Construction d'un atlas de la microstructure de la matière blanche de la moelle épinière chez le rat à partir d'acquisitions histologiques

Les maladies neurodégénératives telles que la sclérose en plaques multiple affectent les axones de la matière blanche de la moelle épinière et plus précisément induisent une perte de la gaine de myéline qui entoure les axones. Pour pouvoir quantifier cette perte de myéline, il est nécessaire de réaliser des études histologiques de la matière blanche de la moelle épinière pour connaître, à chaque niveau vertébral, les informations sur la microstructure des différents tractus de la matière blanche telles que le diamètre axonal, la densité axonale, l'épaisseur de la gaine de myéline et le g-ratio (ratio du diamètre interne de la fibre myélinisée sur son diamètre externe). Les objectifs du projet de recherche sont de fournir le premier atlas de la matière blanche chez le rat construit à partir d'images histologiques ex vivo, à haute résolution, acquises le long de toutes les vertèbres et de les mettre en libre accès. Pour réaliser cette cartographie de la matière blanche de la moelle épinière chez le rat, nous avons optimisé les protocoles histologiques de routine de la matière blanche et utilisé une méthode d'acquisition au microscope électronique à balayage automatique pour pouvoir avoir les coupes de moelle complètes. Puis nous avons utilisé un logiciel de segmentation automatique AxonSeg pour avoir accès aux informations de chaque axone (diamètre, densité …) et développé une méthode pour moyenner les cartes histologiques entre chaque coupe histologique de même niveau vertébral et entre chaque rat et extraire ainsi les statistiques de ces cartes moyennées. Les résultats montrent un diamètre axonal moyen au niveau cervical pour les tracts fasciculus cuneatus, fasciculus gracilis, dorsal corticospinal, rubrospinal, réticulospinal, et vestibunal respectivement de 2.12±0.25 μm, 2.12±0.14 μm, 1.46±0.11 μm, 1,92±0.26 μm, 2.01±0.15 μm et 2.43±0.24 μm. Pour le niveau thoracique : 1.99±0.19 μm, 1.89±0.14 μm, 1.48±0.15 μm, 1.98±0.28 μm, 1.98±0.17 μm et 2.37±0.20 μm. Pour le niveau lombaire : 1.89±0.25 μm, 1.99±0.18 μm, 1.48±0.15 μm, 1.66±0.18 μm, 1.88±0.09 μm et 2.15±0.21 μm. Pour le niveau sacral : 1.88±0.29 μm, 1.87±0.20 μm, 1.41±0.07 μm, 1.53±0.15 μm, 1.84±0.10 μm et 2.09±0.22 μm. Ces valeurs sont similaires sur les moitiés droite et à gauche de la matière blanche. Cette étude montre pour la première fois une cartographie ex vivo du diamètre axonal (et d'autres métriques) de la matière blanche de la moelle épinière chez le rat le long des niveaux vertébraux, créant ainsi des opportunités pour des applications dans les maladies affectant la moelle épinière.

Abstract

Target clinical applications multiple sclerosis and a range of other neurological conditions. Many neurological diseases have hallmark histopathology such as neuronal loss, axonal degeneration, which can affect image intensities in different ways potentially allowing microstructure imaging techniques to detect them and grade their severity. Indeed, the ability to characterize the white matter microstructure has important applications in the understanding of neurodegenerative diseases. To quantify these hallmark histopathology, there is a need to know the white matter microstructural information such as axon diameter, axon density, myelin thickness, and g-ratio. This project proposes a method for a previously unaddressed problem, namely, mapping axon diameter (and other metrics) across vertebral levels, tracts and rats, using histology. We have develop a digital atlas of the adult rat spinal cords as a comprehensive framework for storing and accessing the myriad types of information about the rat spinal cord. This study shows for the first time ex vivo mapping of axon diameter, axon density, myelin thickness and g-ratio, in the white matter spinal cord across vertebral levels. In this study, (i) we acquire rat spinal cord (C1-S2) using scanning electron microscopy, (ii) measure microstructure metrics using axon and myelin segmentation, (iii) create maps of averaged metrics across rats, (iv) compute statistics within specific tracts and (v) Study the variability of axon morphology across rats, vertebral levels and tracts. Results show an average axon diameter for the fasciculus cuneatus, fasciculus gracilis, dorsal corticospinal, rubrospinal, reticulospinal, and vestibunal tracts respectively in cervical level of 2.12±0.25 μm, 2.12±0.14 μm, 1.46±0.11 μm, 1,92±0.26 μm, 2.01±0.15 μm and 2.43±0.24 μm. In thoracic level: 1.99±0.19 μm, 1.89±0.14 μm, 1.48±0.15 μm, 1.98±0.28 μm, 1.98±0.17 μm and 2.37±0.20 μm. In lumbar level: 1.89±0.25 μm, 1.99±0.18 μm, 1.48±0.15 μm, 1.66±0.18 μm, 1.88±0.09 μm and 2.15±0.21 μm. In sacral level: 1.88±0.29 μm, 1.87±0.20 μm, 1.41±0.07 μm, 1.53±0.15 μm, 1.84±0.10 μm and 2.09±0.22 μm. Values are similar across laterality (left-right). This atlas would create opportunities for applications in spinal cord diseases. Indeed, atlases are an invaluable aid in understanding the impact of such manipulations by providing a standard for comparison.