[论文解读] Probing axonal swelling with time dependent diffusion MRI

Hong‐Hsi Lee, Antonios Papaioannou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2019

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications参考文献 48被引用 2

一句话总结

本研究提出一种时变扩散磁共振成像方法，通过识别沿纤维方向扩散系数与扩散时间之间的幂律依赖关系，检测微米尺度轴突直径变化及病理性串珠样改变。该方法在多发性硬化病变中显示出降低的时间依赖性，证明其对微结构病理具有敏感性，并具备临床可行性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种对微米尺度轴突微结构敏感且具备临床可行性的磁共振成像技术。
• 将轴突直径变化与其他亚细胞结构特征（如线粒体或轴突波动）区分开来。
• 检测神经退行性疾病（如多发性硬化）中的病理性轴突串珠样改变。
• 弥合磁共振成像与细胞水平神经解剖学之间的分辨率差距。
• 通过人类数据及基于电子显微镜数据的蒙特卡洛模拟对方法进行验证。

提出的方法

• 该方法分析扩散磁共振成像序列中沿纤维方向扩散系数的时间依赖性。
• 通过识别扩散系数与扩散时间之间的幂律标度关系，作为轴突直径变化的特征信号。
• 在小鼠胼胝体的三维电子显微镜重建基础上进行蒙特卡洛模拟，以模拟真实轴突几何结构中的扩散行为。
• 模拟隔离了直径变化对微结构特征的贡献，与其他特征（如线粒体或轴突波动）相区分。
• 在人类脑白质数据中验证该方法，以检测时间依赖性扩散信号。
• 该方法可实现对多发性硬化等病理状态下微结构改变的定量分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 时变扩散磁共振成像能否检测到低于传统磁共振成像分辨率的微米尺度轴突直径变化？
• RQ2 所观察到的扩散系数时间依赖性的来源是什么——轴突直径变化、线粒体，还是轴突波动？
• RQ3 在神经退行性疾病（如多发性硬化）中，时间依赖性的幅度是否发生变化？
• RQ4 该方法能否提供一种临床可行的在体成像方式，用于观察细胞水平的病理改变？
• RQ5 扩散系数与时间之间的幂律标度关系如何与实际轴突微结构相关联？

主要发现

• 沿纤维方向的扩散系数表现出与扩散时间的幂律依赖关系，该关系可作为轴突直径变化的标志。
• 当轴突直径均匀时，模拟中该时间依赖性消失，证实其源于直径波动。
• 蒙特卡洛模拟证实，该时间依赖性源于轴突直径变化，而非线粒体或轴突波动。
• 在人类白质中，幂律特征被一致观察到，验证了其生理相关性。
• 在多发性硬化病变中，时间依赖性的幅度显著降低，提示存在轴突串珠样改变或直径结构破坏。
• 该方法展示了对传统磁共振成像难以探测的微结构病理的敏感性。