.

Abstract N ‐Acetylaspartate (NAA), which constitutes the major proportion of the dominant resonance in proton MR spectra of brain, is localized in mature brain exclusively in neurons and neuronal processes. A decrease in NAA has been observed in many cerebral pathologies and has usually been interpreted as an index of irreversible neuronal loss. The authors report a follow‐up study of six patients with acute brain damage (four from demyelinating lesion and two from mitochondrial encephalopathy with lactic acidosis and stroke‐like episodes [MELAS]). All patients underwent serial MR spectroscopy examinations. The four patients with acute demyelinating lesions initially showed decreases in NAA in the centers of the lesions that ranged between 34‐72% of values from homologous brain volumes in the other hemisphere. All four patients subsequently showed substantial recovery of NAA as their clinical status improved. The two patients with MELAS syndrome had large decreases of NAA signal (50% and 20% of normal values, respectively) from their occipital lobe lesions during the acute stroke‐like episodes. After the acute phase of the illness a progressive increase of NAA in the same volumes was seen in both patients (to 76% and 60% of normal values, respectively). These results demonstrate that significant recovery of NAA can occur after acute brain damage. The potential contribution of reversible neuronal dysfunction (as well as neuronal loss) must be considered in the interpretation of decreases in the NAA resonance associated with acute brain pathology.

Brain development continues actively during adolescence. Previous MRI studies have shown complex patterns of apparent loss of grey matter (GM) volume and increases in white matter (WM) volume and fractional anisotropy (FA), an index of WM microstructure. In this longitudinal study (mean follow-up = 2.5 ± 0.5 years) of 24 adolescents, we used a voxel-based morphometry (VBM)-style analysis with conventional T1-weighted images to test for age-related changes in GM and WM volumes. We also performed tract-based spatial statistics (TBSS) analysis of diffusion tensor imaging (DTI) data to test for age-related WM changes across the whole brain. Probabilistic tractography was used to carry out quantitative comparisons across subjects in measures of WM microstructure in two fiber tracts important for supporting speech and motor functions (arcuate fasciculus [AF] and corticospinal tract [CST]). The whole-brain analyses identified age-related increases in WM volume and FA bilaterally in many fiber tracts, including AF and many parts of the CST. FA changes were mainly driven by increases in parallel diffusivity, probably reflecting increases in the diameter of the axons forming the fiber tracts. FA values of both left and right AF (but not of the CST) were significantly higher at the end of the follow-up than at baseline. Over the same period, widespread reductions in the cortical GM volume were found. These findings provide imaging-based anatomical data suggesting that brain maturation in adolescence is associated with structural changes enhancing long-distance connectivities in different WM tracts, specifically in the AF and CST, at the same time that cortical GM exhibits synaptic "pruning".

Objective Gray matter (GM) atrophy occurs in all multiple sclerosis (MS) phenotypes. We investigated whether there is a spatiotemporal pattern of GM atrophy that is associated with faster disability accumulation in MS. Methods We analyzed 3,604 brain high‐resolution T1‐weighted magnetic resonance imaging scans from 1,417 participants: 1,214 MS patients (253 clinically isolated syndrome [CIS], 708 relapsing‐remitting [RRMS], 128 secondary‐progressive [SPMS], and 125 primary‐progressive [PPMS]), over an average follow‐up of 2.41 years (standard deviation [SD] = 1.97), and 203 healthy controls (HCs; average follow‐up = 1.83 year; SD = 1.77), attending seven European centers. Disability was assessed with the Expanded Disability Status Scale (EDSS). We obtained volumes of the deep GM (DGM), temporal, frontal, parietal, occipital and cerebellar GM, brainstem, and cerebral white matter. Hierarchical mixed models assessed annual percentage rate of regional tissue loss and identified regional volumes associated with time‐to‐EDSS progression. Results SPMS showed the lowest baseline volumes of cortical GM and DGM. Of all baseline regional volumes, only that of the DGM predicted time‐to‐EDSS progression (hazard ratio = 0.73; 95% confidence interval, 0.65, 0.82; p < 0.001): for every standard deviation decrease in baseline DGM volume, the risk of presenting a shorter time to EDSS worsening during follow‐up increased by 27%. Of all longitudinal measures, DGM showed the fastest annual rate of atrophy, which was faster in SPMS (–1.45%), PPMS (–1.66%), and RRMS (–1.34%) than CIS (–0.88%) and HCs (–0.94%; p < 0.01). The rate of temporal GM atrophy in SPMS (–1.21%) was significantly faster than RRMS (–0.76%), CIS (–0.75%), and HCs (–0.51%). Similarly, the rate of parietal GM atrophy in SPMS (–1.24‐%) was faster than CIS (–0.63%) and HCs (–0.23%; all p values <0.05). Only the atrophy rate in DGM in patients was significantly associated with disability accumulation (beta = 0.04; p < 0.001). Interpretation This large, multicenter and longitudinal study shows that DGM volume loss drives disability accumulation in MS, and that temporal cortical GM shows accelerated atrophy in SPMS than RRMS. The difference in regional GM atrophy development between phenotypes needs to be taken into account when evaluating treatment effect of therapeutic interventions. Ann Neurol 2018;83:210–222