树突棘在水交换测量中的作用：基于时间依赖单扩散编码的MRI
医学物理
2025-06-26 v2 生物物理
摘要
时间依赖的扩散 MRI (dMRI) 采用单扩散编码 (SDE) 探测生物组织中的水动力学，但信号解释取决于微观结构。虽然已有工作聚焦于受限/受阻扩散和膜渗透，但 gray matter (GM) 中由树突 shaft 与 spines 之间的扩散介导交换尚未充分研究。我们假设不可渗透的棘状树突会产生类似渗透性交换的时序依赖 SDE 信号，并研究树突密度如何偏向交换时间估计。通过蒙特卡罗模拟和窄逃逸理论，我们量化了 spines-shaft 交换时间 (3-26 ms)，与皮层渗透性交换估计相符。modified two-compartment Karger 模型描述时序依赖的 SDE 信号，但导致偏斜的交换估计，这反映了棘体积比例而非结构。未考虑的扩散介导交换会在 NEXI/SMEX 模型估计中引入最高 80% 的偏差。我们提出包含扩散介导 (spine-shaft) 和渗透性 (intra-extracellular) 交换的 extended three-compartment Karger 模型。然而，该模型无法唯一分离膜渗透性与棘体积效应。我们的发现强调，树突棘应被考虑在 SDE 基于交换的研究中，并警示勿将交换仅归因于渗透性。需要先进的方法来消除 GM 中这些机制的相互作用。
引用
@article{arxiv.2506.18229,
title = {The role of dendritic spines in water exchange measurements with diffusion MRI: Time-Dependent Single Diffusion Encoding MRI},
author = {Kadir Şimşek and Arthur Chakwizira and Markus Nilsson and Marco Palombo},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.18229},
year = {2025}
}