Submillimeter postmortem and in vivo diffusion and susceptibility magnetic resonance imaging to characterize cortical micro-and meso-structures

技術要約：皮質微細構造および中層構造の特性評価のためのサブミリメートル死後および生体内拡散・磁化率MRI

問題提起
ヒトの大脳皮質は、細胞構築、髄鞘形成、および組織組成によって定義される不均一な微細構造的組織化を示している。定量的磁気共鳴画像法（MRI）、特に拡散（微細構造の異方性に敏感）および磁化率（鉄および髄鞘含有量に敏感）は、これらの特徴をマッピングするための非侵襲的な枠組みを提供するが、生体内（in vivo）で高解像度の全皮質カバーを実現することは依然として困難である。生理学的ノイズ、動きによるアーチファクト、およびスキャン時間の制限が、生体内における空間解像度と信号対雑音比（SNR）を制約している。対照的に、死後（postmortem）MRIは、最適化された死後スキャンにおいて、高忠実度の解剖学的参照を提供するための長時間撮像を可能にする。しかし、翻訳神経画像学における決定的なギャップが存在する。すなわち、最適化された死後スキャンで観察される微細な皮質パターンが、一致した解像度での生体内撮像において、どのように保持、減衰、または再分布されるのかは未解明である。特に、全皮質レベルにおける死後と生体内の異方性比（FA）および組織磁化率（$\chi$）の間の対応関係は、包括的に定量化されていない。

方法論
本研究では、2つの異なるソースからの高解像度MRIデータを用いた、比較的なアトラスベースのアプローチを採用した。

1. 死後撮像： 71歳の男性（神経学的正常）の左半球脳を使用。
   • 拡散MRI： 3T Connectome 2.0システムを用い、セグメント化された3D EPIシーケンス（0.55 mm等方性解像度）で取得。3つのb値シェル（3,000, 6,000, 10,000 s/mm²）を使用し、撮像時間は約52時間であった。
   • 磁化率MRI： 7Tシステムを用い、多方向3Dグラディエントエコー（GRE）シーケンス（0.5 mm等方性解像度）で取得。COSMOS（Calculation of Susceptibility through Multiple Orientation Sampling）法による堅牢な定量的磁化率マッピング（QSM）を可能にするため、試料を主磁場（$B_0$）に対して12の異なる方位でスキャンした。カスタムメイドの3Dプリント製楕円形容器と回転ベースシステムにより、制御された再配向を実現した。
2. 生体内（in vivo）撮像： 27歳の健康な女性ボランティアのデータを使用。
   • 拡散MRI： 同様の3T Connectomeシステムを用い、Romer-EPTIシーケンス（0.5 mm等方性解像度）で取得。撮像時間は約3時間であった。
   • 磁化率MRI： 7Tシステムを用い、6つの異なる頭部方位（$B_0$に対して）を用いた3D GREシーケンス（0.5 mm等方性解像度）で取得。
3. データ処理および解析：
   • パーセレーション（区画化）： OpenMAP-T1フレームワークとJHU–MNI (Eve) レベル4アトラス（144領域）を適用し、領域ごとの指標を抽出した。
   • レジストレーション（位置合わせ）： 死後データには幾何学的歪みを補正するために非線形ワーピングを用い、生体内データには固有の幾何学的形状を保持するために剛体レジストレーションを用いた。
   • 定量化： FAおよび$\chi$の領域平均値を抽出した。死後と生体内における指標の対応を評価するため、線形（ピアソン）相関および順位相関（スピアマン）を算出した。皮質表面マッピングを用いて、微細構造および中層構造の不均一性を可視化した。

主な結果

• 空間パターン： 死後および生体内の両方のデータセットにおいて、一貫した解剖学的変動が認められた。中心前回／中心後回および後部皮質領域において、周囲の連合皮質と比較して高いFAおよび$\chi$値が観察された。帯状回は、比較的高いFAと低い$\chi$値という独特のパターンを示した。
• 相関： 左半球の皮質領域の比較において、死後と生体内の指標間で中程度の正の相関が示された：
  • FA: ピアソン $r = 0.52$ ($p = 0.02$); スピアマン $\rho = 0.49$ ($p = 0.03$)。
  • $\chi$: ピアソン $r = 0.53$ ($p = 0.01$); スピアマン $\rho = 0.39$ ($p = 0.08$, 有意ではない)。
• 系統的な差異： 死後のFA値は、ほぼすべての皮質領域において生体内の値よりも系統的に低かった。死後マップはより高い空間的な鋭さと組織コントラストを示したが、生体内マップは、特に皮質表面付近の磁化率マップにおいて、局所的なブラーリング（ぼけ）とダイナミックレンジの低下を示した。
• 層構造の可視化： 死後マップは、皮質層における層構造および微細な磁化率の変化を明確に描き出した。生体内マップは中心前領域における層構造のコントラストを保持していたが、後部領域における動きによるアーチファクトによって制限を受けた。

意義および主張
著者らは、本研究が、高忠実度の死後イメージングから生体内撮像へと、定量的な拡散および磁化率MRIのコントラストパターンがどのように翻訳されるかについての初期の知見を提供するものであると主張している。知見は、生物学的要因（固定、年齢、性別）および技術的要因（SNR、動き、温度）により絶対値や空間的な鋭さは異なるものの、皮質微小構造パターンの相対的な領域間の順序付けはおおむね保持されていることを示唆している。

本研究は、組み合わせられたサブミリメートル死後および生体内データセットを、皮質微小構造マッピングのための包括的な解剖学的参照として位置づけている。また、多方向の死後撮像が、組織学的相関のためのグラウンドトゥルース（真値）としてだけでなく、生体内における磁化率イメージングの方向サンプリング要件を削減することを目的とした、新たな再構成手法（例：物理情報に基づくディープラーニング）を検証するための高忠実度な参照としても機能することを支持している。著者らは、これらのアトラスベースの解析が、死後イメージング、生体内MRI、および将来の組織学的検証の間の翻訳的な架け橋を提供すると結論付けているが、同時に、これらの知見は単一のドナーおよび単一のボランティアに基づいているため、集団レベルの変動に対する一般化には限界があることも明記している。