各向同性ADC-fMRI技术实现人脑灰质与白质活动的无偏映射

为解决传统BOLD-fMRI(血氧水平依赖功能磁共振成像)对白质活动检测的局限性，瑞士洛桑联邦理工学院团队开发了基于球形b张量编码的各向同性ADC-fMRI技术。该研究通过视觉和运动任务实验证明，新方法能同步检测灰质和白质神经活动，且不受纤维方向性影响，时间分辨率较线性编码提升3倍。这项发表于《Nature Communications》的成果为全脑功能连接研究提供了新工具。

　　

脑功能成像领域长期面临一个关键挑战：传统BOLD-fMRI技术虽能有效检测灰质活动，但对白质神经活动的映射始终存在争议。由于白质血管密度低、血流动力学响应异质性高，其BOLD信号常被当作噪声处理。然而，白质作为大脑信息传导的高速公路，其功能评估对神经系统疾病诊疗至关重要。这种技术局限严重阻碍了全脑功能网络的完整解析。

瑞士洛桑联邦理工学院Ileana O. Jelescu团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地开发了基于球形b张量编码(spherical b-tensor encoding)的各向同性ADC(表观扩散系数)-fMRI技术。该技术通过捕捉神经活动引发的细胞形态学变化（如轴突肿胀、星形胶质细胞突起变形等），实现了对灰质和白质活动的无偏检测。研究包含12名受试者的视觉刺激实验和11名受试者的运动任务实验，通过对比传统BOLD-fMRI、线性ADC-fMRI和新方法的表现，证实各向同性ADC-fMRI具有三大优势：时间特异性更强（任务响应比BOLD快2.6秒）、白质检测比例显著提高（46% vs BOLD的12.4%），且完全消除纤维方向性偏差。

关键技术包括：1）临床3T MRI配备80mT/m梯度系统；2）交替采集b=200/1000 s mm^-2的球形编码扩散数据；3）蒙特卡洛扩散模拟验证纤维角度依赖性；4）多回波BOLD-fMRI作为对照；5）基于CATERPillar工具生成的白质数值模型。

研究结果部分：
视觉刺激任务
通过闪烁棋盘格范式发现，各向同性ADC-fMRI在视辐射区检测到对称激活（z≥1.5），而BOLD-fMRI仅显示皮层激活。时间曲线显示ADC-fMRI响应速度较BOLD快3倍（1.5秒 vs 4.1秒达50%峰值）。线性ADC-fMRI存在明显方向偏好，在纤维与编码方向垂直时信号变化最大（-1.3% vs 平行方向-0.2%）。

运动任务
手指敲击实验再现了ADC-fMRI的优势：在皮质脊髓束和初级运动皮层（BA4区）同时检测到活动，白质激活比例达41.7%。值得注意的是，BOLD信号在运动任务中的幅度（1.1%）显著低于视觉任务（2.5%），而ADC-fMRI响应幅度稳定（约-1.2%）。

方向性验证
数值模拟显示，当轴突体积膨胀0.5%时，线性ADC测量值随纤维角度变化达300%，而各向同性ADC变化仅±5%。这解释了为何临床数据中线性编码更易漏检平行纤维方向的白质活动。

讨论指出，该技术突破主要体现在三方面：首先，通过消除血管污染（采用shifted ADC计算法），使神经形态学耦合信号占比提升；其次，球形编码单次采集即实现全方向覆盖，时间分辨率较线性编码三方向平均法提升3倍；最后，为中风后白质功能评估、神经外科规划等临床场景提供了新工具。研究也承认当前SNR限制（视辐射深部tSNR仅15），建议未来结合超高场强（7T以上）进一步优化。这项技术将推动从"灰质中心主义"向全脑功能网络的范式转变，为揭示神经精神疾病的白质功能障碍机制开辟新途径。