Skip to main page content
U.S. flag

An official website of the United States government

Dot gov

The .gov means it’s official.
Federal government websites often end in .gov or .mil. Before sharing sensitive information, make sure you’re on a federal government site.

Https

The site is secure.
The https:// ensures that you are connecting to the official website and that any information you provide is encrypted and transmitted securely.

Access keys NCBI Homepage MyNCBI Homepage Main Content Main Navigation
. 2025 Jan 28.
doi: 10.1007/s00117-024-01414-w. Online ahead of print.

Diffusion tensor imaging features of white matter pathways in the brain after COVID-19 infection

Serdar Balsak  1 , Bahar Atasoy  2 , Fatma Yabul  3 , Ahmet Akcay  2 , Ismail Yurtsever  2 , Hayrettin Daskaya  4 , Yasemin Akkoyunlu  5 , Zeynep Donmez  2 , Aslı Yaman Kula  6 , Ozlem Toluk  7 , Alpay Alkan  2
Affiliations

Diffusion tensor imaging features of white matter pathways in the brain after COVID-19 infection

Serdar Balsak et al. Radiologie (Heidelb). .

Abstract
in English, German

Purpose: To determine whether there is a difference in apparent diffusion coefficient (ADC) and fractional anisotropy (FA) values in white matter pathways in the subacute period after COVID-19 infection and to evaluate the correlation between diffusion tensor imaging (DTI) metrics and laboratory findings.

Material and methods: The study included 64 healthy controls and 91 patients. Patients were classified as group 1 (all patients, n = 91), group 2 (outpatients, n = 58), or group 3 (inpatients, n = 33). The ADC and FA values were calculated from 10 distinct neuroanatomic localizations; DTI values were compared between groups.

Results: Decreased FA values in the cingulum, corpus callosum splenium and genu (CCS-CCG), forceps major, inferior fronto-occipital fasciculus (IFOF), and middle cerebellar peduncle (MCP) observed in group 1 compared with the control group. Group 1 showed elevated ADC values in CCG. Lower FA and higher ADC values in CCG were shown in group 3. The FA values for CCS, IFOF, and MCP in group 3 were lower than those in the control group. Group 3 had the highest ADC values in the CCS. Additionally, the FA values of the CCG were lower in group 3 than in group 2. Oxygen saturation levels and FA values in the CCG and SFOF exhibited a positive correlation.

Conclusion: We speculate that DTI changes in white matter pathways may be associated with axonal damage and demyelination due to impaired white matter integrity following COVID-19 infection during the subacute period.

Clinical significance: Our study showed with DTI findings that there is microstructural damage in white matter pathways in the subacute period of COVID-19 infection and that this damage is related to oxygen saturation levels. Many studies in the literature show that microstructural damage in white matter pathways can lead to clinical neurocognitive dysfunction. We suggest that these cases require more comprehensive studies investigating whether chronic white matter damage is reversible and examining its relationship with neurocognitive dysfunctions in the future.

Main points: Neurological involvement is not rare in COVID-19 infection. We examined various white matter pathways with DTI during the subacute period of COVID-19 infection. We showed changes in DTI parameters indicating a decrease in white matter integrity and microstructural damage in the subacute period follow-up of cases with COVID-19. We found that there was a positive correlation between oxygen saturation levels and decreased FA values in white matter tracts.

Zusammenfassung: ZIEL: Ziel war es zu untersuchen, ob ein Unterschied zwischen dem apparenten Diffusionskoeffizienten (ADC) und den Werten für fraktionale Anisotropie (FA) in den Bahnen der weißen Substanz in der subakuten Phase nach einer COVID-19-Infektion besteht, und die Korrelation zwischen Maßen der Diffusionstensorbildgebung (DTI) und Laborwerten zu ermitteln.

Material und methoden: In die Studie wurden 64 gesunde Kontrollen und 91 Patienten einbezogen. Die Patienten wurden als Gruppe 1 (Gesamtzahl der Patienten: n = 91), Gruppe 2 (ambulante Patienten: n = 58) oder Gruppe 3 (stationäre Patienten: n = 33) klassifiziert. Die Werte für ADC und FA wurden aus 10 verschiedenen neuroanatomischen Lokalisationen errechnet; die DTI-Werte wurden zwischen den Gruppen verglichen.

Ergebnisse: Es fanden sich verminderte FA-Werte im Bereich von Zingulum, Splenium und Genu des Corpus callosum (CCS-CCG), Forceps major, inferiorem Fasciculus frontooccipitalis (IFOF) und mittlerem Kleinhirnstiel (MCP) in Gruppe 1 im Vergleich zur Kontrollgruppe. Gruppe 1 wies erhöhte ADC-Werte im CCG auf. Niedrigere FA- und höhere ADC-Werte im CCG wurden in Gruppe 3 nachgewiesen. Die FA-Werte für CCS, IFOF und MCP in Gruppe 3 waren niedriger als die in der Kontrollgruppe. Gruppe 3 hatte die höchsten ADC-Werte im CCS. Außerdem waren die FA-Werte für das CCG in Gruppe 3 niedriger als in Gruppe 2. Die Sauerstoffsättigung und FA-Werte im CCG und SFOF wiesen eine positive Korrelation auf.

Schlussfolgerung: Seitens der Autoren wird vermutet, dass DTI-Veränderungen in den Bahnen der weißen Substanz möglicherweise mit Axonschädigungen und Demyelinisierung aufgrund beeinträchtigter Integrität der weißen Substanz nach einer COVID-19-Infektion während der subakuten Phase einhergehen.

Klinische bedeutung: Die vorliegende Studie zeigte anhand der DTI-Befunde, dass eine mikrostrukturelle Schädigung in den Bahnen der weißen Substanz in der subakuten Phase einer COVID-19-Infektion besteht und dass diese Schädigung zur Sauerstoffsättigung in Beziehung steht. Zahlreiche Studien in der Literatur zeigen, dass eine mikrostrukturelle Schädigung in den Bahnen der weißen Substanz zu klinischer neurokognitiver Funktionsstörung führen kann. Den Autoren zufolge sind für diese Fälle weitere umfassenden Studien erforderlich, um zu untersuchen, ob eine chronische Schädigung der weißen Substanz reversibel ist, und um deren Beziehung zu neurokognitiven Funktionsstörungen in der Zukunft zu bestimmen.

Hauptaspekte: Eine neurologische Beteiligung bei einer COVID-19-Infektion ist nicht selten. Verschiedene Bahnen aus weißer Substanz wurden mittels DTI während der subakuten Phase einer COVID-19-Infektion untersucht. Es wurden Veränderungen von DTI-Parametern nachgewiesen, die Hinweise auf eine Abnahme der Integrität der weißen Substanz und mikrostrukturelle Schäden während der Nachbeobachtung von Fällen mit einer COVID-19-Infektion in der subakuten Phase gaben. Zwischen der Sauerstoffsättigung und verminderten FA-Werten in den Bahnen der weißen Substanz stellte sich eine positive Korrelation heraus.

Keywords: Apparent diffusion coefficient (ADC); COVID-19; Diffusion tensor imaging (DTI); Fractional anisotropy (FA); White matter pathways.

PubMed Disclaimer

Conflict of interest statement

Declarations. Conflict of interest: S. Balsak, B. Atasoy, F. Yabul, A. Akcay, I. Yurtsever, H. Daskaya, Y. Akkoyunlu, Z. Donmez, A. Yaman Kula, O. Toluk and A. Alkan declare that they have no competing interests. Ethical Approval: All procedures performed in studies involving human participants were in accordance with the ethical standards of the institutional and/or national research committee and with the 1964 Helsinki Declaration and its later amendments or comparable ethical standards. This study was approved by the Bezmialem Vakif University Ethics Committee (19.01.2023-93354). Declaration of patient consent: The authors certify that they have obtained all appropriate patient consent forms. In the form the patient(s) has/have given his/her/their consent for his/her/their images and other clinical information to be reported in the journal. The patients understand that their names and initials will not be published and due efforts will be made to conceal their identity, but anonymity cannot be guaranteed. The supplement containing this article is not sponsored by industry.

Similar articles

See all similar articles

References

    1. Yachou Y, El Idrissi A, Belapasov V, Ait Benali S (2020) Neuroinvasion, neurotropic, and neuroinflammatory events of SARS-CoV-2: understanding the neurological manifestations in COVID-19 patients. Neurol Sci 41(10):2657–2669. https://doi.org/10.1007/s10072-020-04575-3 - DOI - PubMed - PMC
    1. Liotta EM, Batra A, Clark JR et al (2020) Frequent neurologic manifestations and encephalopathy-associated morbidity in Covid-19 patients. Ann Clin Transl Neurol 7(11):2221–2230. https://doi.org/10.1002/acn3.51210 - DOI - PubMed - PMC
    1. Lu Y, Li X, Geng D et al (2020) Cerebral Micro-Structural Changes in COVID-19 Patients—An MRI-based 3‑month Follow-up Study. EClinicalMedicine 25:100484. https://doi.org/10.1016/j.eclinm.2020.100484 - DOI - PubMed - PMC
    1. Hu J, Jolkkonen J, Zhao C (2020) Neurotropism of SARS-CoV‑2 and its neuropathological alterations: Similarities with other coronaviruses. Neurosci Biobehav Rev 119:184–193. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2020.10.012 - DOI - PubMed - PMC
    1. Luís ME, Hipólito-Fernandes D, Mota C, Maleita D, Xavier C, Maio T, Cunha JP, Ferreira TJ (2020) A Review of Neuro-Ophthalmological Manifestations of Human Coronavirus Infection. Eye Brain 30(12):129–137. https://doi.org/10.2147/EB.S268828 - DOI

LinkOut - more resources