神经突交换成像(NEXI)：灰质中具跨室水交换的扩散最小模型
医学物理
2022-09-27 v2 生物物理
摘要
白质中扩散的生理物理模型基于现今通常所称的非交换各向异性高斯隔室“标准模型”(SM)。本工作聚焦于灰质中的扩散MRI，这需要重新思考基本的微结构建模单元。具体而言，除SM外至少需考虑三方面贡献：跨细胞膜的水交换——即神经突与细胞外空间之间；沿神经元与胶质突起的的非高斯扩散——由结构无序导致；以及胞体的信号贡献。针对第一点贡献，我们提出神经突交换成像(NEXI)作为扩散SM的扩展，其构建于双交换隔室的各向异性Kärger模型之上。利用在体大鼠脑中多扩散加权(b)与多扩散时间(t)采集的数据集，我们表明在所研究的扩散时间窗口(~10–45 ms)内，灰质中扩散率时间依赖性极小，而峰度随时序衰减更显著，这可由交换模型良好拟合。此外，我们在高b下观察到较长扩散时间时信号更低。鉴于这些观测，我们确认交换是能在低b与高b区间均最佳解释这些信号特征之机制，并由此提出NEXI作为灰质微结构成像的最小模型。我们最后强调多b多t采集协议最适于可靠估计NEXI模型参数。利用该方法，我们估计在体大鼠皮层与海马中跨室水交换时间为15–60 ms，与典型扩散MRI采集中的扩散时间同量级或更短。这表明水交换是解释灰质扩散MRI测量不可或缺的成分。
引用
@article{arxiv.2108.06121,
title = {Neurite Exchange Imaging (NEXI): A minimal model of diffusion in gray matter with inter-compartment water exchange},
author = {Ileana O. Jelescu and Alexandre de Skowronski and Françoise Geffroy and Marco Palombo and Dmitry S. Novikov},
journal= {arXiv preprint arXiv:2108.06121},
year = {2022}
}