Model-based analysis of diffusion Magnetic Resonance: study of microstructural damage in white matter and gray matter diseases

Diffusion MRI (dMRI) is a technique for the non-invasive characterization of the microstructural properties of biological tissues. Conventional dMRI methods, such as Diffusion Tensor Imaging (DTI), rely on rather simple hypotheses relevant to hindered anisotropic diffusion homogeneous within each voxel, which limit their sensitivity and specificity. To overcome these limits, several advanced dMRI techniques have been developed; in particular multi-compartment models disentangle hindered and restricted, isotropic and anisotropic diffusion. The aim of this work is to investigate the feasibility and the potential benefits of multi-compartment dMRI models in clinical studies on neurological disease involving gray matter (GM) or white matter (WM), with a translational approach. Three applications were tested: the study of gray matter alterations in Creutzfeldt-Jakob Disease (CJD), the microstructural characterization of brain tumors and the reconstruction of the trajectory of WM tracts (tractography) in patients with peritumoral edema. In the first case, two possible neuropathological mechanisms were investigated and novel biomarkers for CJD were provided, likely more sensitive and specific to this pathology than usual DTI-derived measures. In the second application, the parameters derived from a multi-compartment model allowed the characterization of different lesion component and the differentiation of tumor grades better than DTI parameters. Finally, the use of a multi-compartment model allowed the robust reconstruction of WM tracts through areas of peritumoral vasogenic edema, which is usually not possible with DTI-based tractography. In conclusion, the application of dMRI multi-compartment models in clinical research is feasible and can provide more accurate information about brain microstructure than traditional dMRI methods.

La risonanza magnetica peseta in diffusione (dMRI) è una tecnica che caratterizza in modo non invasivo le proprietà microstrutturali dei tessuti biologici. I metodi dMRI convenzionali, come il Diffusion Tensor Imaging (DTI), si basano su ipotesi relativamente semplici che descrivono la diffusione come ostacolata ed anisotropa in modo omogeneo in ogni voxel, e questo ne limita sensitività e specificità. Per superare questi limiti sono state sviluppate numerose tecniche avanzate di dMRI; in particolare, i modelli multicompartimentali permettono di differenziare condizioni di diffusione ostacolata e ristretta, isotropa e anisotropa. Lo scopo di questo lavoro è studiare la fattibilità e i potenziali vantaggi dell’applicazione di modelli dMRI multicompartimentali in studi clinici su malattie neurologiche che coinvolgono la sostanza grigia o la sostanza bianca. Tre applicazioni sono state considerate: lo studio delle alterazioni della sostanza grigia nella malattia di Creutzfeldt-Jakob, la caratterizzazione microstrutturale dei tumori cerebrali e la ricostruzione dei fasci di sostanza bianca (trattografia) in pazienti con edema peritumorale. Nel primo caso sono stati studiati due possibili meccanismi neuropatologici e sono stati forniti nuovi biomarker per la malattia di Creutzfeldt-Jakob, che promettono di essere più sensibili e specifici per questa patologia rispetto alle misure DTI. Nella seconda applicazione i parametri derivati da un modello multicompartimentale hanno permesso la caratterizzazione delle diverse componenti delle lesioni e la differenziazione dei gradi dei tumori in modo più affidabile rispetto ai parametri DTI. Infine, l’uso di un modello multicompartimentale ha permesso un’affidabile ricostruzione dei tratti di sostanza bianca attraverso aree di edema vasogenico, che normalmente non è possibile con tecniche di trattografia basata su DTI. In conclusione, l’applicazione di modelli dMRI multicompartimentali nella ricerca clinica è possibile e può fornire informazioni microstrutturali più accurate dei metodi tradizionali.