人脑皮质灰质中时间依赖扩散的活体观测与生物物理阐释

扩散 MRI 信号对扩散时间 $t$ 的依赖性,是扩散长度尺度上组织微结构的标志。此处我们在 10 名健康受试者中测量了皮质灰质及 25 个灰质子区域的的平均扩散率 $D(t)$ 与平均峰度 $K(t)$ 的时间依赖性。在 $t=21.2$-100 ms 范围内观察到显著的扩散率与峰度时间依赖性,其特征为幂律尾 $\sim t^{-\vartheta}$,动力学指数 $\vartheta$。为解释我们的测量,我们系统梳理了脑中扩散时间依赖性的相关情景与机制。利用有效介质理论形式,我们推导了 $D(t)$ 与 $K(t)$ 中幂律尾之间的精确关系。在 $D(t)$ 与 $K(t)$ 中估计的幂律动力学指数 $\vartheta\simeq1/2$ 与神经突上随机位置限制存在时的一维扩散一致。我们分析了皮质中轴突侧支上突触的短程无序统计,并进行了由具有类似位置随机性的可透屏障限制的一维蒙特卡洛扩散模拟,以确认 $\vartheta=1/2$ 指数。相比之下,K"arger 交换模型与数据较不一致,因其未捕捉扩散率的时间依赖性,且由 $K(t)$ 估计的交换时间低于我们测量的 $t$ 范围。尽管我们不能排除交换作为促成因素,但我们认为神经突上的结构无序主要负责所观测到的扩散率与峰度时间依赖性。我们对 $D(t)$ 与 $K(t)$ 中 $t^{-1/2}$ 尾的观测与理论阐释共同确立了宏观 MRI 信号对人脑活体灰质中神经突上微米尺度结构异质性的敏感性。