Association Between Changes in White Matter Volume Detected With Diffusion Tensor–Based Morphometry and Motor Recovery After Stroke

Matthew A. Edwardson, 1,2 Amritha Nayak,3,4,5 M. Okan Irfanoglu, 3 Marie L. Luby, 6 Lawrence L. Latour, 6 and

Carlo Pierpaoli 3

Neurology ® 2025;104:e213408.

doi:10.1212/WNL.0000000000213408

Abstract

Background and Objectives

Diffusion tensor–based morphometry (DTBM) provides a more accurate assessment of volumetric changes in white matter structures than conventional T1-based TBM techniques. We sought to determine whether DTBM could detect volume loss in the corticospinal tract (CST) and whether this marker was associated with impaired stroke recovery.

Methods

Retrospective clinical MRI scans were obtained from a cohort of participants enrolled in a natural history study with acute anterior circulation ischemic stroke and unilateral arm impairment (NIH Stroke Scale [NIHSS] arm motor item score ≥2). Maps of the change in fractional anisotropy (delta FA) and the DTBM log of the Jacobian (LnJ, representing volumetric change) between scans, acquired <36 hours and 30 days after stroke, were computed. Voxel-wise Spearman rank–based analysis identified clustered regions of interest (ROIs) where the delta FA and LnJ from baseline to 30 days correlated with individual arm motor recovery scores on the NIHSS from baseline to 30 days. Qualitative comparisons were made between delta FA and LnJ maps for good and poor recovery groups (delta NIHSS arm item score ≥2 or <2, respectively) in reference to controls.

Results

Twenty-one participants with anterior circulation stroke were evaluated (mean age 63.6 years, median NIHSS arm motor item score 4, 48% female). Voxel-wise statistical maps identified 2 ROIs for delta FA and 4 ROIs for LnJ showing strong correlations with arm motor recovery (range of Spearman ρ = 0.77–0.81, all p < 0.01). The delta FA ROIs included the corona radiata and adjacent white matter, whereas LnJ ROIs included the centrum semiovale, corona radiata, internal capsule, and pons. Visual inspection of the average delta FA map from participants with poor arm motor recovery showed diffuse changes in the CST and adjacent subcortical regions while LnJ maps demonstrated more focal CST changes, particularly in the brainstem and internal capsule.

Discussion

DTBM detects focal volume loss in the CST over the first 30 days after stroke likely related to Wallerian degeneration. These volumetric changes may provide complementary information to FA in characterizing white matter loss after stroke. Like FA, DTBM shows strong correlations with arm motor recovery that could be useful for predicting recovery after stroke.

Clustered Regions of Interest Showing the Strongest Voxel-Wise Correlation Between Delta Fractional Anisotropy and Arm Motor Recovery From Baseline (<36 hours) to 30 Days After Stroke

Clustered Regions of Interest Showing the Strongest Voxel-Wise Correlation Between Change in Volume (LnJ) and Arm Motor Recovery From Baseline (<36 hours) to 30 Days After Stroke

Group-Level Data for Acute MD, Delta Fractional Anisotropy, and Change in Volume (LnJ) for Participants With Poor and Good Arm Motor Recovery Over the First Month After Stroke

배경 및 목표

확산 텐서 기반 형태 계측(DTBM)은 기존의 T1 기반 TBM 기법보다 백질 구조의 부피 변화를 보다 정확하게 평가할 수 있다. 본 연구에서는 DTBM이 피질척수로(CST)의 부피 감소를 감지할 수 있는지, 그리고 이 지표가 뇌졸중 회복 장애와 관련이 있는지를 확인하고자 하였다.

방법

자연 경과 연구에 등록된 급성 전순환계 뇌졸중 환자 중 편측 상지 장애(국립보건원 뇌졸중 척도 [NIHSS] 상지 운동 항목 점수 ≥2)를 가진 참가자들의 임상 MRI 영상을 후향적으로 분석하였다.뇌졸중 발생 후 36시간 이내와 30일 후에 촬영된 스캔을 비교하여, 분획 이방성 변화(delta FA)와 DTBM 로그 야코비안(LnJ, 부피 변화 지표) 맵을 생성하였다.각 참가자의 NIHSS 상지 운동 점수 변화(기저선에서 30일까지)와 delta FA 및 LnJ 변화 간의 상관관계를 평가하기 위해 보셀 단위의 스피어만 순위 상관 분석을 수행하여 관심 영역(ROI)을 식별하였다.또한, 회복이 좋은 그룹(delta NIHSS 상지 점수 ≥2)과 회복이 나쁜 그룹(delta NIHSS 상지 점수 <2)의 delta FA 및 LnJ 맵을 대조군과 비교하여 정성적 분석을 수행하였다.

결과

전순환계 뇌졸중 환자 21명을 분석하였으며, 평균 연령은 63.6세, NIHSS 상지 운동 항목 점수의 중앙값은 4점이었고, 여성 비율은 48%였다.보셀 단위의 통계 분석 결과, delta FA와 arm motor recovery 간 상관관계가 높은 2개의 ROI(코로나 방사 및 인접 백질), LnJ와 상관관계가 높은 4개의 ROI(반란 중심, 코로나 방사, 내낭, 뇌교)가 확인되었다(Spearman ρ = 0.77–0.81, 모두 p < 0.01).상지 운동 회복이 나쁜 그룹의 평균 delta FA 맵에서는 CST 및 인접 피질하 영역 전반에 걸친 확산성 변화가 관찰되었으며, LnJ 맵에서는 특히 뇌간과 내낭에서의 국소적인 CST 변화가 뚜렷했다.

결론

DTBM은 뇌졸중 후 첫 30일 동안 CST에서 발생하는 국소적인 부피 감소를 감지할 수 있으며, 이는 왈러 변성(Wallerian degeneration)과 관련이 있을 가능성이 크다.이러한 부피 변화는 뇌졸중 후 백질 소실을 특성화하는 데 있어 FA를 보완하는 정보를 제공할 수 있다.FA와 마찬가지로 DTBM 또한 상지 운동 회복과 강한 상관관계를 보이며, 이는 뇌졸중 후 회복 예측에 유용하게 활용될 수 있다.