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

Technische Samenvatting: Submillimeter Postmortem en In Vivo Diffusie- en Susceptibiliteits-MRI voor Karakterisering van Corticale Micro- en Mesostructuur

Probleemstelling
De menselijke cerebrale cortex vertoont een heterogene microstructurale organisatie die wordt gedefinieerd door cytoarchitectuur, myelinisatie en weefselsamenstelling. Hoewel kwantitatieve magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), specifiek diffusie (gevoelig voor microstructurale anisotropie) en susceptibiliteit (gevoelig voor ijzer- en myelinegehalte), een niet-invasief kader biedt om deze kenmerken in kaart te brengen, blijft het bereiken van hoge-resolutie, volledige corticale dekking in vivo een uitdaging. Fysiologische ruis, bewegingsartefacten en beperkte scantijden beperken de in vivo ruimtelijke resolutie en signaal-ruisverhouding (SNR). Daarentegen maakt postmortem MRI langdurige acquisities mogelijk bij submillimeterresoluties, wat zorgt voor hoogwaardige anatomische referenties. Er bestaat echter een kritieke kloof in de translationele neurobeeldvorming: het blijft onduidelijk welke fijnmazige corticale patronen die in geoptimaliseerde postmortem scans worden waargenomen, behouden blijven, worden verzwakt of worden herverdeeld in in vivo acquisities bij overeenkomstige resoluties. Met name de correspondentie tussen postmortem en in vivo fractionele anisotropie (FA) en weefselsusceptibiliteit ($\chi$) op het niveau van de gehele cortex is nog niet uitgebreid gekwantificeerd.

Methodologie
De studie maakte gebruik van een vergelijkende, atlas-gebaseerde benadering met hoog-resolutie MRI-data uit twee verschillende bronnen:

1. Postmortem Beeldvorming: Een linker hemisfeer van een 71-jarige mannelijke, neurologisch gezonde donor werd gescand.
   • Diffusie MRI: Verworven op een 3T Connectome 2.0 systeem met behulp van een gesegmenteerde 3D EPI-sequentie (0,55 mm isotrope resolutie). De scan maakte gebruik van drie b-waarde shells (3.000, 6.000 en 10.000 s/mm²) en duurde ongeveer 52 uur.
   • Susceptibiliteits MRI: Verworven op een 7T systeem met behulp van een multi-oriëntatie 3D gradient-echo (GRE) sequentie (0,5 mm isotrope resolutie). Om robuuste Kwantitatieve Susceptibiliteitsmapping (QSM) mogelijk te maken via de methode van Berekening van Susceptibiliteit door Meervoudige Oriëntatie Sampling (COSMOS), werd het monster op 12 verschillende oriëntaties ten opzichte van het hoofdmagnetisch veld ($B_0$) gescand. Een op maat gemaakte 3D-geprinte ellipsoïdale container met een draaibaar basesysteem faciliteerde de gecontroleerde reoriëntatie.
2. In Vivo Beeldvorming: Data werden verworven van een 27-jarige gezonde vrouwelijke vrijwilliger.
   • Diffusie MRI: Verworven op hetzelfde 3T Connectome systeem met behulp van de Romer-EPTI sequentie (0,5 mm isotrope resolutie), met een duur van ongeveer 3 uur.
   • Susceptibiliteits MRI: Verworven op een 7T systeem met behulp van een 3D GRE sequentie (0,5 mm isotrope resolutie) met 6 verschillende hoofdorientaties ten opzichte van $B_0$.
3. Dataverwerking en Analyse:
   • Parcellatie: Het OpenMAP-T1 framework met de JHU–MNI (Eve) Level 4 atlas (144 regio's) werd toegepast op beide datasets om regio-specifieke metrieken te extraheren.
   • Registratie: Niet-lineaire warping werd gebruikt voor postmortem data om geometrische distorties te corrigeren, terwijl rigide registratie werd gebruikt voor in vivo data om de natuurlijke geometrie te behouden.
   • Kwantificatie: Regio-gemiddelde waarden van FA en $\chi$ werden geëxtraheerd. Lineaire (Pearson) en ranggebaseerde (Spearman) correlaties werden berekend om de correspondentie tussen postmortem en in vivo metrieken over corticale regio's te beoordelen. Corticale oppervlakte-mapping werd gebruikt om de micro- en mesostructurale heterogeniteiten te visualiseren.

Belangrijkste Resultaten

• Ruimtelijke Patronen: Zowel de postmortem als de in vivo datasets toonden consistente anatomische variaties. Verhoogde FA- en $\chi$-waarden werden waargenomen in de precentrale/postcentrale en posterieure corticale regio's vergeleken met de omliggende associatiecortices. De cingulate cortex vertoonde een onderscheidend patroon van relatief hoge FA maar lage $\chi$-waarden.
• Correlatie: Regio-vergelijkingen van de linker hemisferische corticale regio's toonden matige positieve correlaties tussen postmortem en in vivo metrieken:
  • FA: Pearson's $r = 0,52$ ($p = 0,02$); Spearman's $\rho = 0,49$ ($p = 0,03$).
  • $\chi$: Pearson's $r = 0,53$ ($p = 0,01$); Spearman's $\rho = 0,39$ ($p = 0,08$, niet significant).
• Systematische Verschillen: Postmortem FA-waarden waren systematisch lager dan in vivo waarden in bijna alle corticale regio's. Postmortem kaarten vertoonden een grotere ruimtelijke scherpte en weefselcontrast, terwijl in vivo kaarten lokale vervaging en een verminderd dynamisch bereik vertoonden, met name in susceptibiliteitskaarten nabij de corticale oppervlakken.
• Laminaire Visualisatie: Postmortem kaarten brachten laminaire structuren en fijnmazige susceptibiliteitsvariaties over verschillende corticale lagen duidelijk in kaart. In vivo kaarten behielden laminaire contrasten in de precentrale regio, maar werden beperkt door bewegingsartefacten in posterieure regio's.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat deze studie een eerste inzicht biedt in hoe kwantitatieve diffusie- en susceptibiliteits-MRI contrastpatronen vertalen van hoogwaardige postmortem beeldvorming naar in vivo acquisities. De bevindingen suggereren dat hoewel absolute waarden en ruimtelijke scherpte verschillen door biologische (fixatie, leeftijd, geslacht) en technische (SNR, beweging, temperatuur) factoren, de relatieve interregionale ordening van corticale microstructurale patronen grotendeels behouden blijft.

De studie positioneert de gecombineerde submillimeter postmortem en in vivo dataset als een uitgebreid anatomisch referentiekader voor het in kaart brengen van de corticale microstructuur. Het ondersteunt het gebruik van postmortem multi-oriëntatie acquisities niet alleen als een 'ground truth' voor histologische correlatie, maar ook als een hoogwaardige referentie voor het valideren en trainen van opkomende reconstructiemethoden (bijv. physics-informed deep learning) gericht op het verminderen van de vereisten voor oriëntatie-sampling bij in vivo susceptibiliteitsbeeldvorming. De auteurs concluderen dat deze atlas-gebaseerde analyses een translationele brug bieden tussen postmortem beeldvorming, in vivo MRI en toekomstige histologische validatie in neurologisch onderzoek, waarbij zij er echter expliciet op wijzen dat de bevindingen gebaseerd zijn op een enkele donor en een enkele vrijwilliger, wat de generaliseerbaarheid naar populatie-niveau beperkt.