关键词:
扩散磁共振成像
脑细胞外间隙
电阻抗成像
映射
容积占比
摘要:
脑细胞外间隙(Extracellular Space,ECS)物理、化学特性的稳定性是保障神经网络正常功能活动的重要基础。小鼠在清醒、睡眠不同状态下,脑内具有不同的电学响应信号,脑细胞外间隙内物质转运速率和容积占比也不同。在神经系统中,痛觉等刺激下神经信号传输所引起的物质和离子浓度的变化将导致细胞外间隙内电特征参数(包括电导率和相对介电常数)的改变,同时,中枢神经系统中面临有害刺激时,也会引发脑细胞外间隙内电特征参数的变化。在神经元功能活动中,低频电导率与离子的浓度和迁移率的相关性很大,电导率等电特征参数对组织器官的生理病理状态变化较为敏感。此外,对不同情况下全脑电特征参数变化的研究也有助于癫痫、中风、肿瘤等病症的早期检测以及治疗。说明细胞、细胞外间隙、血管三者间存在相互作用关系,基于神经细胞、细胞外间隙和血管的三室模型能够更好的反映脑深部的情况。因此,建立新技术和新方法,采集细胞外间隙电特征参数信息,并拓宽探测范围至全脑,有助于我们更全面地理解脑神经网络活动的机制,为寻找脑病的有效治疗方法、阐明最前沿的脑科学问题提供全新视角。
针对细胞外间隙活体探测困难、结构功能指标少的科学问题,本研究设计基于扩散磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)和电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)双模态成像技术的细胞外间隙结构和电特征无创探测方法。应用多方向递进运动敏感梯度,获取多方向运动敏感的扩散加权图像,应用有限网格剖分和光电定位技术,进行图像配准处理后,采用三室同步采集和融合成像算法,获取细胞外间隙结构与参数图,采用磁兼容EIT技术,基于多相流动理论的磁电映射模型,计算获得高分辨率磁电双模态ECS相对介电常数和电导率断层信息。应用磁电双模态成像分析技术,采集50例正常人脑数据并建模,运用V-Net神经网络建立阻抗-脑细胞外间隙参数映射模型,再采集10例正常人脑数据进行模型效果验证。
研究发现,经阻抗-脑细胞外间隙参数映射模型得到的脑额叶白质区域的ECS容积占比为25.413±1.946(%),与经MRI三室探测技术得到的25.533±1.304(%)无显著性差异(P>0.05);经阻抗-脑细胞外间隙参数映射模型得到的脑额叶灰质区域的ECS容积占比为26.366±0.540(%),与经MRI三室探测技术得到的25.544±1.590(%)无显著性差异(P>0.05)。经阻抗-脑细胞外间隙参数映射模型得到的脑额叶白质区域的ECS电导率为1.856±0.037S/m,与经多相流动理论的磁电映射模型得到的1.867±0.037S/m无显著性差异(P>0.05);经阻抗-脑细胞外间隙参数映射模型得到的脑额叶灰质区域的ECS电导率为1.869±0.235S/m,与经多相流动理论的磁电映射模型得到的1.912±0.132S/m无显著性差异(P>0.05)。经阻抗-脑细胞外间隙参数映射模型得到的脑额叶白质区域的ECS相对介电常数为108.826±0.747,与经多相流动理论的磁电映射模型得到的108.642±0.486无显著性差异(P>0.05);经阻抗-脑细胞外间隙参数映射模型得到的脑额叶灰质区域的ECS相对介电常数为107.745±0.544,与经多相流动理论的磁电映射模型得到的108.159±0.460无显著性差异(P>0.05)。
本研究建立了一个较稳定的阻抗-脑细胞外间隙参数映射模型,实现了对细胞外间隙结构和电参数的便携式获取,该方法为无创测量脑ECS电学特征提供了一种新的途径,为建立经ECS的新型神经调控提供技术基础。