Visual Cortex Plasticity in Stroke: Functional Magnetic Resonance and PET

Abstract

A Stroke (cerebrovascular accident) is a medical condition characterized by the sudden interruption of normal blood perfusion in the brain, resulting in the damage of neural cells. Since a large part of the Central Nervous System is dedicated to visual perception, during a Stroke, there is a high probability of damage of the visual cortex (vision processing centers, including several visual regions with retinotopic representations), causing a loss of peripheral and/or central vision (scotomas). When there is cortically induced (partial) blindness, visual rehabilitation is not always effective and data on visual cortex reorganization after injury is still controversial.Neuroplasticity refers to the ability of the brain, both in the early stages of development or in adulthood, to change both structurally and/or functionally in a persistent manner in response to different stimuli. In this way, this dynamic process has great potential for treating neurological diseases such as Stroke.This study aims to find out whether there is evidence of neuroplasticity of the adult visual system after a Stroke, that is, if the populations of neurons in the visual cortex reorganize in response to the visual experience changes.We acquired anatomical and functional MRI data from eleven Stroke patients and ten healthy controls to study possible changes in the size of population receptive fields (pRFs) of visual neurons in the calcarine sulcus of each hemisphere of each participant, as changes in the properties of pRFs may support the reorganization of the visual cortex. Lesioned and contralesional hemispheres were considered as independent, from the point of view of analyses.As expected, mean pRFs size increased along eccentricity and the pattern of variation was similar between groups. Interestingly, the mean pRFs size was significantly larger in the lesioned hemisphere, indicating compensatory functional reorganization. Furthermore, the contralesional hemisphere group had significantly larger mean pRFs size than the control, i.e., suggesting the presence of remapping also in the “healthy” hemisphere of Stroke patients. The greater variability in the pRF size data and the lower explained variance in the contralesional hemisphere compared to the controls suggest that both the ipsilesional and contralesional hemispheres suffer, the latter indirectly, from the lesion.Additionally, synaptic density was evaluated by [11C]-UCB-J PET in two Stroke patients and a healthy control. A decrease, but not total loss, of synaptic density within the lesion was identified. A slight increase in synaptic density was also identified at the edge of the lesion (injured tissue bordering healthy tissue), indicating the possibility that undamaged neurons around the lesion may establish new synaptic connections (an indicator of putative neuroplasticity in Stroke patients).Furthermore, it was observed that the Centrum Semiovale (CS) may not be a good reference region for SUVR determination in Stroke patients, because they may have white matter lesions in the CS and its pathophysiology may influence the nonspecific binding of the radiopharmaceutical in this structure. In fact, one of the Stroke patients was found to have a slightly lower SUV in the CS than the control.To sum up, we found promising evidence of pRFs reorganization in the calcarine sulcus and moderately molecular integrity (synaptic density) in response to cortical visual loss caused by Stroke. It will be necessary to understand if this remapping is a short-term adaptation or a long-term mechanism. These neuroplasticity responses must be thoughtfully considered since they are crucial to the development of new personalized rehabilitation and restorative strategies in Stroke.

O acidente vascular cerebral (AVC) é uma condição médica caracterizada pela interrupção repentina da normal perfusão sanguínea no cérebro, resultando em danos nas células neuronais. Uma vez que grande parte do Sistema Nervoso Central é dedicado à perceção visual, aquando de um AVC existe, portanto, uma grande probabilidade de ocorrer lesão no córtex visual (centro de processamento da visão incluindo várias regiões visuais com representações retinotópicas), provocando perda visual periférica e/ou central (escotomas). Quando há perda visual (parcial) cortical, a reabilitação visual nem sempre é eficaz e os dados sobre a reorganização do córtex visual após a lesão ainda são controversos.O conceito de neuroplasticidade refere-se à capacidade que o cérebro tem, tanto nas fases iniciais de desenvolvimento como na fase adulta, de se alterar estruturalmente e/ou funcionalmente de maneira persistente em resposta a diversos estímulos. Desta forma, este processo dinâmico tem um grande potencial para o tratamento de doenças neurológicas, como o AVC.Este estudo pretende averiguar se realmente existe evidências de neuroplasticidade do sistema visual adulto após um AVC, isto é, se as populações de neurónios no córtex visual se reorganizam em resposta às mudanças da experiência visual.Adquirimos dados anatómicos e funcionais MRI de onze pacientes com AVC e dez controles saudáveis para o estudo de possíveis alterações no tamanho dos population receptive fields (pRFs) de neurónios visuais no sulco calcarino de cada hemisfério de cada participante, uma vez que estas alterações das propriedades dos pRFs podem sugerir reorganização do córtex visual. Os hemisférios lesionado e contralesional foram considerados independentes, do ponto de vista das análises.Como esperado, o tamanho médio dos pRFs aumentou ao longo da excentricidade e o padrão de variação foi semelhante entre grupos. Curiosamente, o tamanho médio dos pRFs foi significativamente maior no hemisfério lesionado, indicando reorganização funcional compensatória. Além disso, o grupo do hemisfério contralesional apresentou tamanho médio de PRFs significativamente maior do que o controlo, ou seja, sugerindo a presença de remapeamento também no hemisfério “saudável” de pacientes com AVC. A maior variabilidade nos dados de tamanho de pRF e a menor variância explicada no hemisfério contralesional em comparação com os controlos sugerem que tanto o hemisfério ipsilesional quanto o contralesional sofrem, este último indiretamente, com a lesão.Adicionalmente, avaliou-se a densidade sináptica através da [11C]-UCB-J PET em dois doentes com AVC e um controlo saudável. Identificou-se uma diminuição, mas sem perda total, da densidade sináptica dentro da lesão. Um ligeiro aumento da densidade sináptica também foi identificado na borda da lesão (tecido lesado na fronteira com o tecido saudável), indicando a possibilidade de neurónios não danificados em redor da lesão possam estabelecer novas conexões sinápticas (indicador de neuroplasticidade putativa em doentes com AVC).Além disso, observou-se que o Centrum Semiovale (CS) pode não ser uma boa região de referência para a determinação do SUVR em doentes com AVC, porque estes doentes podem apresentar lesões da substância branca no CS e a sua fisiopatologia pode influenciar na ligação inespecífica do radiofármaco nesta estrutura. Verificou-se que um dos doentes com AVC apresentou um SUV ligeiramente menor no CS do que o controlo.Resumindo, descobrimos evidências promissoras de reorganização dos pRFs no sulco calcarino e de integridade molecular (densidade sináptica) moderada em resposta à perda visual originada pelo AVC. Será necessário perceber se esse remapeamento é uma adaptação de curto-prazo ou um mecanismo de longo prazo. Estes fenómenos de neuroplasticidade devem ser tidos em conta, uma vez que são cruciais para o desenvolvimento de novas estratégias personalizadas de reabilitação e restauração no AVC.