[論文レビュー] Time-dependent diffusion in undulating structures: Impact on axon diameter estimation

Jan Brabec, Samo Lasič+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、生物学的組織に一般的に見られるうねうねとした軸索の軌道が、軸索径の推定に用いられる拡散MRI信号に与える歪みを調査している。著者らは、新しいうねうねとした細線形モデルを用いて、直線的な円筒を仮定することで、うねりの振幅および微視的方位分散に比例して、軸索径が系atically overestimated（系統的に過大評価）されることを示している。特に、スペクトルが円筒モデルから著しく逸脱する短い拡散時間において顕著である。

ABSTRACT

Diffusion MRI may enable non-invasive mapping of axonal microstructure. Most approaches infer axon diameters from effects of time-dependent diffusion on the diffusion-weighted MR signal by modelling axons as straight cylinders. Axons do not, however, run in straight trajectories and so far, the impact of the axonal trajectory on diameter estimation has not been systematically investigated. Here, we employ a toy-model of axons, which we refer to as undulating thin-fiber model, to analyze the impact of undulating trajectories on the diffusion-time dependence represented by the diffusion spectrum. We analyze the spectrum by its height (diffusivity at high frequencies), width (half width at half maximum), and low-frequency behavior (power law exponent). Results show that microscopic orientation dispersion of the thin-fibers is the main parameter that determines the characteristics of the diffusion spectra. Straight cylinders and undulating thin-fibers have virtually identical spectra at lower frequencies. If the straight-cylinder assumption is used to interpret data from undulating thin axons, the diameter is overestimated by an amount proportional to the undulation amplitude and the microscopic orientation dispersion. At high frequencies (short diffusion times), spectra from cylinders and undulating thin-fibers differ. The spectra from the undulating thin-fibers can also differ from that of cylinders by exhibiting power law behaviors with exponents below two. In conclusion, we argue that the non-straight nature of axonal trajectories should not be ignored when analyzing dMRI data and that careful experiments may enable separation of diffusion within straight cylinders and diffusion in undulating thin-fibers.

研究の動機と目的

• 非直線的軸索軌道が時間依存拡散MRI信号に与える影響を調査すること。
• うねうねとした軸索幾何学が拡散スペクトルおよびその後の軸索径推定に与える影響を評価すること。
• 拡散MRIモデリングにおいて一般的に仮定されている直線的円筒状の軸索という仮定に疑問を呈すること。
• うねうねとした繊維が直線的円筒と比較して、明確に異なる拡散スペクトルを示す条件を特定すること。
• dMRI実験において、直線的およびうねうねとした繊維からの信号を分離する可能性を検討すること。

提案手法

• 著者らは、正弦波的うねりを有する軸索軌道を模擬する理論的うねうねとした細線形モデルを構築した。
• 累積量展開およびガウス位相近似を用いて、時間依存拡散信号を計算した。
• 拡散スペクトルは、3つの主要な記述子（高周波数における拡散度（高さ）、半値全幅（幅）、低周波数における力学的指数）を用いて分析した。
• モデルは、さまざまなうねりの振幅および微視的方位分散の下で、うねうねとした繊維と直線的円筒の両方の拡散スペクトルを比較した。
• 分析は、特に短いおよび長い拡散時間における信号の周波数依存性に焦点を当てた。
• 理論的予測は、繊維の幾何学および拡散テンソル形式を用いて導出され、方位分散効果を組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軸索のうねうねとした幾何学は、拡散MRIにおける時間依存拡散スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 実際に軸索がうねっている場合、直線的円筒を仮定することで軸索径推定にどの程度バイアスが生じるか？
• RQ3 うねうねとした細線繊維の拡散スペクトルは、2未満の指数を示す力学的指数のべき乗則的挙動を示す可能性があるか？また、これは直線的円筒とどのように異なるか？
• RQ4 微視的方位分散は、うねうねとした繊維の拡散スペクトルの形状にどのような役割を果たすか？
• RQ5 dMRIデータにおいて、うねうねとした繊維からの信号を直線的円筒からの信号と区別できる条件は何か？

主な発見

• 低周波数では、うねうねとした細線繊維と直線的円筒の両方の拡散スペクトルはほぼ同一であり、長時間拡散測定にはほとんど影響がないことを示している。
• 短い拡散時間では、うねうねとした繊維のスペクトルは直線的円筒のものと著しく異なり、特に高周波数領域での挙動に顕著である。
• 拡散スペクトルの高さ（高周波数における拡散度）は、うねうねとした繊維において主に微視的方位分散によって決定される。
• うねうねた軸索からのデータに対して直線的円筒モデルを用いる場合、軸索径は系統的に過大評価され、その誤差はうねりの振幅および方位分散の両方に比例する。
• うねうねとした繊維の拡散スペクトルは、2未満の指数を示すべき力学的指数のべき乗則的挙動を示す可能性があり、これは標準的な円筒モデルでは捉えられていない特徴である。
• 本研究は、注意深く設計されたdMRI実験により、直線的およびうねうねとした繊維集団からの信号を分離可能であり、マイクロスケールマッピングの正確性が向上する可能性を示唆している。