探索灰质微观结构对R1对比度的贡献：基于多室扩散模型的健康大脑研究

本研究通过SANDI三室扩散模型探讨灰质微观结构对纵向弛豫率R1对比度的贡献。研究人员对20名健康志愿者进行扩散加权成像和MP2RAGE R1 mapping，发现灰质中R1与胞体相关指标（fsoma和Rsoma）呈负相关，表明显微结构特征影响R1对比度；白质中R1与神经突内指标（Din和fneurite）呈正相关。这些发现揭示了脑组织微观结构特性对R1对比度的贡献，为理解脑实质弛豫差异提供了新见解。

　　

大脑灰质的微观结构复杂性一直是神经影像学研究的重要课题。传统MRI技术虽然能够提供大脑结构的宏观信息，但对微观尺度的组织特性探测有限。特别是灰质中的细胞结构特征如何影响磁共振成像对比度，尤其是纵向弛豫率R1（等于1/T1）的对比机制，仍需要深入探索。R1对比度传统上被认为与髓鞘含量密切相关，但灰质中除了髓鞘化轴突外，还包含大量神经元胞体、树突和胶质细胞，这些微观结构成分对R1对比度的具体贡献尚不明确。

为了解决这一问题，研究人员在《NeuroImage》上发表了一项创新性研究，采用Soma And Neurite Density Imaging (SANDI)这一多室扩散模型，结合定量R1 mapping技术，系统探索了灰质微观结构特性对R1对比度的贡献。

研究团队招募了20名健康志愿者（9男11女，年龄24-31岁），使用3T Siemens Prisma扫描仪采集扩散加权成像（DWI）和MP2RAGE序列数据。DWI协议包含7个b值（0-6000 s/mm2），共266个扩散方向，采用双自旋回波扩散加权平面回波成像序列。MP2RAGE序列用于R1 mapping，参数包括：TR=5000 ms，TE=2.36 ms，翻转角7°/5°，TI1=700 ms，TI2=1500 ms，1mm各向同性分辨率。

数据处理包括DWI去噪、Gibbs伪影校正、 susceptibility distortion校正和eddy-current校正。使用SANDI工具箱通过机器学习方法（随机森林回归）估计五个模型参数：fneurite（神经突内信号分数）、fsoma（胞体内信号分数）、fextra（细胞外分数）、Rsoma（胞体半径）、Din和De（神经突内和细胞外扩散系数）。R1图由MP2RAGE序列推导获得。统计分析采用Pearson相关和一般线性模型，控制多个混杂因素。

2.3.1. Signal to noise ratio of DWIs

研究人员评估了DWI数据的信噪比（SNR），确保数据可靠性。在灰质和白质区域计算的SNR_diff值分别为28.56±5.11和29.77±4.01，表明确保了数据的质量可靠性，即使在高b值（b=6000 s/mm2）下，信号仍高于噪声基底。

2.3.2. Parametric maps normalization and white and gray matter parcellation

使用FSL和FreeSurfer工具将FA图配准到T1加权图像，并标准化到MNI空间。采用HCP图谱（180个ROI）进行灰质分区，ICBM-DTI-81图谱（50个ROI）进行白质分区，确保区域分析的准确性。

2.3.3. Statistical analysis

通过相关分析和回归模型检验R1与SANDI指标之间的关系，控制ROI体积、皮质厚度和曲率等混杂因素。采用错误发现率（FDR）校正进行多重比较校正。

研究结果显示，在灰质区域，R1与胞体相关指标呈现中度负相关：与fsoma的相关系数r=-0.47，与Rsoma的相关系数r=-0.35。这表明灰质微观结构对R1对比度有贡献，符合皮质髓鞘化程度不同的结构异质性证据。在跨被试分析中，也发现了相似的趋势（fsoma和Rsoma与R1的相关系数分别为r=-0.56和r=-0.48）。

在白质区域，R1与神经突内指标呈现中度至强正相关：与D_in的相关系数r=0.53，与fneurite的相关系数r=0.30。这表明白质中髓鞘化轴突承载了神经突内水分子池，其微观结构特征同样影响R1对比度。

通过回归分析控制混杂因素后，灰质中fsoma、fextra、Rsoma和D_e与R1的相关性仍然显著；白质中D_in与R1的相关性保持显著，而fneurite与R1的相关性在控制ROI体积后不再显著。

研究结论表明，灰质和白质的微观结构特征共同贡献于R1对比度。在灰质中，胞体相关指标（fsoma和Rsoma）与R1呈负相关，可能反映了不同皮质区域的结构异质性和髓鞘化程度差异。在白质中，神经突内指标（D_in和fneurite）与R1呈正相关，证实了髓鞘含量对R1值的影响。这些发现强调了细胞结构特征在形成R1对比度中的重要作用，为理解脑实质弛豫差异提供了新的微观结构基础。

研究的讨论部分指出，尽管存在一些局限性（如3T扫描仪的梯度强度限制、扩散时间较长可能带来的水交换影响等），但结果仍然强调了多室扩散模型在解析灰质微观结构方面的价值。未来研究应在临床人群（如多发性硬化等脱髓鞘疾病）中探索这些关系，并进一步优化成像协议和分析方法，以更好地理解脑微观结构与弛豫特性之间的关系。

这项研究的重要意义在于首次系统性地揭示了灰质微观结构特征对R1对比度的贡献，将扩散MRI与弛豫测量相结合，为无创评估脑微观结构提供了新的方法论框架。这不仅加深了对脑组织弛豫机制的理解，也为未来研究神经可塑性、脑发育和神经系统疾病提供了重要的技术基础和理论依据。