7T 1H-MRS of thalamus and hypothalamus in chronic cluster headache: A pilot study

Abstract

Bakgrunn: Klasehodepine er en primær hodepine, den største innen gruppen Trigeminale autonome cephalalgier. Pasienter med kronisk klasehodepine opplever hyppige, smertefulle attakker med korte remisjonsperioder. Sentralt for patofysiologien i klasehodepine er justeringen av terskelverdier i de tre systemene: det trigeminovaskulære system, den trigeminal-autonome refleks og hypothalamus. I tillegg er det vist at pasienter med klasehodepine har dysfunksjon i et bredt spekter av neuronal nettverk og anatomiske regioner. GABA og glutamat er viktige nevrotransmittere for modulering av nocisepsjon i hypothalamus og dermed viktige for å forstå smerten som oppstår ved klasehodepine. Magnetisk resonans spektroskopier en non-invasiv metode som gir informasjon om ulike vevsmetabolitter. Ved bruk a høyere feltstyrke, 7T, og en egnet 1H MRS-protokoll, er det mulig å fremstille det biokjemiske miljøet i hypothalamus og thalamus hos pasienter med kronisk klasehodepine mer detaljert enn tidligere. Målet med denne studien var å undersøke i hvilken grad det var gjennomførbart å rekruttere pasienter med kronisk klasehodepine til MR-undersøkelse, undersøke spekter kvaliteten gitt ved en ny 7T MRS-protokoll og sammenligne interiktale metabolittkonsentrasjoner fra thalamus og hypothalamus i kronisk klasehodepine pasienter og friske kontroller. Metode: 17 deltakere, 10 av dem pasienter med kronisk klasehodepine og 7 friske kontroller, ble inkludert i analysene. Absolutt metabolittkonsentrasjoner og metabolittratioer fra 14 metabolitter ble sammenlignet mellom de to gruppene. Resultat: Det forelå en signifikant lavere absoluttkonsentrasjon av NAA i ipsilaterale thalamus i pasienter med kronisk klasehodepine sammenlignet med thalamus fra friske kontroller og kontralaterale thalamus fra kronisk klasehodepine pasienter (gjennomsnittsdifferanse -0.44, 95% KI - 0.87 – 0.08, p-verdi=0.022). Ved å se på pasient populasjonen alene, fant vi en lignende tendens i NAA forskjeller mellom ipsilaterale thalamus og kontralaterale thalamus, men dog ikke statistisk signifikant (gjennomsnitt for kontra-thalamus 9.14±0.75, gjennomsnitt for ipsi-thalamus 8.65±0.63, gjennomsnittsdifferanse 0.49, KI -0.05 – 1.03, p-verdi=0.07). Denne preliminære studien klarte ikke å vise en reduksjon av NAA i hypothalamus for pasienter med cCH, slik som Wang et al. (1) demonstrerte i for episodisk klasehodepine pasienter. Konklusjon: 7T 1H MRS av thalamus og hypothalamus er gjennomførbart og gir spekter av høy kvalitet. Det ble demonstrert en reduksjon av NAA i ipsilaterale thalamus sammenlignet med kontralaterale thalamus og thalamus fra friske kontroller. Det ble ikke påvist metabolitt forskjeller i hypothalamus. Våre resultat gir grunnlag for en ny hypotese om at NAA er en mulig markør for neuronal dysfunksjon i thalamus hos pasienter med klasehodepine.

Background: Cluster headache is a primary headache disorder, the largest within trigeminal autonomic cephalalgias. Patients with chronic cluster headache undergo frequent, painful attacks with short remission periods. Modulation of thresholds in the trigeminovascular system, the trigeminal autonomic reflex and the hypothalamus seems to be crucial for pathological mechanisms in cluster headache. In addition, cluster headache patients display anatomical and widespread functional connectivity abnormalities across multiple networks and multiple cortical and subcortical areas in the brain. The neurotransmitters GABA and glutamate are important for modulating nociceptive information in the hypothalamus, thus making these metabolites vital for understanding the excessive pain in cluster headache. Magnetic resonance spectroscopy is a non-invasive method to investigate biochemical information in the tissue. With the use of higher field strength and an applicable 1H MRS protocol, the biochemical environment in the hypothalamus and thalamus of patients with chronic cluster headache could be displayed more thoroughly than earlier. The objectives of this study were to investigate the feasibility of recruiting patients with chronic cluster headache to MR scanning, investigate the spectral quality of a new 1H 7T MRS protocol and compare interictal metabolite concentration between chronic cluster patients and healthy controls in the thalamus and hypothalamus. Method: Seventeen participants, ten with chronic cluster headache and seven healthy controls, were included in the analyses. Hypothalamic and thalamic 1H MRS absolute metabolite concentrations and metabolite ratios from fourteen metabolites were collected. Comparisons were made. Results: A significant decrease in NAA metabolite concentration in thalamus located ipsilateral to the cluster headache was detected (mean difference -0.44, 95% CI -0.87 – 0.08, p-value=0.022), when comparing to a group of thalami from healthy volunteers and the contralateral patient thalamus. When restricting comparison to the chronic cluster headache population, NAA difference between ipsilateral thalamus and contralateral thalamus showed a similar tendency, though not statistically significant (mean contra-thalamus 9.14±0.75, mean ipsi-thalamus 8.65±0.63, mean difference 0.49, 95% CI -0.05 – 1.03, p-value=0.07). This preliminary study could not reproduce the reduction in NAA in the hypothalamus of chronic cluster headache patients, as previous demonstrated by Wang et al. (1). Conclusion: 7T 1H MRS of thalamus and hypothalamus is feasible and yields high-quality spectra. A reduction in NAA in thalamus ipsilateral to the cluster headache was demonstrated. No metabolic alterations in the hypothalamus were detected. Study results give merit to a new hypothesis that NAA might be a marker of neuronal dysfunction in the thalamus of patients with cluster headache.