[論文レビュー] Universal power-law scaling of water diffusion in human brain defines what we see with MRI

Jelle Veraart, Els Fieremans+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2016

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications参考文献 20被引用数 28

ひとこと要約

本研究は、高b値における拡散MRI（dMRI）信号の普遍的なべき乗則スケーリングが、人間脳の水拡散に見られることを示しており、指数はα = 1/2である。この現象は、狭く透過性のないアキソンに閉じ込められた細胞内水に起因するものであり、神経組織モデルにおける1次元的制限拡散の根本的仮定を裏付けるものであり、dMRIが従来のMRI分解能よりはるかに低い微細構造的性質（例：アキソン密度や径）をプローブ可能にする。

ABSTRACT

Development of successful therapies for neurological disorders depends on our ability to diagnose and monitor the progression of underlying pathologies at the cellular level. Physics and physiology limit the resolution of human MRI to millimeters, three orders of magnitude coarser than the cell dimensions of microns. A promising way to access cellular structure is provided by diffusion-weighted MRI (dMRI), a modality which exploits the sensitivity of the MRI signal to micron-level Brownian motion of water molecules strongly hindered by cell walls. By analyzing diffusion of water molecules in human subjects, here we demonstrate that biophysical modeling has the potential to break the intrinsic MRI resolution limits. The observation of a universal power-law scaling of the dMRI signal identifies the contribution from water specifically confined inside narrow impermeable axons, validating the overarching assumption behind models of diffusion in neuronal tissue. This scaling behavior establishes dMRI as an in vivo instrument able to quantify intra-axonal properties orders of magnitude below the nominal MRI resolution, spurring our understanding of brain anatomy and function.

研究の動機と目的

• dMRIモデルの根幹をなす生物学的仮定、すなわち白質における水拡散が、狭く透過性のないアキソン内での1次元的制限拡散に支配されているという仮定を検証すること。
• 高b値におけるdMRI信号の漸近的スケーリングが、細胞内水の閉じ込めに起因する普遍的物理的原理であるかどうかを特定すること。
• 観察されたべき乗則的挙動（S ∝ b^−1/2）が、細胞外またはミエリン水の寄与ではなく、細胞内水に起因する唯一のものであることを確立すること。
• dMRIがコンpartment化モデルを裏付けることで、ノーマル解像度限界以下の微細構造的特徴をアクセス可能であるという実証的証拠を提供すること。
• 臨床的利用可能なb値範囲において完全に制限された水の割合（γ）が無視できるほど小さいことを確認し、dMRI解析におけるモデル簡略化を支持すること。

提案手法

• 臨床用スキャナを用いて、拡散時間t ≈ 50 ms、通常の臨床プロトコルよりも1桁以上高いb値までをカバーする高b値拡散画像データを人間被験者から取得した。
• b → ∞ における正規化dMRI信号S(b)の漸近的スケーリングを分析し、べき乗則形S(b) ≈ β·b^−α + γにフィットさせ、指数αを抽出した。
• 理論的モデリングにより、α = 1/2のスケーリングが、狭く透過性のないアキソン（スティック）内での1次元的制限拡散に起因するのみであり、細胞外拡散は指数関数的に減衰することを示した。
• アキソン拡散係数Dₐ∥とODF幅パrameter κを組み込んだ、ガウス（ウォーソン）分布を用いたスティック応答関数モデルを用いてdMRI信号をシミュレートした。
• 複素変数の留数計算と分岐カット解析を用いて、3次元ガウス応答関数の解析的積分を実行し、b値および拡散勾配方向依存の漸近的信号依存性を導出した。
• 実際のノイズ（SNR = 30）とノイズ除去/Ricianバイアス補正を施したシミュレートデータと照合し、べき乗則スケーリングの理論的モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人間白質におけるdMRI信号は、高b値で普遍的なべき乗則スケーリングを示すか？その指数は何か？
• RQ2 観察されたべき乗則スケーリングは、細胞内水拡散に起因する唯一のものであり、細胞外またはミエリン水に起因するものではないか？
• RQ3 指数α = 1/2は、理論的に予測されるように、神経組織内での1次元的制限拡散の普遍的サインであるか？
• RQ4 高b値領域における完全に制限された水の割合（γ）がdMRI信号に与える寄与は何か？無視できるか？
• RQ5 観察されたスケーリング挙動は、白質微細構造の生物物理学的dMRIモデルにおける基本的コンpartment化仮定を裏付けるか？

主な発見

• 人間白質におけるdMRI信号は、複数名の被験者および複数の画像プロトコルで確認された高b値領域において、普遍的なべき乗則スケーリング（指数α = 1/2）を示した。
• α = 1/2のスケーリングは、理論的モデリングおよび信号分解により、狭く透過性のないアキソンに閉じ込められた細胞内水に起因する唯一のものであると確認された。
• 細胞外水はb値の増加に伴い指数関数的に減衰する信号を寄与するため、高b値漸近領域では寄与が無視できることが確認された。
• 臨床的利用可能なb値範囲において、完全に制限された水の割合（γ）は無視できるほど小さいことが確認され、dMRI解析におけるモデル簡略化が正当化された。
• 観察されたべき乗則スケーリングは、白質内での1次元的スティックモデルが主要な拡散メカニズムであるという、初めての生体内実験的裏付けを提供した。
• 理論的導出により、漸近的信号形状S(b) ∝ b^−1/2が、アキソン拡散係数Dₐ∥とODF幅の相互作用に起因することが確認され、実際のノイズおよび取得条件のもとでもスケーリングが安定であることが示された。