[논문 리뷰] Probing axonal swelling with time dependent diffusion MRI

Hong‐Hsi Lee, Antonios Papaioannou외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 29.

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications참고 문헌 48인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 축성 방향 확산 계수의 확산 시간에 대한 거듭제곱 법칙 의존성 을 식별하여 마이크로미터 수준의 축성 축삭 굵기 변화와 병적 인 비드 형성 을 감지하는 시간에 따라 변하는 확산 MRI 방법을 제안한다. 이 방법은 다발성 경화증 병변에서 시간 의존성이 감소하는 것으로 나타나, 임상적으로 실현 가능한 방식으로 세포 수준의 병리학적 변화를 감지할 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임상적으로 실현 가능한 MRI 기법을 개발하여 마이크로미터 수준의 축성 세포질 구조에 민감하게 반응하도록 한다.
• 미토콘드리아나 굴곡과 같은 다른 세포소기관 특징과 축성 축삭 굵기 변화를 구별한다.
• 다발성 경화증과 같은 신경퇴행성 장애에서 병적 인 축성 비드 형성을 감지한다.
• MRI와 세포 수준의 신경해부학 간의 해상도 격차를 메운다.
• 전자현미경 데이터를 기반으로 한 몬테카를로 시뮬레이션과 함께 인간 데이터를 이용해 방법을 검증한다.

제안 방법

• 이 방법은 확산 MRI 시퀀스에서 축성 방향의 확산 계수의 시간 의존성을 분석한다.
• 확산 시간에 대한 확산 계수의 거듭제곱 법칙 스케일링을 축성 축삭 굵기 변화의 지표로 식별한다.
• 마우스 대뇌백색질의 3차원 전자현미경 재구성도를 기반으로 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 실제 축성 축삭 기하학적 구조에서의 확산을 모델링한다.
• 시뮬레이션은 미토콘드리아나 축성 축삭 굴곡과 같은 다른 세포질 특징에서 기인하는 기여를 분리한다.
• 시간 의존성 확산 서명을 감지하기 위해 인간 뇌 백질 데이터에서 방법을 검증한다.
• 이 접근법은 다발성 경화증과 같은 병적 상태에서의 세포질 변화를 정량화할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변하는 확산 MRI는 기존 MRI 해상도 이하의 마이크로미터 수준의 축성 축삭 굵기 변화를 감지할 수 있는가?
• RQ2 관찰된 확산 계수의 시간 의존성의 근본 원인은 축성 축삭 굵기 변화, 미토콘드리아, 또는 축성 축삭 굴곡 중 무엇인가?
• RQ3 다발성 경화증과 같은 신경퇴행성 병리에서 시간 의존성의 진폭은 변화하는가?
• RQ4 이 방법은 살아있는 상태에서 세포 수준의 병리학적 변화를 영상화할 수 있는 임상적으로 실현 가능한 방식인가?
• RQ5 확산 계수의 시간에 따른 거듭제곱 법칙 스케일링은 실제 축성 세포질 구조와 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 축성 방향의 확산 계수는 확산 시간에 대한 거듭제곱 법칙 의존성을 보이며, 이는 축성 축삭 굵기 변화의 지표로 기능한다.
• 축성 축삭 굵기가 균일한 경우 시뮬레이션에서는 이러한 시간 의존성이 없으며, 이는 굵기 변동에서 기인함을 확인한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션은 시간 의존성이 축성 축삭 굵기 변화에서 기인하며, 미토콘드리아나 축성 축삭 굴곡과는 무관하다고 확인한다.
• 인간의 백질에서는 거듭제곱 법칙 서명이 일관되게 관찰되어 생리학적 관련성이 입증된다.
• 다발성 경화증 병변에서는 시간 의존성의 진폭이 유의미하게 감소하여 축성 비드 형성 또는 굵기 손상이 있음을 시사한다.
• 이 방법은 이전에 기존 MRI로는 접근이 어려웠던 척도의 세포질 병리학적 변화에 민감하게 반응함을 보여준다.