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

Marco Palombo, Andrada Ianuș+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2019

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications参考文献 84被引用 26

一句话总结

SANDI 是一种基于隔室的扩散磁共振成像模型，通过显式引入胞体隔室，显著提升了灰质和白质中的微结构成像效果。通过将神经元纤维和胞体分别建模为独立隔室，该模型实现了对表观胞体和神经元信号分数的无创映射，揭示了人类和小鼠大脑中与组织学模式高度一致的细胞质和髓鞘结构对比，尤其在高 b 值条件下表现突出。

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.

研究动机与目标

• 通过显式建模胞体隔室，解决现有扩散磁共振成像模型在高 b 值下对灰质成像失败的问题。
• 开发一种基于隔室的模型，以区分神经元与胞体对扩散信号的贡献。
• 利用临床可用的 b 值，实现对表观胞体与神经元密度的无创、在体成像。
• 通过小鼠和人类大脑在不同 b 值下的实验数据，对模型进行验证。
• 生成能够反映大脑细胞质与髓鞘结构基础的新 MRI 对比度。

提出的方法

• 该模型通过引入一个独立的胞体隔室，扩展了传统扩散磁共振成像方法，胞体被建模为具有受限扩散特性的球形或类球形体积。
• 采用生物物理框架，总扩散信号为神经元（建模为无限长圆柱体）、胞体（球形隔室）和细胞外水分子三者贡献之和。
• 利用 Stejskal-Tanner 方程计算信号，其中各隔室具有特定的扩散系数和体积分数。
• 通过数值模拟评估模型在高 b 值下对胞体大小、密度和取向分散度的敏感性。
• 使用在体小鼠（bmax = 40 ms/μm²）和人类（bmax = 10 ms/μm²）数据集对模型进行验证。
• 在 25 名健康人类受试者中绘制 SANDI 衍生的信号分数，并与组织学参考结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 显式建模胞体隔室是否能提升高 b 值下灰质中扩散磁共振成像信号建模的准确性？
• RQ2 胞体大小和密度如何影响高 b 值区域内的方向平均扩散信号？
• RQ3 SANDI 衍生的信号分数是否反映了已知的大脑细胞质与髓鞘结构模式？
• RQ4 SANDI 是否能生成与人类脑组织组织学染色模式相匹配的新 MRI 对比度？
• RQ5 SANDI 在不同 b 值和物种中的有效适用范围是什么？

主要发现

• SANDI 在广泛 b 值范围内成功建模了小鼠和人类大脑的扩散信号，包括以往模型失效的高 b 值区域。
• 该模型揭示，未被建模的胞体在高 b 值下对灰质信号衰减有显著贡献，从而解释了以往模型的不准确现象。
• 在 25 名健康人类受试者中，SANDI 衍生的表观胞体与神经元信号分数与细胞质和髓鞘结构的组织学染色结果表现出强烈的空间对应关系。
• SANDI 衍生的信号分数产生了传统扩散微结构模型无法捕捉的新 MRI 对比度。
• 数值模拟证实，胞体大小和密度对扩散信号具有可测量且可预测的影响，验证了模型的生物物理基础。
• SANDI 实现了对两种互补组织微结构成分——胞体与神经元密度——的无创、在体映射，为神经科学和临床应用提供了新型生物标志物。