Background: The optic pathway is preferentially targeted by inflammatory central nervous system diseases such as neuromyelitis spectrum disorders (NMOSD). The neurodegenerative damage that follows an optic neuritis may involve the entire visual pathway. Currently there is no validated method available to evaluate this damage on conventional MRI. Axons from both optic nerves merge at the optic chiasm, making it a promising imaging marker of neurodegenerative changes of the anterior optic pathway. Objectives: The aim of this dissertation project was to investigate whether neurodegenerative changes of the anterior optic pathway can be detected by measuring optic chiasm dimensions. Therefore, we hypothesized that neurodegenerative changes of the anterior optic pathway manifest in a reduction of optic chiasm dimensions and that optic chiasm dimensions in conventional 3D T1- weighted MR images are sensitive to neurodegenerative changes of anterior optic pathway. Materials and Methods: In a cross-sectional study, we used NMOSD as a model of severe optic pathway damage and measured optic chiasm dimensions of 39 aquaporin 4-IgG-seropositive NMOSD patients, of which 25 had a history of optic neuritis (NMOSD-ON), and 37 age- and sex- matched healthy control participants. To test our hypothesis optic chiasm dimensions between patients and healthy control participants were compared. The sensitivity with which these predict the presence of damage of the anterior optic pathway was assessed in a receiver operating characteristics analysis. Additional associations with structural measures of the anterior optic pathway (optic nerve atrophy in MRI, retinal ganglion cell loss in optical coherence tomography (OCT)) and clinical parameters (visual acuity as logarithm of the minimum angle of resolution (logMAR) and disease duration) were analyzed. Results: Compared to healthy control participants optic chiasm height and area were smaller in NMOSD-ON patients (p<0.0001) and NMOSD-NON patients (p<0.01). An optic chiasm area smaller than 22.5 mm2 yielded a sensitivity of 0.92 and a specificity of 0.92 in differentiating the optic chiasm of NMOSD-ON from healthy control participants. The optic chiasm area correlated with structural measures of the anterior optic pathway in NMOSD-ON, i.e. optic nerve diameter (r=0.4, p=0.047), peripapillary retinal nerve fiber layer thickness (r=0.59, p=0.003)) and clinical parameters, e.g. visual acuity (r=-0.57, p=0.013) and disease duration (r=-0.5, p=0.012). Conclusion: Optic chiasms are significantly smaller in NMOSD patients compared to healthy control patients. The optic chiasm area, as measured with conventional MRI, is associated with structural measures of the anterior optic pathway and clinical parameters. Our results suggest that optic chiasm dimensions are promising and easily accessible imaging markers for the assessment of neurodegenerative changes of the anterior optic pathway.
Hintergrund: Das visuelle System ist in neuroinflammatorischen Erkrankungen wie Neuromyelitis optica häufig betroffen. Neurodegenerativer Schaden nach Optikusneuritis kann die gesamte optische Bahn betreffen. Aktuell gibt es keine validierte Methode zur Beurteilung neurodegenerativen Schadens der anterioren optischen Bahn auf Routine-MRT Aufnahmen. Axone beider Nervi optici laufen im Chiasma opticum zusammen, was es zu einem vielversprechenden Bildgebungsmarker neurodegenerativer Veränderungen der anterioren optischen Bahn macht. Ziel: Ziel war es zu untersuchen, ob neurodegenerative Veränderungen der anterioren optischen Bahn am Chiasma opticum sensitiv und zuverlässig detektierbar sind. Unsere Hypothese ist, dass sich neurodegenerative Veränderungen der anterioren optischen Bahn durch Atrophie des Chiasma opticums manifestieren und, dass Größenparameter des Chiasma opticums in konventionellen 3D T1-gewichteten MRT Aufnahmen sensitiv gegenüber dieser Veränderungen sind. Methoden: In einer Querschnittsstudie wurden Patienten mit NMOSD als Modell für schweren Schaden der anterioren optischen Bahn untersucht. Die Größenparamenter Höhe, Breite, Fläche des Chiasma opticums von 39 Aquaporin-4-IgG seropositiven NMOSD Patienten (davon 25 mit Optikusneuritis Anamnese) und 37 in Alter und Geschlecht gematchte, gesunde Kontrollprobanden wurden bestimmt und verglichen. Sensitivität und Spezifität, mit der diese Parameter Schaden der anterioren optischen Bahn nachweisen, wurden in einer Receiver Operating Characteristics Analyse untersucht. Es wurden Assoziationen mit strukturellen Parametern der anterioren optischen Bahn (Nervus opticus Atrophie im MRT, Verlust retinaler Ganglionzellen im OCT) und klinischen Parametern (Sehschärfe als logMAR, Krankheitsdauer) analysiert. Ergebnisse: Verglichen mit Kontrollprobanden waren Höhe und Fläche des Chiasma opticums signifikant kleiner in NMOSD-Patienten, sowohl bei Patienten mit Optikusneuritis Anamnese (NMOSD- ON p<0.0001) als auch ohne (NMOSD-NON p<0.01). Eine Chiasma opticum Fläche von kleiner als 22.5mm2 trennte NMOSD-ON Patienten von Kontrollprobanden mit einer Sensitivität von 0.92 und einer Spezifität von 0.92. Die Chiasma opticum Fläche korrelierte mit strukturellen Maßen der anterioren optischen Bahn in NMOSD-ON Patienten, z.B. Nervus opticus Durchmesser (r=0.4, p=0.047), pRNFL Dicke (r=0.59, p=0.003), und mit klinischen Parametern, wie der Sehschärfe (r=-0.57, p=0.013) und der Krankheitsdauer (r=-0.5, p=0.012)). Schlussfolgerung: Zwischen NMOSD-Patienten und Kontrollprobanden bestehen deutliche Größenunterschiede des Chiasma opticums. Diese sind mit strukturellen Maßen der anterioren optischen Bahn und klinischen Parametern assoziiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Größenparameter des Chiasma opticums vielversprechende und einfach zugängliche Bildgebungsmarker für die Beurteilung neurodegenerativer Veränderungen der anterioren optischen Bahn sind.
