Die mikroskopische Anisotropie der Wasser-Diffusion im menschlichen Gehirn zur Charakterisierung des Gewebes auf zellulärer Ebene
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes konnte (i) mit der Doppel-Wellenvektor-Diffusionswichtung (DWV), bei der zwei Diffusionswichtungen nacheinander appliziert werden, die Anisotropie der Diffusion auf mikroskopischer Ebene in weißer und grauer Hirnsubstanz im Menschen in vivo mit einem handelsüblichen Ganzkörper-MR-Tomographen bestimmt werden und (ii) die Vorteile des daraus abgeleiteten MA-Index gegenüber den konventionellen Anisotropiemaßen, z.B. der fraktionellen Anisotropie (FA), demonstriert werden. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass mit DWV-Messungen die Anisotropie der Diffusion auch dann nachgewiesen werden kann, wenn dies in konventionellen Messungen nicht möglich ist, z.B. weil aufgrund einer gleichförmigen Orientierungsverteilung der Axone oder Fasern das Signalverhalten isotrop erscheint. Die MA stellt damit ein unabhängiges Maß dar, das nur von der Diffusionsanisotropie auf mikroskopische Ebene abhängt, und eine zur FA komplementäre Information liefert. Da die MA unabhängig von der Faserorientierungsverteilung ist, kann sie zwischen einer verringerten Faserdichte und einer breiteren Orientierungsverteilung der Fasern unterscheiden und damit die Limitierungen und Doppeldeutigkeiten der FA bei der Charakterisierung der Gewebestruktur umgehen. Die DWV-Messungen wurden für die Anwendung in weißer Hirnsubstanz optimiert, und in einer Gruppe von jungen Probanden wurden Normalwerte und ihre Varianz in der Gruppe bestimmt. Innerhalb der weißen Substanz und auch zwischen den Probanden zeigte sich dabei für die MA eine im Vergleich zur FA geringere Varianz. Damit kann erwartet werden, dass Unterschiede oder Veränderungen der Gewebestruktur mit der MA besser, z.B. in kleineren Gruppen, und frühzeitiger erkannt werden können als beispielsweise mit der FA. Erste Hinweise darauf zeigten sich bei einem Vergleich der Anisotropie-Werte von jungen und älteren Probanden, da dabei Bereiche in der weißen Substanz gefunden wurden, in denen die MA signifikant unterschiedlich ist, während dies für die FA nicht der Fall war. Insgesamt sind mit diesem Projekt damit die Vorteile von DWV-Messungen zur Untersuchung der Diffusionsanisotropie als Marker für die Gewebestruktur demonstriert worden und die Grundlagen für künftige Anwendungen in der klinischen und neurowissenschaftlichen Forschung gelegt werden.
Publications
- Detection of Microsopci Diffusion Anisotropy in the Living Human Brain. Proc. Int. Soc. Magn. Reson. Med. 20, 464 (2012)
Lawrenz M, Finsterbusch J
- Simultaneous Estimation of Compartment Size and Eccentricity with Double-Wave-Vector Tensor Imaging at Long Mixing Times. Proc. Int. Soc. Magn. Reson. Med. 20, 1892 (2012)
Lawrenz M, Finsterbusch J
- Double-wave-vector diffusion-weighted imaging reveals microscopic diffusion anisotropy in the living human brain. Magn Reson Med 2013; 69: 1072-1082
Lawrenz M, Finsterbusch J
- Mapping of Microscopic Diffusion Anisotropy in the Living Human Brain. Proc. Int. Soc. Magn. Reson. Med. 21, 2069 (2013)
Lawrenz M, Finsterbusch J
- Evidence for the Detection of Microscopic Diffusion Anisotropy in Human Gray Matter in vivo. Proc. Int. Soc. Magn. Reson. Med. 22, 2635 (2014)
Lawrenz M, Finsterbusch J
- Reproducibiulity and Normal Values of Microscopic Diffusion Anisotropy Measures in Healthy Volunteers. Proc. Int. Soc. Magn. Reson. Med. 22, 2635 (2014)
Lawrenz M, Finsterbusch J
- Age-related Changes in the Human Brain: Insight from Double- Wave-Vector Imaging. Proc. Int. Soc. Magn. Reson. Med. 23, 724 (2015)
Lawrenz M, Finsterbusch J
- Mapping measures of microscopic diffusion anisotropy in human brain white matter in vivo with double-wave-vector diffusion-weighted imaging. Magn Reson Med 2015; 73: 773-783
Lawrenz M, Finsterbusch J
(See online at https://doi.org/10.1002/mrm.25140) - Microscopic diffusion anisotropy in the human brain: reproducibility, normal values, and comparison with the fractional anisotropy. Neuroimage 2015; 109: 283-297
Lawrenz M, Brassen S, Finsterbusch J
(See online at https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2015.01.025)
