[논문 리뷰] SANDI: a compartment-based model for non-invasive apparent soma and neurite imaging by diffusion MRI

Marco Palombo, Andrada Ianuș외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 05.

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications참고 문헌 84인용 수 26

한 줄 요약

SANDI는 회색질과 백질에서 미세구조 영상 성능을 향상시키기 위해 세포체 영역을 명시적으로 포함한 분할 기반 확산 MRI 모델이다. 신경세포와 세포체를 별개의 분할로 모델링함으로써, 비침습적으로 명시적 세포체 및 신경세포 신호 분율을 맵핑할 수 있으며, 고 b값에서 인간 및 쥐 뇌의 조직학적 패턴과 유사한 세포질 및 마이엘로아키텍처 대비를 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고 b값에서 기존 확산 MRI 모델이 회색질에서 실패하는 문제를 해결하기 위해 세포체 분할을 명시적으로 모델링하는 것.
• 신경세포와 세포체 기여를 구분할 수 있는 분할 기반 모델을 개발하는 것.
• 임상적 b값을 사용하여 비침습적, 체내에서 명시적 세포체 및 신경세포 밀도를 영상화할 수 있도록 하는 것.
• 다양한 b값에서 쥐 및 인간 뇌의 실험 데이터와의 비교를 통해 모델을 검증하는 것.
• 기본 뇌의 세포질 및 마이엘로아키텍처를 반영하는 새로운 MRI 대비를 생성하는 것.

제안 방법

• 모델는 전통적인 확산 MRI를 확장하여 세포체를 위한 별도의 분할을 도입하며, 이는 제한된 확산를 갖는 구형 또는 타원형 체적으로 모델링된다.
• 전체 확산 신호는 신경세포(무한한 실린더로 모델링됨), 세포체(구형 분할), 그리고 신경세포 외부 수분의 기여를 합산한 것으로 구성되는 생물물리적 프레임워크를 사용한다.
• 각 분할의 확산 계수와 부피 분율에 따라 Stejskal-Tanner 식을 사용하여 신호를 계산한다.
• 고 b값에서 세포체 크기, 밀도, 방향 분산에 대한 민감도를 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 실시한다.
• 모델는 고 b값에서의 쥐 뇌(in vivo, bmax = 40 ms/μm²) 및 인간 뇌(in vivo, bmax = 10 ms/μm²) 데이터셋을 사용하여 검증된다.
• SANDI에서 유도된 신호 분율은 25명의 건강한 인간에서 맵핑되어 조직학적 기준과 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세포체 분할을 명시적으로 모델링하면 고 b값에서 회색질의 확산 MRI 신호 모델링 정확도가 향상되는가?
• RQ2 세포체 크기와 밀도는 고 b값 영역에서 방향 평균 확산 신호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SANDI에서 유도된 신호 분율은 뇌의 세포질 및 마이엘로아키텍처 패턴을 잘 반영하는가?
• RQ4 SANDI는 인간 뇌 조직에서 조직학적 염색 패턴을 반영하는 새로운 MRI 대비를 생성할 수 있는가?
• RQ5 SANDI는 다양한 b값과 종에 걸쳐 유효한 영역은 어디인가?

주요 결과

• SANDI는 고 b값에서 이전 모델이 실패하는 영역까지 포함하여 쥐 및 인간 뇌에서 광범위한 b값 범위에서 확산 신호를 성공적으로 모델링한다.
• 모델은 고 b값에서 모델링되지 않은 세포체가 회색질에서 신호 감쇠에 중대한 기여를 한다는 것을 드러내며, 이는 이전 모델의 정확도 저하를 설명한다.
• 25명의 건강한 인간에서 SANDI로 유도된 명시적 세포체 및 신경세포 분율은 세포질 및 마이엘로아키텍처의 조직학적 염색 패턴과 강한 공간적 일치를 보인다.
• SANDI에서 유도된 신호 분율은 전통적인 확산 미세구조 모델이 포착하지 못한 새로운 MRI 대비를 생성한다.
• 수치 시뮬레이션은 세포체 크기와 밀도가 확산 신호에 측정 가능하고 예측 가능한 영향을 미친다는 것을 확인하며, 모델의 생물물리적 기반을 검증한다.
• SANDI는 비침습적, 체내에서 세포체 및 신경세포 밀도라는 상호보완적인 조직 미세구조 성분을 맵핑할 수 있게 하여 뇌과학 및 임상 적용을 위한 새로운 생물학적 지표를 제공한다.