[論文レビュー] Probing axonal swelling with time dependent diffusion MRI

Hong‐Hsi Lee, Antonios Papaioannou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2019

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications参考文献 48被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、縦方向拡散係数の拡散時間依存性にべき乗則の依存関係を特定することで、マイクロメータースケールの軸索径の変動および病理的ビードリングを検出する時間依存型拡散MRI法を提案する。複数の多発性硬化症病変において時間依存性が低下していることが明らかとなり、臨床的実用性を持つ微細構造病変への感受性を示している。

ABSTRACT

MRI provides a unique non-invasive window into the brain, yet is limited to millimeter resolution, orders of magnitude coarser than cell dimensions. Here we show that diffusion MRI is sensitive to the micrometer-scale variations in axon caliber or pathological beading, by identifying a signature power-law diffusion time-dependence of the along-fiber diffusion coefficient. We observe this signature in human brain white matter, and uncover its origins by Monte Carlo simulations in realistic substrates from 3d electron microscopy of mouse corpus callosum. Simulations reveal that the time-dependence originates from axon caliber variation, rather than from mitochondria or axonal undulations. We report a decreased amplitude of time-dependence in multiple sclerosis lesions, illustrating the sensitivity of our method to axonal beading in a plethora of neurodegenerative disorders. This specificity to microstructure offers an exciting possibility of bridging across scales to image cellular-level pathology with a clinically feasible MRI technique.

研究の動機と目的

• マイクロメータースケールの軸索微細構造に感受性を示す臨床的実用性のあるMRI技術の開発。
• ミトコンドリアや折りたたみなど他の細胞小器官的特徴と区別して、軸索径の変動を特定すること。
• 多発性硬化症などの神経変性疾患における病理的軸索ビードリングの検出。
• MRIと細胞レベル神経解剖学の間の解像度ギャップを埋めること。
• ヒトデータおよび電子顕微鏡画像に基づくモンテカルロシミュレーションを用いた手法の妥当性検証。

提案手法

• 本手法は、拡散MRIシーケンスにおける縦方向拡散係数の時間依存性を分析する。
• 拡散時間に伴う拡散係数のべき乗則的スケーリングが、軸索径の変動の特徴として特定される。
• マウス内側頭索の3次元電子顕微鏡再構築画像を用いて、現実的な軸索幾何形状における拡散をモデル化するためのモンテカルロシミュレーションを実施する。
• ミトコンドリアや軸索の折りたたみなどの他の微細構造的要因からの寄与を分離する。
• ヒト脳白質データを用いて、時間依存性拡散シグネチャの検出を検証する。
• 本手法により、多発性硬化症などの病理的状態における微細構造的変化の定量的評価が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間依存型拡散MRIは、従来のMRI解像度では検出できないマイクロメータースケールの軸索径の変動を検出可能か？
• RQ2 観察された拡散係数の時間依存性の起源は何か—軸索径の変動、ミトコンドリア、それとも軸索の折りたたみか？
• RQ3 多発性硬化症などの神経変性疾患において、時間依存性の振幅は変化するか？
• RQ4 本手法は、生体内で細胞レベルの病変を画像化するための臨床的実用的手段を提供可能か？
• RQ5 拡散係数の時間依存性におけるべき乗則的スケーリングは、実際の軸索微細構造とどのように関係しているか？

主な発見

• 縦方向拡散係数は、拡散時間に対してべき乗則的依存を示し、これが軸索径の変動の特徴として機能する。
• 軸索径が一様なシミュレーションではこの時間依存性が認められないことから、その起源が径のフラクチュエーションに起因することを確認した。
• モンテカルロシミュレーションにより、時間依存性が軸索径の変動に起因し、ミトコンドリアや軸索の折りたたみとは無関係であることが裏付けられた。
• ヒト白質においても、べき乗則のシグネチャが一貫して観察され、その生理的関連性が検証された。
• 多発性硬化症病変では、時間依存性の振幅が顕著に低下しており、これは軸索ビードリングまたは径の破綻を示唆している。
• 本手法は、従来のMRIでは到達できなかったスケールの微細構造病変に対して感受性を示した。