[論文レビュー] SANDI: a compartment-based model for non-invasive apparent soma and neurite imaging by diffusion MRI

Marco Palombo, Andrada Ianuș+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2019

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications参考文献 84被引用数 26

ひとこと要約

SANDIは、灰白質の両方におけるマイクロスケール画像を向上させるために、胞体コンpartimentを明示的に組み込んだコンpartimentベースの拡散MRIモデルである。ニューライトと胞体を別個のコンpartimentとしてモデル化することにより、非侵襲的に顕在的胞体およびニューライト信号分率をマッピング可能となり、高b値におけるヒストロロジカルパターンに類似した脳のシトおよびミエロアーキテクチャ対比を、ヒトおよびマウス脳で明らかにする。

ABSTRACT

This work introduces a compartment-based model for apparent soma and neurite density imaging (SANDI) using non-invasive diffusion-weighted MRI (DW-MRI). The existing conjecture in brain microstructure imaging trough DW-MRI presents water diffusion in white (WM) and grey (GM) matter as restricted diffusion in neurites, modelled by infinite cylinders of null radius embedded in the hindered extra-neurite water. The extra-neurite pool in WM corresponds to water in the extra-axonal space, but in GM it combines water in the extra-cellular space with water in soma. While several studies showed that this microstructure model successfully describe DW-MRI data in WM and GM at b<3 ms/{\mum^2}, it has been also shown to fail in GM at high b values (b>>3 ms/{\mum^2}). Here we hypothesize that the unmodelled soma compartment may be responsible for this failure and propose SANDI as a new model of brain microstructure where soma (i.e. cell body of any brain cell type: from neuroglia to neurons) is explicitly included. We assess the effects of size and density of soma on the direction-averaged DW-MRI signal at high b values and the regime of validity of the model using numerical simulations and comparison with experimental data from mouse (bmax = 40 ms/{/mum^2}) and human (bmax = 10 ms/{\mum^2}) brain. We show that SANDI defines new contrasts representing new complementary information on the brain cyto- and myelo-architecture. Indeed, we show for the first-time maps from 25 healthy human subjects of MR soma and neurite signal fractions, that remarkably mirror contrasts of histological images of brain cyto- and myelo-architecture. Although still under validation, SANDI might provide new insight into tissue architecture by introducing a new set of biomarkers of potential great value for biomedical applications and pure neuroscience.

研究の動機と目的

• 高b値における既存の拡散MRIモデルが灰白質で失敗する問題を、胞体コンpartimentを明示的にモデル化することで解決すること。
• ニューライトと胞体の寄与を区別するコンpartimentベースのモデルを開発すること。
• 臨床的b値を用いて、非侵襲的かつin vivoで顕在的胞体およびニューライト密度を画像化すること。
• マウスおよびヒト脳の実験データを用いて、さまざまなb値におけるモデルの妥当性を検証すること。
• 脳のシトおよびミエロアーキテクチャの下位構造を反映する新しいMRI対比を生成すること。

提案手法

• モデルは、胞体を球形または楕円体の体積として、拡散が制限された状態でモデル化する、従来の拡散MRIを拡張したものである。
• 全拡散信号は、ニューライト（無限大の円筒としてモデル化）と胞体（球形コンpartiment）およびニューライト外水の寄与の合計として定式化される。
• コンpartiment固有の拡散係数および体積分率を用いて、Stejskal-Tanner式を用いて信号を計算する。
• 高b値における胞体サイズ、密度、方位分散に対するモデルの感度を評価するために、数値シミュレーションが用いられる。
• モデルは、in vivoマウス（bmax = 40 ms/μm²）およびヒト（bmax = 10 ms/μm²）データセットを用いて検証される。
• SANDIが導出した信号分率は、25名の健常ヒト被験者において、ヒストロロジカルリファレンスと比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高b値における灰白質の拡散MRI信号モデリングの正確性を、胞体コンpartimentを明示的にモデル化することで向上させることができるか？
• RQ2 胞体サイズおよび密度は、高b値領域における方向平均拡散信号にどのように影響するか？
• RQ3 SANDIが導出した信号分率は、既知の脳のシトおよびミエロアーキテクチャパターンを反映しているか？
• RQ4 SANDIは、ヒト脳組織のヒストロロジカル染色パターンを模倣する新しいMRI対比を生成できるか？
• RQ5 SANDIの有効範囲は、さまざまなb値および種においてどのように変化するか？

主な発見

• SANDIは、従来のモデルが失敗する高b値領域を含め、マウスおよびヒト脳の広範なb値範囲において、拡散信号を成功裏にモデル化した。
• モデルは、高b値における灰白質の信号減衰に、モデル化されていない胞体が顕著に寄与していることを明らかにした。これは、過去のモデルの不正確さの原因を説明する。
• 25名の健常ヒト被験者におけるSANDIが導出した顕在的胞体およびニューライト信号分率は、シトおよびミエロアーキテクチャのヒストロロジカル染色と強く空間的整合性を示した。
• SANDIが導く信号分率は、従来の拡散マイクロスケールモデルでは捉えきれない新しいMRI対比を生み出した。
• 数値シミュレーションにより、胞体サイズおよび密度が拡散信号に測定可能かつ予測可能な影響を及ぼすことが確認され、モデルの生物学的根拠が裏付けられた。
• SANDIは、非侵襲的かつin vivoで、胞体およびニューライト密度という2つの補完的組織マイクロスケール成分をマッピング可能にした。これにより、神経科学および臨床応用分野における新しいバイオマーカーが得られた。