T2 relaxometry for myelin water fraction: an ex vivo brain imaging study

Het menselijk brein is een uitgestrekt, ingewikkeld landschap van miljarden cellen, maar veel van de structuur rust op een vetachtige stof genaamd myeline. Dit materiaal fungeert als een beschermende wikkel rond de communicatielijnen van de hersenen, vergelijkbaar met de plastic coating op een elektrische draad. Wanneer deze isolatie gezond is, reizen signalen snel en efficiënt; wanneer deze beschadigd is, zoals bij aandoeningen als multiple sclerose of de ziekte van Alzheimer, stopt de communicatie. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd dit myeline direct in een levend persoon te zien. Hoewel magnetic resonance imaging, of MRI, foto's van de hersenen kan maken, vervagen standaardscans vaak de fijne details van deze vetachtige laag. Onderzoekers hebben een speciale techniek ontwikkeld genaamd myelin water imaging, die probeert de minuscule hoeveelheid water te meten die gevangen zit tussen de lagen van de myelineschede. Door deze specifieke waterhoeveelheid te tellen, kunnen ze inschatten hoeveel myeline aanwezig is. Deze methode is echter complex en vereist zeer specifieke, vaak moeilijk verkrijgbare apparatuur. Om er zeker van te zijn dat deze metingen nauwkeurig zijn, moeten wetenschappers ze testen tegen de "gouden standaard", wat het direct bekijken van het hersenweefsel is nadat een persoon is overleden.

Een team van onderzoekers aan de McGill University en het Douglas Mental Health University Institute zette zich af om een praktisch probleem in dit vakgebied op te lossen. Ze wilden weten of een breed beschikbare MRI-sequentie, genaamd turbo spin echo, myeline net zo goed kon meten als een meer gespecialiseerde, snellere sequentie genaamd gradient-and-spin-echo, die niet altijd toegankelijk is voor elk onderzoekscentrum. Hiervoor hebben ze geen levende mensen gescand. In plaats daarvan werkten ze met veertig menselijke hersenhemisferen die na het overlijden in een formaldehydeoplossing waren bewaard. Deze hersenen kwamen van individuen met diverse neurologische aandoeningen, evenals van individuen zonder bekende stoornissen. De onderzoekers plaatsten deze bewaarde hersenen in een krachtige MRI-scanner en voerden twee verschillende soorten scans uit op elk exemplaar. De ene scan gebruikte de gespecialiseerde gradient-and-spin-echo-methode, die ongeveer zeven minuten duurt en een lange reeks signalen vastlegt. De andere gebruikte de meer gangbare turbo spin echo-methode, die ongeveer tien minuten duurt en een kortere reeks signalen vastlegt. Het doel was om te zien of de kortere, meer gangbare scan resultaten kon produceren die overeenkwamen met de gespecialiseerde scan, en of de gespecialiseerde scan wel zo lang moest duren als hij deed.

De onderzoekers controleerden eerst of ze de gespecialiseerde scan konden inkorten zonder belangrijke informatie te verliezen. Ze namen de volledige gegevens van de gespecialiseerde scan, die dert twee verschillende signaalmetingen bevatten, en recreëerden de kaart wiskundig met behulp van alleen de eerste veertien metingen. Ze ontdekten dat de resultaten bijna identiek waren. De kaarten van het myelin water zagen er hetzelfde uit, en de getallen waren vrijwel ononderscheidbaar. Dit suggereerde dat voor bewaard hersenweefsel de zeer lange scan niet strikt noodzakelijk was; een kortere versie kon dezelfde kerninformatie leveren. Dit is een belangrijke bevinding omdat het betekent dat onderzoekers potentieel tijd kunnen besparen of die bespaarde tijd kunnen gebruiken om andere delen van de scan te verbeteren.

Vervolgens vergeleken de onderzoekers de resultaten van de gespecialiseerde scan met de resultaten van de gangbare turbo spin echo-scan. Ze ontdekten dat beide methoden kaarten produceerden die qua algemeen patroon erg op elkaar leken. Gebieden met een hoog myelinegehalte vertoonden een hoog gehalte in beide scans, en gebieden met een laag myelinegehalte vertoonden een laag gehalte in beide scans. De getallen waren echter niet exact hetzelfde. De gespecialiseerde scan rapporteerde consequent hogere hoeveelheden myelin water dan de gangbare scan deed. Sterker nog, de gangbare scan neigde minder myelin water en meer van het water dat in de ruimtes tussen de cellen wordt gevonden, te rapporteren. De onderzoekers realiseerden zich dat de twee machines niet alleen verschillende dingen maten, maar dat ze hetzelfde signaal in iets andere categorieën sorteerden. De gespecialiseerde machine was beter in het scheiden van de minuscule hoeveelheid water die gevangen zit in het myeline van het water eromheen, terwijl de gangbare machine iets minder precies was in die scheiding.

Ondanks deze verschillen in de exacte getallen, waren de twee methoden sterk met elkaar verbonden. De onderzoekers ontdekten dat als zij het resultaat van de gangbare scan kenden, ze met behulp van een computermodel met hoge nauwkeurigheid konden voorspellen wat de gespecialiseerde scan zou hebben gevonden. Ze bouwden een model dat naar het volledige signaalpatroon van de gangbare scan keek, niet alleen naar het myelin-getal, en gebruikte dat om het gespecialiseerde resultaat te schatten. Dit model werkte zeer goed en slaagde erin de gedetailleerde kaarten van de gespecialiseerde scan te recreëren met behulp van alleen de gegevens van de gangbare scan. Dit betekent dat zelfs als de twee machines verschillende ruwe getallen geven, de informatie die ze bevatten diepgaand gerelateerd is. Een onderzoeker die de gangbare machine gebruikt, kan nog steeds een zeer goed beeld krijgen van de gezondheid van het myeline, mits de juiste wiskundige instrumenten worden gebruikt om de resultaten te vertalen.

De studie onderzocht ook hoe de tijd die de hersenen in de conserverende vloeistof doorbrachten de metingen beïnvloedde. Ze ontdekten dat naarmate de hersenen langer in de vloeistof lagen, de metingen meer veranderden. Beide scanmethoden vertoonden een toename van het berekende myelin water naarmate de bewaringstijd langer werd. Dit betekent niet dat de hersenen meer myeline kregen; eerder veroorzaakten de chemische veranderingen door het conserveermiddel een verandering in hoe het water zich gedroeg, waardoor het leek alsof er meer myelin water aanwezig was dan in werkelijkheid het geval was. De gespecialiseerde scan was iets gevoeliger voor deze verandering dan de gangbare scan, maar beide vertoonden dezelfde trend. Dit benadrukt dat bij het bestuderen van bewaarde hersenen de tijd sinds het overlijden en de tijd in het conserveermiddel cruciale factoren zijn die in rekening moeten worden gebracht, omdat ze de getallen op een voorspelbare manier kunnen verschuiven.

Uiteindelijk biedt dit werk een duidelijk pad voor het bestuderen van de isolatie van de hersenen na het overlijden. Het laat zien dat de gespecialiseerde, moeilijk verkrijgbare scan niet de enige manier is om een goed beeld van myeline te krijgen. De meer gangbare, breed beschikbare scan kan de essentiële patronen vastleggen en, met de hulp van moderne computermodellen, kan deze worden vertaald om overeen te komen met de gespecialiseerde resultaten. De onderzoekers concludeerden dat hoewel de twee methoden niet zonder aanpassing uitwisselbaar zijn, ze diep met elkaar verbonden zijn. De gangbare scan bevat de sleutel tot de gespecialiseerde een, waardoor wetenschappers toegankelijkere apparatuur kunnen gebruiken om de structuur van de hersenen te bestuderen met een detailniveau dat voorheen werd geacht een zeldzame en dure tool te vereisen. Dit opent de deur voor meer laboratoria om bij te dragen aan ons begrip van hersenziekten, met behulp van gegevens die consistent en vergelijkbaar zijn tussen verschillende studies.