Objective: The aim of the study is to investigate potential neuroplastic changes in stroke patients as a response to an intense experimental rehabilitation program. The program consisted of combined brain stimulation and motoric training. With the use of diffusion tensor imaging, potential structural changes were investigated longitudinally in a pre-post-treatment comparison. Methods: Ten healthy subjects were scanned to develop the protocol for tract reconstruction and to investigate inter-subject, inter-session and intra-session variability. Seven out of the ten subjects were scanned again at another timepoint in order to assess inter-session variability. Furthermore, five chronic stroke patients showing motor impairment underwent DTI before and after an experimental neurorehabilitation program including 10 days of transcranial direct current stimulation (30 min per day) and simultaneous occupational therapy (1 hour per day). A group of five age-matched healthy subjects served as control group to the patients. Fractional anisotropy (FA), apparent diffusion coefficient (ADC), and radial and axial diffusivity were determined for the pyramidal tract (PT) and alternate motor fibers (aMF). Indices of hemispheric asymmetry of these parameters were calculated for each patient. Results: In the group of healthy subjects, variability, expressed as coefficient of variation (CV) between subjects, was found to be the highest in all investigated DTI-derived measures: FA, axial diffusion (l1), radial diffusion (l2,3) and apparent diffusion coefficient (ADC). Inter-session- and intra-session CV, however, were not significantly different from each other. A group comparison (two-sample t-test) between patients and controls at baseline showed significantly higher diffusivity on the lesional hemisphere in patients than in controls. In the patient group, the improvement in motor function was paralleled by significant longitudinal changes in hemispheric asymmetry for ADC as well as axial and radial diffusivity due to enhanced diffusivity of lesional aMF post intervention. Changes in the patient group exceeded normal variability in the following parameters: FA, l1, ADC in the PT and a trend for l1 and ADC in aMF. Conclusions: Effects of stroke recovery could be detected in tract asymmetries of diffusivity parameters. Structural plasticity as a function of motor improvement was reflected in DTI-derived measures and might be used to evaluate therapeutic response to neurorehabilitation. However, high variability of DTI-derived measures has to be taken into account when investigating changes of small magnitude.
Zielsetzung: Ziel der Studie ist die Untersuchung möglicher neuroplastischer Veränderungen bei Schlaganfallpatienten als Antwort auf ein intensives, experimentelles Rehabilitationsprogramm. Das Rehabilitationsprogramm besteht aus einer Kombination von Hirnstimulation und motorischem Training. Mit der Technik der Diffusions-Tensor-Bildgebung wurden mögliche strukturelle Veränderungen longitudinal untersucht, indem der Zustand vor und nach Therapie verglichen wurde. Methodik: Zehn gesunde Probanden erhielten eine Diffusions- Tensor-Bildgebung auf Basis derer das Protokoll für die Traktrekonstruktion entwickelt wurde. Weiterhin wurde damit auf die Variabilitäten zwischen Probanden (inter-subject variability), zwischen Bildgebungseinheiten (inter- session variability) und zwischen einzelnen Sequenzen innerhalb einer Einheit (intra-session variability) untersucht. Fünf Schlaganfallpatienten im chronischen Stadium, die motorische Defizite aufwiesen, erhielten vor und nach einer experimentellen neurorehabilitativen Therapieeinheit eine Diffusions- Tensor-Bildgebung. Die Therapieeinheit erstreckte sich über zehn Tage und umfasste eine Hirnstimulation in Form der transkraniellen Gleichstromstimulation (30ˆmin pro Tag) sowie simultanes motorisches Training (Eine Stunde pro Tag). Eine Gruppe von fünf gesunden Probanden mit gleicher Altersverteilung diente als Kontrollgruppe. Für die Pyramidenbahn (PT) und für andere motorische Bahnen (aMF) wurden Die fraktionierte Anisotropie (FA), der scheinbare Diffusionskoeffizient (ADC) sowie radiale und axiale Diffusion bestimmt. Indices für hemisphärische Asymmetrie wurde für jeden Patienten/Probanden berechnet. Ergebnisse: Die Variabilität (ausgedrückt als Variationskoeffizient) war in allen untersuchten Parametern (FA, axiale Diffusion (1), radiale Diffusion (2,3) und ADC) am höchsten zwischen den Probanden. Inter-session Variabilität und Intra-session Variabilität hingegen, unterschieden sich nicht signifikant voneinander. Ein Gruppenvergleich (Zweistichproben-t-Test) zwischen Patienten und der Kontrollgruppe zum Ausgangszeitpunkt ergab eine signifikant höhere Diffusivität in der vom Schlaganfall betroffenen Hemisphäre im Vergleich zu den gesunden Probanden. Die Verbesserung motorischer Fertigkeiten der Patienten war begleitet von signifikanten longitudinalen Veränderungen der Asymmetrieindices bezüglich ADC sowie radialer und axialer Diffusion aufgrund von verstärkter Diffusivität der aMF auf der betroffenen Seite nach therapeutischer Intervention. Die Änderungen in der Patientengruppe gingen in den folgenden Parametern über die normale Variabilität hinaus: FA, 1, ADC in der Pyramidenbahn sowie Trends in 1 und ADC in anderen motorischen Bahnen. Konklusion: Die Effekte der Schlaganfallrehabilitation konnten auf Bildgebungsebene in Form von Diffusivitätsasymmetrien der untersuchten Parameter gezeigt werden. Strukturelle Plastizität, begleitet von einer Verbesserung motorischer Fertigkeiten, spiegelte sich in den DTI-spezifischen Parametern wider. Dies könnte zukünftig genutzt werden, um das Ansprechen auf neurorehabilitative Therapien zu evaluieren. Allerdings muss die hohe Variabilität bei der Anwendung von DTI besonders bei der Untersuchung geringfügiger Änderungen beachtet werden.
