eng
Выпуск #7-8/2021
О.П.Познанский
Диффузионные свойства коры головного мозга человека in vivo. Часть 2
Диффузионные свойства коры головного мозга человека in vivo. Часть 2
Просмотры: 1328
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7-8.434.445
Исследовали корковую глубинную зависимость диффузионных свойств с высоким разрешением на человеческом мозге in vivo, создавая задел для будущих исследований кортикальной диффузионной тензорной визуализации. Во всех областях мозга наблюдалась сходная глубинная зависимость диффузионных инвариантов в коре с постепенным уменьшением и увеличением фракционной анизотропии и средней диффузионной способности от белого вещества к спинномозговой жидкости. Структура этих профилей отражает эффекты изгиба волокон на границе белого вещества и коры головного мозга, снижение плотности волокон на границе коры головного мозга и спинномозговой жидкости.
Исследовали корковую глубинную зависимость диффузионных свойств с высоким разрешением на человеческом мозге in vivo, создавая задел для будущих исследований кортикальной диффузионной тензорной визуализации. Во всех областях мозга наблюдалась сходная глубинная зависимость диффузионных инвариантов в коре с постепенным уменьшением и увеличением фракционной анизотропии и средней диффузионной способности от белого вещества к спинномозговой жидкости. Структура этих профилей отражает эффекты изгиба волокон на границе белого вещества и коры головного мозга, снижение плотности волокон на границе коры головного мозга и спинномозговой жидкости.
Теги: diffusion properties of human brain cortex fractional anisotropy mean diffusivity tensor imaging studies диффузионные свойства коры головного мозга тензорная визуализация фракционная анизотропия
ДИФФУЗИОННЫЕ СВОЙСТВА КОРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА IN VIVO. ЧАСТЬ 2
DIFFUSION PROPERTIES OF HUMAN BRAIN CORTEX IN VIVO. PART 2
О.П.Познанский1, 2, к.ф.-м.н., (ORCID: 0000-0003-3279-0337) / opoznans@gmail.com
O.P. Posnansky1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics)
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7-8.434.445
Получено: 25.11.2021 г.
Мы исследовали корковую глубинную зависимость диффузионных свойств на всем человеческом мозге in vivo, создавая первую ссылку для будущих исследований кортикальной диффузионной тензорной визуализации. Во всех областях мозга наблюдалась сходная глубинная зависимость диффузионных инвариантов в коре с постепенным уменьшением и увеличением фракционной анизотропии (FA) и средней диффузии (MD) от белого вещества к спинномозговой жидкости. На границе белого вещества и коры головного мозга наблюдалось падение FA и пик MD. Структура этих профилей, вероятно, отражает эффекты изгиба волокон на границе белого вещества и коры головного мозга и снижение плотности волокон на границе коры головного мозга и спинномозговой жидкости.
We investigated the cortical depth dependence of diffusion properties over the whole human brain in vivo establishing a first reference for future cortical diffusion tensor imaging studies. All brain areas showed similar cortical depth dependence of diffusion invariants with gradually decreasing and increasing patterns of fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) from white matter to cerebrospinal fluid. At the white matter – cortex interface a drop in FA and a peak in MD is observed. The structure of these profiles is likely reflecting fiber-bending effects at the white matter – cortex interface and fiber density reduction at the cortex – cerebrospinal fluid border.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитно-резонансная диффузионно-взвешенная томография (MR DWI) человеческого мозга в основном исследует белое вещество из-за его высокой структурной анизотропии и ограниченного разрешения изображений. Возможность определять диффузионные свойства коры головного мозга обещает новое понимание клеточной архитектуры мозга in vivo, которое не только представляет интерес для неврологии, но и может привести к появлению новых биомаркеров различных заболеваний мозга. Поскольку толщина коры составляет всего несколько миллиметров, проведение DWI является сложной задачей, и большинство исследований коры проводилось в мозге животных [1, 2] и ex vivo [3].
Диффузионно-тензорная томография (DTI) высокого разрешения показала, что можно сегментировать кору головного мозга человека in vivo на основе фракционной анизотропии (FA) и направленности тензора [4, 5]. Данные DTI были получены на десяти смежных осевых срезах в верхней части мозга. Так, FA продемонстрировала диффузионную анизотропию в сером веществе коры, и в то же время в большинстве областей серого вещества коры наблюдалась преимущественно радиальная направленность диффузии (т.е. ортогональная к поверхности коры). Кроме того, FA зависела от глубины коры и характеризовалась полосой низкой FA в глубоких корковых ламелях, прилегающих к границе серого и белого вещества, и полосой более высокой FA в средних корковых ламелях. Корковые профили осевой и радиальной диффузии не показали каких-либо заметных локальных максимумов или минимумов, в то время как корковые профили радиальности, определяемые как скалярное произведение между основным собственным вектором диффузии и нормалью поверхности коры, показали максимум в средней кортикальной ламели.
Результаты, несколько противоречащие результатам исследования Труонга et al. [4, 5], были получены МакНабом et al. [6], которые показали, что основное направление диффузии в коре ориентировано либо нормально, либо тангенциально к поверхностям кортикальных складок. Авторы сообщили о резком переходе от радиальной к тангенциальной ориентации диффузии на границе между первичной моторной и соматосенсорной корой в данных in vivo человека с изотропным разрешением и частичным охватом мозга. Они также продемонстрировали признаки тангенциальной диффузии во вторичной соматосенсорной коре и первичной слуховой коре.
Одним из возможных способов повышения достоверности изображения и увеличения пространственного разрешения без ущерба для соотношения сигнал/шум (SNR) является переход к высокой напряженности магнитного поля. Однако метод выбора для диффузионной визуализации – эхо-планарная визуализация (EPI) – сталкивается с рядом проблем, связанных с использованием высокого разрешения и высокой напряженности поля, например с искажениями и размытием изображения. Для решения этих проблем Хайдеманн et al. [7] внедрил сегментированную EPI считывания в сочетании с параллельной визуализацией, что позволило значительно уменьшить артефакты за счет уменьшения эффективного интервала между эхо-сигналами. Благодаря этому авторы выявили радиальную анизотропию в коре головного мозга. Хотя это наблюдалось и в предыдущих исследованиях, такая равномерная анизотропия в большой области коры ранее не была описана. Позже тот же автор представил адаптированную последовательность EPI с комбинацией масштабированной визуализации и частично параллельного получения сигнала (ZOOPPA) [8], которая также улучшила качество диффузионных изображений высокого разрешения одномоментной EPI с частичным охватом мозга. Данный метод выявил упорядоченную ориентацию волокон, а также слоистую структуру в коре головного мозга с субмиллиметровым разрешением.
Недавно Ву et al. [9] использовал многополосное ускорение для получения диффузионных данных, охватывающих весь мозг in vivo. Автор обнаружил темные полосы FA преимущественно в самых глубоких слоях серого вещества. Обнаружилось, что темные полосы FA были наиболее сильными вдоль сулькальных берегов и наиболее слабыми в гиральных коронах.
Целью настоящей работы является изучение сложной топологии волокон на границе белого и серого вещества и микроструктуры коры головного мозга. Данные DTI были проанализированы для изображения и количественной оценки микроструктуры во всей коре головного мозга человека и могут служить в качестве справочного атласа для будущих исследований DTI коры головного мозга.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Генерация данных
Данные МРТ человека in vivo были загружены из открытой базы данных db.humanconnectome.org. Изображения были получены на 3Т-сканере Siemens (Siemens, Эрланген, Германия) с 32-канальной головной катушкой RX. Было получено 12 кусков DWI мозга в 12 неколлинеарных и некопланарных направлениях (b = 1000 с/мм2) и трех nonDWI (b = 0 с/мм2) с использованием однократно сфокусированной последовательности Стежскала – Таннера спинового эха [10, 11]. Для возбуждения трех срезов одновременно использовался многополосный радиочастотный (MB-RF) импульс. Кроме того, для коррекции геометрических искажений получали набор изображений с обратным фазовым кодированием градиента b = 0 с/мм2. Диффузионный градиент характеризовался временем диффузии Δ = 22 мс с длительностью диффузионного градиента δ = 6 мс.
Кардиологический контроль не использовался, и общее время сканирования для всех измерений составило около 55 мин, включая MP-RAGE и 3D-GE для анатомической визуализации [12–14].
Обработка и анализ данных
Прежде всего, после сегментации и парцелляции коры головного мозга на анатомических изображениях, были созданы корковые ламели [15, 16]. Количественные характеристики DWI были определены в анатомических областях, зарегистрированных по коре.
а) Обработка анатомических изображений
После коррекции поля возбуждения B1 в объеме MP-RAGE и маскировки мозга [13, 14] была выполнена сегментация коры серого вещества (GM CTX), белого вещества (WM) и спинномозговой жидкости (CSF). Согласно атласам Desikan – Killiany и Destrieux [17, 18], была проведена парцелляция корковой ленты и рассчитаны локальная толщина и извилистость коры. Эти процессы были выполнены с помощью FreeSurfer [16].
Из-за трудности полностью оценить свойства коркового тензора диффузии относительно заметно изогнутой геометрии коры, обычно используются двумерные ортогональные или срезовые представления. Поэтому данные были проанализированы в зависимости от глубины коры. Был применен метод расширения поверхности для создания поверхностей между границами WM-CTX и CTX-CSF (определенными как глубина коры 0% и 100% соответственно) с шагом глубины коры 25% вместе с двумя дополнительными параллельными поверхностями в WM (–25%) и в CSF (125%).
б) Обработка DWI
Данные DWI, скорректированные на вызванные восприимчивостью и вихревыми токами геометрические искажения и размытия T2*, регистрировались на анатомическом изображении, затем вычислялись метрики DTI, такие как фракционная анизотропия (FA), средняя диффузия (MD) и главные собственные векторы DT [19, 20]. Все регистрации изображений и расчеты DT проводились с помощью линейной регистрации изображений (FLIRT) и FDTI в FSL. Локальная кривизна коры определялась путем дифференцирования поверхности WM-CTX. Прямые участки коры определялись как берега (кривизна в пределах [–0,15, 0,15] 1/мм2), тогда как извилины и бороздки характеризовались большей кривизной.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Атласы Дезикана – Киллиани (рис.1) и Детрокса (рис.2) были определены с помощью программы ‘aparc.annot’, доступной в FreeSurfer. Для этих атласов были рассчитаны усредненные инварианты (FA, MD) и толщина кортекса, а также их стандартные отклонения для мозга одного добровольца (рис.3).
На рис.4 показана зависимость FA и MD от глубины коры (от WM до CSF) в каждой области атласа Дезикана – Киллиани (левое и правое полушария вместе). Все области имеют схожий профиль FA, как показано на рис.4а. Самые высокие (0,38±0,11) и самые низкие (0,11±0,10) значения FA были измерены в WM и CSF, соответственно, и выраженное падение значения FA (0,15 ± 0,15) наблюдалось на границе WM-CTX. Однако эти значения были выше, чем в CSF. Для MD наблюдалось постепенное повышение до 0,92 [мкм2/мс] от CTX к CSF (рис.4b). В отличие от FA (рис.4a), значительное увеличение MD наблюдалось на границе WM-CTX, и эта картина была очень похожа по всей коре (рис.4b). Значение MD 0,87±0,36 [мкм2/мс] на границе WM-CTX немного меньше, чем в CSF 0,92±0,37 [мкм2/мс].
Аналогичный анализ был проведен для атласа Детрокса (рис.5), который качественно схож с предыдущим.
Пространственное распределение FA (>0,45), наложенное на раздутую поверхность мозга (рис.6a), показывает, что области с высоким FA, в частности на границе WM-CTX, локализованы преимущественно в бороздках.
Пространственное распределение MD (>1[мкм2/мс]), нанесенное на раздутую поверхность мозга (рис.6b), показывает, что самые высокие MD, особенно в средних ламелях коры, локализованы преимущественно в извилинах.
ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ
В этом исследовании мы проанализировали данные тензора диффузии всего мозга человека. Данные DTI EPI были скорректированы с учетом геометрических искажений, вызванных зависящими от направления диффузии вихревыми токами и локальными вариациями восприимчивости. Это позволило точно совместить очень тонкие кортикальные ламели и диффузионные инварианты, то есть FA, MD и собственные векторы диффузии.
Наше исследование продемонстрировало значительную чувствительность MRI к распределению паттернов клеточной архитектуры тканей. Это показано с помощью ламельного анализа мер DTI и исследования локальной направленности основных собственных векторов. Хотя в предыдущих исследованиях это наблюдалось в разной степени (т.е. не для всего мозга или не при одинаковом размере вокселей), наши результаты подтверждают зависимые от глубины коры профили DT-измерений во всех областях мозга, доказывая, что они являются надежным маркером микроархитектуры коры и устанавливают первое распределение корковой DTI. Полученные количественные значения (рис.3) находятся в соответствии с диапазоном, описанным для толщины кортекса [21, 22] и для мер DTI [6].
Благодаря высокому разрешению и геометрической точности данных возможен детальный анализ инвариантных диффузионных свойств и связи между локальной структурной ориентацией и основным направлением диффузии, в частности, в тонкой кортикальной ленте, расширяя диффузионную тензорную визуализацию от белого вещества до коры головного мозга. Анализ показал, что диффузионные свойства очень похожи во всей коре головного мозга человека. В частности, зависимость FA и MD от глубины коры с постепенным уменьшением / увеличением от белого вещества к CSF и выраженным спадом / пиком на границе WM-CTX, по-видимому, является повсеместной особенностью всего мозга. Согласованность результатов заставляет нас предположить, что поведение интерфейса WM-CTX основано на изгибе волокон, входящих в кору. В WM FA наиболее высок благодаря плотно упакованным волокнам, характеризующимся хорошо выраженной анизотропией (рис.4, 5).
На границе WM-CTX FA показывает сильное снижение вместе с локальным повышением MD, что может отражать волокна, которые резко изгибаются в кору [23]. Таким образом, возникает "псевдоизотропия", поскольку в этих вокселях существуют различные ориентации волокон. Возвращение FA к более высоким, а MD к более низким значениям в коре отражает преимущественное радиальное расположение связей нейронов в коре, которое, однако, ниже, чем в WM, из-за тангенциальных связей внутри коры. Мы также показали, что этот эффект может быть сильнее в прямых сегментах (банках) коры, где волокна поворачивают примерно на 90° по сравнению с вершинами бороздок/извилин, где они входят в кору более прямолинейно. В атласных областях коры это, очевидно, усредняется, но, тем не менее, "псевдоизотропия" на границе WM-CTX остается четко видимой.
Интересно, что аналогичный анализ на основе ламелей, проведенный McNab et al. [6], не показал заметных локальных изменений FA и MD на границе WM-CTX. Авторы сообщили о постепенном снижении FA и увеличении MD между границами WM-CTX и CTX-CSF. Это может быть связано с более низкой чувствительностью при более низком основном магнитном поле и приблизительно удвоенном объеме вокселя. Эффект частичного объема в диффузионных изображениях с неизотропным размером вокселей при более низком основном поле также может быть причиной разницы в радиальной и аксиальной диффузии, продемонстрированной Труонгом et al. [4, 5]. Хотя профили FA там очень похожи на полученные нами, падение FA было значительно смещено в глубину коры и интерпретируется как поворот волокон в областях, удаленных от границы раздела WM-CTX.
Наши результаты, полученные с помощью DTI, подтверждаются гистологическими исследованиями анатомии мозга [23]. На изображениях ткани видно, как дендриты нейронов простираются радиально к глубоким слоям коры, где они распространяются тангенциально вдоль поверхности коры. Наибольшая бифуркация наблюдается в поверхностной ламели CTX, демонстрируя очень сильное разветвление. Прилегающие наружная и глубокая ламели имеют преимущественно радиальную ориентацию за счет волокон, отходящих от WM радиально в кору. В прилегающей WM волокна идут в основном параллельно границе CTX-WM.
В заключение, данное исследование показывает, что количественные измерения DT могут выявить паттерны архитектурной организации коры головного мозга человека in vivo. Локальные результаты, зависящие от глубины, качественно согласуются с гистологической анатомией мозга. DTI коры головного мозга высокого разрешения может позволить охарактеризовать клеточную архитектуру и улучшить понимание патофизиологии заболеваний, связанных с изменениями в коре головного мозга. Это расширит диффузионно-тензорную томографию MRI от модальности белого вещества до модальности коры головного мозга, открывая новые клинические и исследовательские приложения.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Thornton J.S., Ordidge R.J., Penrice J., Cady E.B., Amess P.N., Punwani S., Clemece M., Wyatt J.S. Anisotropic water diffusion in white and gray matter of the neonatal piglet brain before and after transient hypoxia-ischaemia. Magn Reson Imaging 15: pp. 433–440, 1997.
Sizonenko S.V., Camm E.J., Garbow J.R., Maier S.E., Inder T.E., Williams C.E., Neil J.J., Huppi P.S. Developmental changes and injury induced disruption of the radial organization of the cortex in the immature rat brain revealed by in vivo diffusion tensor MRI. Cereb Cortex 17: pp. 2609–2617, 2007.
Miller K.L., Stagg C.J., Douaud G., Jbabdi S., Smith S., Behrens T., Jenkinson M., Chance S.A., Esiri M.M., Voets N.L., Jenkinson N., Aziz T., Turner M.R., Johansen-Berg H., Jennifer A. McNab J.A. Diffusion imaging of whole, post-mortem human brains on a clinical MRI scanner. NeuroImage 57: pp. 167–181, 2011.
Truong T., Guidon A., Song A.W. Cortical Depth Dependence of the Diffusion Anisotropy in the Human Cortical Gray Matter in vivo. PlosONE 9(3), e91424, 2014.
Truong T.K., Guidon A., High-resolution multishot spiral diffusion tensor imaging with inherent correction of motion-induced phase errors. Magn. Reson. Med. 71: pp. 790–796, 2014.
McNab J., Polimeni J., Wang R., Augustinack J.C., Fujimoto K., Stevens A., Janssens T., Farivar R., Folkerth R., Vanduffel W., Wald L.L. Surface based analysis of diffusion orientation for identifying architectonic domains in the in vivo human cortex. Neuroimage 69, pp. 87–100, 2013.
Heidemann R., Porter D.A., Anwander A., Feiweier T., Heberlein K., Knösche T., Turner R. Diffusion Imaging in Humans at 7T using Readout-Segmented EPI and GRAPPA. Magn. Reson. Med. 64 (1): pp. 9–14, 2010.
Heidemann R.M., Anwander A., Feiweier T., Knösche T.R., Turner R. K-space and q-space: combining ultra-high spatial and angular resolution in diffusion imaging using ZOOPPA at 7 T. NeuroImage 60: pp. 967–978, 2012.
Vu A.T., Auerbach E., Lenglet C., Moeller S., Sotiropoulos S.N., Jbabdi S., Andersson J., Yacoub E., Ugurbil K. High resolution whole brain diffusion imaging at 7 T for the Human Connectome Project, NeuroImage 122, pp. 318–331. 2015.
Stejskal E.O., Tanner J.E. Spin Diffusion Measurements: Spin Echoes in the Presence of a Time-Dependent Field Gradient, The Journal of Chemical Physics 42 (1), pp. 288–292, 1965.
Turner R., LeBihan D., Chesnik A.S. Echo-planar imaging of diffusion and perfusion. Magn. Reson. Med. 19(2): pp. 247–253, 1961.
Mugler J.P., Brookeman J.R. Three-Dimensional Magnetization-Prepared Rapid Gradient-Echo Imaging (3D MP RAGE). Magn. Reson. Med. 15, pp. 152–157, 1990.
Schick F. Whole-body MRI at high field: technical limits and clinical potential. Eur. Radiol. 15 (5), pp. 946–959, 2005.
Moortele P., Auerbach E.J., Olman C., Yacoub E., Uğurbil K., Moeller S. T1 weighted Brain Images at 7 Tesla Unbiased for Proton Density, T2* contrast and RF Coil Receive B1 Sensitivity with Simultaneous Vessel Visualization, NeuroImage 46, pp. 432–446, 2009.
Posnansky O. Shell-based analysis of magnetic resonance diffusion tensor imaging (part I). Nanoindustry Vol. 14 (109), No. 6, pp. 328–333, 2021.
Электронный источник: http://freesurfer.net.
Desikan R., Se´gonne F., Fischl B., Quinn B., Dickerson B., Blacker D., Buckner R., Dale A., Maguire P., Hyman B., Albert M., Killiany R. An automated labeling system for subdividing the human cerebral cortex on MRI scans into gyral based regions of interest. Neuroimage 31, pp. 968–980, 2006.
Deipolyi A.R., Mukherjee P., Gill K., Henry R.G., Partridge S.C. Veeraraghavan S., Jin H., Lu Y., Miller S.P., Ferriero D.M., Vigneron D.B., Barkovichc A.J. Comparing microstructural and macrostructural development of the cerebral cortex in premature newborns: Diffusion tensor imaging versus cortical gyration. Neuroimage 27, pp. 579–586, 2005.
Basser P.J., Mattiello J., LeBihan D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophys J. 66: pp. 259–267, 1994.
Электронный источник: http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl.
Kabani N., Le Goualher G., MacDonald D., Evans A.C. Measurement of Cortical Thickness Using an Automated 3-D Algorithm: A Validation Study. NeuroImage 13, pp. 375–380, 2001.
Haidar H., Soul J.S. Measurement of cortical thickness in 3D brain MRI data: Validation of the Laplacian Method. NeuroImage 16, pp. 146–153, 2006.
Seehaus A., Roebroeck A., Bastiani M., Fonseca L., Bratzke H., Lori N., Vilanova A., Goebel R., Galuske R. Histological validation of high-resolution DTI in human post mortem tissue. Frontiers in Neuroanatomy. 9: pp. 1–12, 2015.
Декларация о конфликте интересов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
DIFFUSION PROPERTIES OF HUMAN BRAIN CORTEX IN VIVO. PART 2
О.П.Познанский1, 2, к.ф.-м.н., (ORCID: 0000-0003-3279-0337) / opoznans@gmail.com
O.P. Posnansky1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics)
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7-8.434.445
Получено: 25.11.2021 г.
Мы исследовали корковую глубинную зависимость диффузионных свойств на всем человеческом мозге in vivo, создавая первую ссылку для будущих исследований кортикальной диффузионной тензорной визуализации. Во всех областях мозга наблюдалась сходная глубинная зависимость диффузионных инвариантов в коре с постепенным уменьшением и увеличением фракционной анизотропии (FA) и средней диффузии (MD) от белого вещества к спинномозговой жидкости. На границе белого вещества и коры головного мозга наблюдалось падение FA и пик MD. Структура этих профилей, вероятно, отражает эффекты изгиба волокон на границе белого вещества и коры головного мозга и снижение плотности волокон на границе коры головного мозга и спинномозговой жидкости.
We investigated the cortical depth dependence of diffusion properties over the whole human brain in vivo establishing a first reference for future cortical diffusion tensor imaging studies. All brain areas showed similar cortical depth dependence of diffusion invariants with gradually decreasing and increasing patterns of fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) from white matter to cerebrospinal fluid. At the white matter – cortex interface a drop in FA and a peak in MD is observed. The structure of these profiles is likely reflecting fiber-bending effects at the white matter – cortex interface and fiber density reduction at the cortex – cerebrospinal fluid border.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитно-резонансная диффузионно-взвешенная томография (MR DWI) человеческого мозга в основном исследует белое вещество из-за его высокой структурной анизотропии и ограниченного разрешения изображений. Возможность определять диффузионные свойства коры головного мозга обещает новое понимание клеточной архитектуры мозга in vivo, которое не только представляет интерес для неврологии, но и может привести к появлению новых биомаркеров различных заболеваний мозга. Поскольку толщина коры составляет всего несколько миллиметров, проведение DWI является сложной задачей, и большинство исследований коры проводилось в мозге животных [1, 2] и ex vivo [3].
Диффузионно-тензорная томография (DTI) высокого разрешения показала, что можно сегментировать кору головного мозга человека in vivo на основе фракционной анизотропии (FA) и направленности тензора [4, 5]. Данные DTI были получены на десяти смежных осевых срезах в верхней части мозга. Так, FA продемонстрировала диффузионную анизотропию в сером веществе коры, и в то же время в большинстве областей серого вещества коры наблюдалась преимущественно радиальная направленность диффузии (т.е. ортогональная к поверхности коры). Кроме того, FA зависела от глубины коры и характеризовалась полосой низкой FA в глубоких корковых ламелях, прилегающих к границе серого и белого вещества, и полосой более высокой FA в средних корковых ламелях. Корковые профили осевой и радиальной диффузии не показали каких-либо заметных локальных максимумов или минимумов, в то время как корковые профили радиальности, определяемые как скалярное произведение между основным собственным вектором диффузии и нормалью поверхности коры, показали максимум в средней кортикальной ламели.
Результаты, несколько противоречащие результатам исследования Труонга et al. [4, 5], были получены МакНабом et al. [6], которые показали, что основное направление диффузии в коре ориентировано либо нормально, либо тангенциально к поверхностям кортикальных складок. Авторы сообщили о резком переходе от радиальной к тангенциальной ориентации диффузии на границе между первичной моторной и соматосенсорной корой в данных in vivo человека с изотропным разрешением и частичным охватом мозга. Они также продемонстрировали признаки тангенциальной диффузии во вторичной соматосенсорной коре и первичной слуховой коре.
Одним из возможных способов повышения достоверности изображения и увеличения пространственного разрешения без ущерба для соотношения сигнал/шум (SNR) является переход к высокой напряженности магнитного поля. Однако метод выбора для диффузионной визуализации – эхо-планарная визуализация (EPI) – сталкивается с рядом проблем, связанных с использованием высокого разрешения и высокой напряженности поля, например с искажениями и размытием изображения. Для решения этих проблем Хайдеманн et al. [7] внедрил сегментированную EPI считывания в сочетании с параллельной визуализацией, что позволило значительно уменьшить артефакты за счет уменьшения эффективного интервала между эхо-сигналами. Благодаря этому авторы выявили радиальную анизотропию в коре головного мозга. Хотя это наблюдалось и в предыдущих исследованиях, такая равномерная анизотропия в большой области коры ранее не была описана. Позже тот же автор представил адаптированную последовательность EPI с комбинацией масштабированной визуализации и частично параллельного получения сигнала (ZOOPPA) [8], которая также улучшила качество диффузионных изображений высокого разрешения одномоментной EPI с частичным охватом мозга. Данный метод выявил упорядоченную ориентацию волокон, а также слоистую структуру в коре головного мозга с субмиллиметровым разрешением.
Недавно Ву et al. [9] использовал многополосное ускорение для получения диффузионных данных, охватывающих весь мозг in vivo. Автор обнаружил темные полосы FA преимущественно в самых глубоких слоях серого вещества. Обнаружилось, что темные полосы FA были наиболее сильными вдоль сулькальных берегов и наиболее слабыми в гиральных коронах.
Целью настоящей работы является изучение сложной топологии волокон на границе белого и серого вещества и микроструктуры коры головного мозга. Данные DTI были проанализированы для изображения и количественной оценки микроструктуры во всей коре головного мозга человека и могут служить в качестве справочного атласа для будущих исследований DTI коры головного мозга.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Генерация данных
Данные МРТ человека in vivo были загружены из открытой базы данных db.humanconnectome.org. Изображения были получены на 3Т-сканере Siemens (Siemens, Эрланген, Германия) с 32-канальной головной катушкой RX. Было получено 12 кусков DWI мозга в 12 неколлинеарных и некопланарных направлениях (b = 1000 с/мм2) и трех nonDWI (b = 0 с/мм2) с использованием однократно сфокусированной последовательности Стежскала – Таннера спинового эха [10, 11]. Для возбуждения трех срезов одновременно использовался многополосный радиочастотный (MB-RF) импульс. Кроме того, для коррекции геометрических искажений получали набор изображений с обратным фазовым кодированием градиента b = 0 с/мм2. Диффузионный градиент характеризовался временем диффузии Δ = 22 мс с длительностью диффузионного градиента δ = 6 мс.
Кардиологический контроль не использовался, и общее время сканирования для всех измерений составило около 55 мин, включая MP-RAGE и 3D-GE для анатомической визуализации [12–14].
Обработка и анализ данных
Прежде всего, после сегментации и парцелляции коры головного мозга на анатомических изображениях, были созданы корковые ламели [15, 16]. Количественные характеристики DWI были определены в анатомических областях, зарегистрированных по коре.
а) Обработка анатомических изображений
После коррекции поля возбуждения B1 в объеме MP-RAGE и маскировки мозга [13, 14] была выполнена сегментация коры серого вещества (GM CTX), белого вещества (WM) и спинномозговой жидкости (CSF). Согласно атласам Desikan – Killiany и Destrieux [17, 18], была проведена парцелляция корковой ленты и рассчитаны локальная толщина и извилистость коры. Эти процессы были выполнены с помощью FreeSurfer [16].
Из-за трудности полностью оценить свойства коркового тензора диффузии относительно заметно изогнутой геометрии коры, обычно используются двумерные ортогональные или срезовые представления. Поэтому данные были проанализированы в зависимости от глубины коры. Был применен метод расширения поверхности для создания поверхностей между границами WM-CTX и CTX-CSF (определенными как глубина коры 0% и 100% соответственно) с шагом глубины коры 25% вместе с двумя дополнительными параллельными поверхностями в WM (–25%) и в CSF (125%).
б) Обработка DWI
Данные DWI, скорректированные на вызванные восприимчивостью и вихревыми токами геометрические искажения и размытия T2*, регистрировались на анатомическом изображении, затем вычислялись метрики DTI, такие как фракционная анизотропия (FA), средняя диффузия (MD) и главные собственные векторы DT [19, 20]. Все регистрации изображений и расчеты DT проводились с помощью линейной регистрации изображений (FLIRT) и FDTI в FSL. Локальная кривизна коры определялась путем дифференцирования поверхности WM-CTX. Прямые участки коры определялись как берега (кривизна в пределах [–0,15, 0,15] 1/мм2), тогда как извилины и бороздки характеризовались большей кривизной.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Атласы Дезикана – Киллиани (рис.1) и Детрокса (рис.2) были определены с помощью программы ‘aparc.annot’, доступной в FreeSurfer. Для этих атласов были рассчитаны усредненные инварианты (FA, MD) и толщина кортекса, а также их стандартные отклонения для мозга одного добровольца (рис.3).
На рис.4 показана зависимость FA и MD от глубины коры (от WM до CSF) в каждой области атласа Дезикана – Киллиани (левое и правое полушария вместе). Все области имеют схожий профиль FA, как показано на рис.4а. Самые высокие (0,38±0,11) и самые низкие (0,11±0,10) значения FA были измерены в WM и CSF, соответственно, и выраженное падение значения FA (0,15 ± 0,15) наблюдалось на границе WM-CTX. Однако эти значения были выше, чем в CSF. Для MD наблюдалось постепенное повышение до 0,92 [мкм2/мс] от CTX к CSF (рис.4b). В отличие от FA (рис.4a), значительное увеличение MD наблюдалось на границе WM-CTX, и эта картина была очень похожа по всей коре (рис.4b). Значение MD 0,87±0,36 [мкм2/мс] на границе WM-CTX немного меньше, чем в CSF 0,92±0,37 [мкм2/мс].
Аналогичный анализ был проведен для атласа Детрокса (рис.5), который качественно схож с предыдущим.
Пространственное распределение FA (>0,45), наложенное на раздутую поверхность мозга (рис.6a), показывает, что области с высоким FA, в частности на границе WM-CTX, локализованы преимущественно в бороздках.
Пространственное распределение MD (>1[мкм2/мс]), нанесенное на раздутую поверхность мозга (рис.6b), показывает, что самые высокие MD, особенно в средних ламелях коры, локализованы преимущественно в извилинах.
ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ
В этом исследовании мы проанализировали данные тензора диффузии всего мозга человека. Данные DTI EPI были скорректированы с учетом геометрических искажений, вызванных зависящими от направления диффузии вихревыми токами и локальными вариациями восприимчивости. Это позволило точно совместить очень тонкие кортикальные ламели и диффузионные инварианты, то есть FA, MD и собственные векторы диффузии.
Наше исследование продемонстрировало значительную чувствительность MRI к распределению паттернов клеточной архитектуры тканей. Это показано с помощью ламельного анализа мер DTI и исследования локальной направленности основных собственных векторов. Хотя в предыдущих исследованиях это наблюдалось в разной степени (т.е. не для всего мозга или не при одинаковом размере вокселей), наши результаты подтверждают зависимые от глубины коры профили DT-измерений во всех областях мозга, доказывая, что они являются надежным маркером микроархитектуры коры и устанавливают первое распределение корковой DTI. Полученные количественные значения (рис.3) находятся в соответствии с диапазоном, описанным для толщины кортекса [21, 22] и для мер DTI [6].
Благодаря высокому разрешению и геометрической точности данных возможен детальный анализ инвариантных диффузионных свойств и связи между локальной структурной ориентацией и основным направлением диффузии, в частности, в тонкой кортикальной ленте, расширяя диффузионную тензорную визуализацию от белого вещества до коры головного мозга. Анализ показал, что диффузионные свойства очень похожи во всей коре головного мозга человека. В частности, зависимость FA и MD от глубины коры с постепенным уменьшением / увеличением от белого вещества к CSF и выраженным спадом / пиком на границе WM-CTX, по-видимому, является повсеместной особенностью всего мозга. Согласованность результатов заставляет нас предположить, что поведение интерфейса WM-CTX основано на изгибе волокон, входящих в кору. В WM FA наиболее высок благодаря плотно упакованным волокнам, характеризующимся хорошо выраженной анизотропией (рис.4, 5).
На границе WM-CTX FA показывает сильное снижение вместе с локальным повышением MD, что может отражать волокна, которые резко изгибаются в кору [23]. Таким образом, возникает "псевдоизотропия", поскольку в этих вокселях существуют различные ориентации волокон. Возвращение FA к более высоким, а MD к более низким значениям в коре отражает преимущественное радиальное расположение связей нейронов в коре, которое, однако, ниже, чем в WM, из-за тангенциальных связей внутри коры. Мы также показали, что этот эффект может быть сильнее в прямых сегментах (банках) коры, где волокна поворачивают примерно на 90° по сравнению с вершинами бороздок/извилин, где они входят в кору более прямолинейно. В атласных областях коры это, очевидно, усредняется, но, тем не менее, "псевдоизотропия" на границе WM-CTX остается четко видимой.
Интересно, что аналогичный анализ на основе ламелей, проведенный McNab et al. [6], не показал заметных локальных изменений FA и MD на границе WM-CTX. Авторы сообщили о постепенном снижении FA и увеличении MD между границами WM-CTX и CTX-CSF. Это может быть связано с более низкой чувствительностью при более низком основном магнитном поле и приблизительно удвоенном объеме вокселя. Эффект частичного объема в диффузионных изображениях с неизотропным размером вокселей при более низком основном поле также может быть причиной разницы в радиальной и аксиальной диффузии, продемонстрированной Труонгом et al. [4, 5]. Хотя профили FA там очень похожи на полученные нами, падение FA было значительно смещено в глубину коры и интерпретируется как поворот волокон в областях, удаленных от границы раздела WM-CTX.
Наши результаты, полученные с помощью DTI, подтверждаются гистологическими исследованиями анатомии мозга [23]. На изображениях ткани видно, как дендриты нейронов простираются радиально к глубоким слоям коры, где они распространяются тангенциально вдоль поверхности коры. Наибольшая бифуркация наблюдается в поверхностной ламели CTX, демонстрируя очень сильное разветвление. Прилегающие наружная и глубокая ламели имеют преимущественно радиальную ориентацию за счет волокон, отходящих от WM радиально в кору. В прилегающей WM волокна идут в основном параллельно границе CTX-WM.
В заключение, данное исследование показывает, что количественные измерения DT могут выявить паттерны архитектурной организации коры головного мозга человека in vivo. Локальные результаты, зависящие от глубины, качественно согласуются с гистологической анатомией мозга. DTI коры головного мозга высокого разрешения может позволить охарактеризовать клеточную архитектуру и улучшить понимание патофизиологии заболеваний, связанных с изменениями в коре головного мозга. Это расширит диффузионно-тензорную томографию MRI от модальности белого вещества до модальности коры головного мозга, открывая новые клинические и исследовательские приложения.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Thornton J.S., Ordidge R.J., Penrice J., Cady E.B., Amess P.N., Punwani S., Clemece M., Wyatt J.S. Anisotropic water diffusion in white and gray matter of the neonatal piglet brain before and after transient hypoxia-ischaemia. Magn Reson Imaging 15: pp. 433–440, 1997.
Sizonenko S.V., Camm E.J., Garbow J.R., Maier S.E., Inder T.E., Williams C.E., Neil J.J., Huppi P.S. Developmental changes and injury induced disruption of the radial organization of the cortex in the immature rat brain revealed by in vivo diffusion tensor MRI. Cereb Cortex 17: pp. 2609–2617, 2007.
Miller K.L., Stagg C.J., Douaud G., Jbabdi S., Smith S., Behrens T., Jenkinson M., Chance S.A., Esiri M.M., Voets N.L., Jenkinson N., Aziz T., Turner M.R., Johansen-Berg H., Jennifer A. McNab J.A. Diffusion imaging of whole, post-mortem human brains on a clinical MRI scanner. NeuroImage 57: pp. 167–181, 2011.
Truong T., Guidon A., Song A.W. Cortical Depth Dependence of the Diffusion Anisotropy in the Human Cortical Gray Matter in vivo. PlosONE 9(3), e91424, 2014.
Truong T.K., Guidon A., High-resolution multishot spiral diffusion tensor imaging with inherent correction of motion-induced phase errors. Magn. Reson. Med. 71: pp. 790–796, 2014.
McNab J., Polimeni J., Wang R., Augustinack J.C., Fujimoto K., Stevens A., Janssens T., Farivar R., Folkerth R., Vanduffel W., Wald L.L. Surface based analysis of diffusion orientation for identifying architectonic domains in the in vivo human cortex. Neuroimage 69, pp. 87–100, 2013.
Heidemann R., Porter D.A., Anwander A., Feiweier T., Heberlein K., Knösche T., Turner R. Diffusion Imaging in Humans at 7T using Readout-Segmented EPI and GRAPPA. Magn. Reson. Med. 64 (1): pp. 9–14, 2010.
Heidemann R.M., Anwander A., Feiweier T., Knösche T.R., Turner R. K-space and q-space: combining ultra-high spatial and angular resolution in diffusion imaging using ZOOPPA at 7 T. NeuroImage 60: pp. 967–978, 2012.
Vu A.T., Auerbach E., Lenglet C., Moeller S., Sotiropoulos S.N., Jbabdi S., Andersson J., Yacoub E., Ugurbil K. High resolution whole brain diffusion imaging at 7 T for the Human Connectome Project, NeuroImage 122, pp. 318–331. 2015.
Stejskal E.O., Tanner J.E. Spin Diffusion Measurements: Spin Echoes in the Presence of a Time-Dependent Field Gradient, The Journal of Chemical Physics 42 (1), pp. 288–292, 1965.
Turner R., LeBihan D., Chesnik A.S. Echo-planar imaging of diffusion and perfusion. Magn. Reson. Med. 19(2): pp. 247–253, 1961.
Mugler J.P., Brookeman J.R. Three-Dimensional Magnetization-Prepared Rapid Gradient-Echo Imaging (3D MP RAGE). Magn. Reson. Med. 15, pp. 152–157, 1990.
Schick F. Whole-body MRI at high field: technical limits and clinical potential. Eur. Radiol. 15 (5), pp. 946–959, 2005.
Moortele P., Auerbach E.J., Olman C., Yacoub E., Uğurbil K., Moeller S. T1 weighted Brain Images at 7 Tesla Unbiased for Proton Density, T2* contrast and RF Coil Receive B1 Sensitivity with Simultaneous Vessel Visualization, NeuroImage 46, pp. 432–446, 2009.
Posnansky O. Shell-based analysis of magnetic resonance diffusion tensor imaging (part I). Nanoindustry Vol. 14 (109), No. 6, pp. 328–333, 2021.
Электронный источник: http://freesurfer.net.
Desikan R., Se´gonne F., Fischl B., Quinn B., Dickerson B., Blacker D., Buckner R., Dale A., Maguire P., Hyman B., Albert M., Killiany R. An automated labeling system for subdividing the human cerebral cortex on MRI scans into gyral based regions of interest. Neuroimage 31, pp. 968–980, 2006.
Deipolyi A.R., Mukherjee P., Gill K., Henry R.G., Partridge S.C. Veeraraghavan S., Jin H., Lu Y., Miller S.P., Ferriero D.M., Vigneron D.B., Barkovichc A.J. Comparing microstructural and macrostructural development of the cerebral cortex in premature newborns: Diffusion tensor imaging versus cortical gyration. Neuroimage 27, pp. 579–586, 2005.
Basser P.J., Mattiello J., LeBihan D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophys J. 66: pp. 259–267, 1994.
Электронный источник: http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl.
Kabani N., Le Goualher G., MacDonald D., Evans A.C. Measurement of Cortical Thickness Using an Automated 3-D Algorithm: A Validation Study. NeuroImage 13, pp. 375–380, 2001.
Haidar H., Soul J.S. Measurement of cortical thickness in 3D brain MRI data: Validation of the Laplacian Method. NeuroImage 16, pp. 146–153, 2006.
Seehaus A., Roebroeck A., Bastiani M., Fonseca L., Bratzke H., Lori N., Vilanova A., Goebel R., Galuske R. Histological validation of high-resolution DTI in human post mortem tissue. Frontiers in Neuroanatomy. 9: pp. 1–12, 2015.
Декларация о конфликте интересов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
