文献精读 | 基于高时空分辨率动态增强MRI探究不同麻醉对小鼠脑脊液转运的影响

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背  景

BACKGROUND

    目前，类淋巴系统被认为是一个通过脑脊液（CSF）与组织液动态交换从而完成全脑范围内代谢的转运网络。该模型理论认为，脑脊液沿着具有特异性结构和极性的动脉旁间隙进入脑实质，随后，将组织液中的溶质和代谢废物沿着静脉旁间隙排出，并最终将其清除至脑膜和颈部淋巴系统。在众多在体大脑成像方法中，MRI因可为其提供较高的空间和时间分辨率而广泛应用，其中动态增强MRI（DCE-MRI）常采用3D射频扰相梯度回波序列并配合使用顺磁性造影剂（如螯合钆）以完成扫描。在麻醉或清醒的大鼠、小鼠、非人灵长类动物和人类的类淋巴系统的转运研究中，DEC-MRI通常使用T1-FLASH序列。虽然FLASH序列可以可靠地定量化地反映类淋巴系统转运信息，但它在时间分辨率上仍略显不足（高于2.5 min），同时也无法获得低于0.001 mm3的体素，从而导致其无法捕捉到某些的生理细节。

    考虑到FLASH序列的这一局限性，作者提出采用3D-FISP序列完成DCE-MRI的扫描。与FLASH序列相比，3D-FISP序列得益于其横向磁化的部分重聚焦，从而具有更高的信噪比（SNR）。由于其具有在规律间隔的低振幅回波序列中快速采集的能力，FISP序列可在快速扫描采集下的同时提高图像信噪比。因此，将FISP序列应用于小鼠DCE-MRI扫描可显著增加图像的空间和时间分辨率。此外，FISP序列所获得的信号仍然是T2/T1效应函数，并在DCE图像中其T1接近于自旋回波DCE的图像。同时，与FLASH序列相比，FISP序列受B1场的均匀性和磁化率伪影的影响小，并且对B0场不均匀性的敏感性低于平面回波。

    在该研究中，作者尝试了一种新的3D-FISP DCE-MRI技术，用来提高对小鼠类淋巴系统进行成像时的时间和空间分辨率。此外，还进一步比较了在异氟醚（ISO）或氯胺酮/甲苯噻嗪（K/X）状态下小鼠的脑脊液转运的动力学。

方 法

METHODS

1. 研究中相关MRI扫描序列及参数如下表：

2.研究主要选取的13个感兴趣区（VOIs）如下图：

3. 研究中用于比较分析的主要参数如下：

（1） 达峰时间和峰值：达峰时间，即开始注射造影剂钆与最大负秩和（即CSF信号强度的峰值）时间点之间的差值。

（2） 到达时间和持续时间：到达时间，即距离开始注射最近的时间点，该时间点下具有最小负秩和且其随后的10个时间点的负秩和连续降低；持续时间，即CSF信号强度与基线有显著差异时，第一个时间点与最后一个时间点的时间差。

（3）曲线下面积：即所有大于0的信号强度之和。

结 果

RESULTS

3D-FISP的T1敏感性和SNR效能

    研究者通过计算比较含有不同钆浓度水模的RARE图像的T1值（图1A）和FISP图像的信号强度（图1B）发现，钆的1/T1与其浓度呈线性相关（Pearson’s r = 0.996，图1C)，并且与其对应的FISP信号强度具有高度相关性（Spearman’s ρ = −0.952，图1D）。此外，相比于FLASH序列，基于FISP序列的DCE-MRI在观察脑脊液运转过程方面具有明显优势。例如，具有高空间分辨率的FISP序列可以观察到造影剂进入耳蜗的现象（图1E，见箭头），然而FLASH序列几乎无法观察到该现象（图1G）。为进一步检测FISP信号的敏感性及其效能，作者比较了FISP（图1F）和FLASH（图1H）冠状切面图像的SNR。结果显示，相比于FLASH序列，FISP图像具有更高的信噪比（图1I）。此外，通过对从背侧到腹侧不同深度的MR信号比较后同样表明，与FLASH序列相比，FISP序列将颅底组织的信噪比提高了200%（图1I）。

▲ 图 1

研究人群ISO和K/X状态下CSF动力学比较

1) 大脑后部（小脑延髓池及脊髓）CSF信号增强

   相比于ISO麻醉，K/X麻醉的小鼠在小脑延髓池处信号增加更高，并且在脊髓颈段区域信号增加更持久（图2）。和ISO状态相比，K/X状态下的造影剂信号同样在注射后3min在小脑延髓池处出现，但其峰值则相对延后了5min，且其峰值几乎是ISO状态下的两倍。此外，在上述两种麻醉状态下，脊髓内造影剂信号几乎也同时开始出现，但在K/X状态下，其信号增加的持续时间均延长了2.5min。与ISO状态相比，在K/X状态下脊髓处信号峰值强度与其相似，但信号峰值持续时间则明显增加。

▲ 图 2

2) ISO状态下造影剂在蛛网膜下腔内转运减慢

    在ISO和K/X两种状态下，作者均观察到了相似的造影剂转运模式，即造影剂从小脑延髓池经蛛网膜下腔池弥散至Willis环，随后沿大脑中动脉（MCA）进入脑实质以及朝嗅球方向继续向前扩散。然而，在ISO状态下其信号增强的峰值和总体幅度均较低（图3）。两种状态下，其造影剂在基底孔和Willis环处转运差异尤为明显。两种状态下造影剂转运的差异具体表现为：(1) 在所有蛛网膜下腔的VOIs中，ISO和K/X状态下的造影剂的到达时间相似，但在基底动脉处的VOI，K/X状态下的造影剂到达时间较晚；(2) 相比于ISO状态下，K/X状态下其蛛网膜下腔的VOIs的信号峰值均出现了4~6min的延迟。此外，在Willis环和MCA周围区域，K/X状态下的信号峰值约为ISO状态下的2倍。

▲ 图 3 

3) 相比于ISO状态，K/X状态下更多造影剂进入脑实质

    研究者随后比较了距大脑中动脉根部1.5和3.0 mm处脑实质内造影剂信号增强情况（图4）。在靠近MCA根部的VOIs，ISO状态下造影剂在开始注射15 min后首次出现，而K/X状态下造影剂的出现则延迟了3.5 min。类似地，K/X状态下造影剂信号达峰时间同样也延迟了4min，但其信号峰值则高于ISO状态。此外，造影剂并不局限于MCA根部周围的空间，这一现象提示脑脊液可能沿着交通动脉和腔隙动脉在脑实质内继续转运（图4K，L）。然而，在距MCA根部3.0mm处VOIs的信号增强在上述两种麻醉状态下则无明显差异。

▲ 图 4 

4) 清除路径：CSF在ISO状态下经颅神经节排出，在K/X状态下则经鼻甲和咽部区域排出

   随后，作者进一步重点观察了两种麻醉状态下CSF的清除路径。在K/X状态下，作者观察到CSF主要的清除途径是通过鼻甲向咽部区域流动，而在ISO状态下，CSF的清除途径主要是经基底孔向颈静脉孔附近的颅神经节区域流动（图5)。相比于K/X状态，在ISO状态下颅神经节的信号峰值增加了4倍，并且其信号增强的持续时间比K/X状态下延长了4min；而在另一方面，在K/X状态下，鼻甲区域的脑脊液信号强度增加明显，且其峰值是ISO状态下的三倍以上。此外，在K/X状态下，作者观察鼻甲区域的造影剂随之被清除转运至下颌骨淋巴结区域，但在ISO状态下并未观察到该现象。为明确造影剂流经的颅神经节的解剖结构，作者随后进一步将其免疫组化图像与相应的MR图像进行比较，结果发现MR图像中的颅神经节位置与第10颅神经（迷走神经）的颈部神经节相对应（图6）。

▲ 图 5 

▲ 图 6 

5) K/X和ISO状态下CSF转运路径各异

    在上述两种状态下，CSF中造影剂在脑内的分布有着显著差异（图7）。与K/X相比，ISO状态下脑脊液转运得更快，主要表现为造影剂信号的到达时间明显缩短，尤其在基底动脉、咽和颅神经节处的VOIs中更为明显。此外，相比于K/X状态，ISO状态下所有的VOIs的信号达峰时间提前了约5 min，并且其信号增强的持续时间则缩短了约2.5min。尽管如此，两种状态对造影剂转运影响的最大差异则发生在沿着蛛网膜下腔分布的VOIs区域，即在Willis环的颈内动脉处和MCA根部。主要表现为，在K/X状态下，CSF要么沿着脊髓向下转运，或者沿着MCA分布到脑实质中，要么转运到嗅球，通过鼻甲和咽部淋巴管清除出颅；而在ISO状态下CSF主要的清除路径则是通过颅神经清除出颅（研究结果中Willis环和MCA 处VOIs的低信号也同样证实了这一结论）。

▲ 图 7 

总  结

CONCLUSION

    该研究创新地将FISP序列应用到了DCE-MRI研究中，有效地提高了MR图像的空间和时间分辨率，为研究类淋巴系统的转运提供了新的方法。此外，该研究进一步明确了ISO和K/X两种状态下CSF转运模式的不同，即相比于K/X状态，ISO状态下造影剂经椎管和颅神经鞘快速清除，从而导致其造影剂难以流入脑实质。

原始文献：

Stanton EH, Persson NDÅ, Gomolka RS, Lilius T, Sigurðsson B, Lee H, Xavier ALR, Benveniste H, Nedergaard M, Mori Y. Mapping of CSF transport using high spatiotemporal resolution dynamic contrast-enhanced MRI in mice: Effect of anesthesia. Magn Reson Med. 2021 Jun;85(6):3326-3342. doi: 10.1002/mrm.28645. Epub 2021 Jan 11. PMID: 33426699.