先端的脳MRIと疾患進行モデリングを用いた神経変性疾患の進行予測

• Project/Area Number: 21K07690
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 52040:Radiological sciences-related
• Research Institution: Juntendo University (2022-2023); Tokyo Metropolitan Geriatric Hospital and Institute of Gerontology (2021)
• Principal Investigator: 下地 啓五 順天堂大学, 医学部, 准教授 (20348931)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: brain / MRI / 拡散テンソルイメージング / 神経突起イメージング / DTI-ALPS / harmonization / magnetic resonance / diffusion

Outline of Research at the Start

機械学習技術SuStaInは縦断データではなく横断データから脳神経変性疾患の進行メカニズムを推定可能です。本研究課題では限りある脳神経変性疾患の横断データから疾患の時間的進行パターンを推定することができる機械学習技術SuStaInと、これまで神経変性疾患の病態評価に利用してきた既存のMRI技術と知見を併せて検討することで、脳神経変性疾患の時間的進行パターンの解明を目指します。

Outline of Annual Research Achievements

大脳皮質基底膜症候群を呈する大脳皮質変性症（CBD-CBS）とリチャードソン症候群を伴う進行性核上性麻痺（PSP-RS）の鑑別は特に初期においては臨床症状や病態が密接に重なるためしばしば困難である。我々はクラスタリングと疾患進行モデリングを統合した新しい教師なし機械学習技術であるSubtype and Stage Inference（SuStaIn）を用いて、横断的データに基づく純粋なCBS患者とPSP-RS患者の脳萎縮の時間的進行パターンの違いを検討した。令和4～5年度に予定していた次世代的定量MRIや臨床データを用いた脳神経変性疾患の進行パターンの推定の検討を進める予定であったが、利用可能なデータが多施設で取得されたものでありMRI機種や撮像プロトコルが異なるため、疾患による変化と施設間差による影響を分離できない問題があった。この「施設間差による影響を除去（調和）」するため、拡散MRI定量値（拡散テンソルイメージング・神経突起イメージング・diffusion tensor image analysis along the perivascular space [DTI-ALPS]）の調和を検討した。また、多施設データを用いた場合でも施設間差による影響を除去して、疾患による影響を検出可能であることを示した。さらに、マルチサイト研究における dMRI メトリックのばらつきが、精神疾患や神経変性疾患の微細な病理学的変化の検出を困難にしていることから、大規模な移動被験者データセットを用いて、白質領域における DTI および NODDI メトリックの調和のためのComBatとTS-GLMの性能を検証した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初、令和4～5年度に予定していた次世代的定量MRIや臨床データを用いた脳神経変性疾患の進行パターンの推定の検討を進める上で問題となっていた「施設間差による影響を除去（調和）」を解決するため、拡散MRI定量値の調和を検討し、多施設データを用いた場合でも施設間差による影響を除去して、疾患による影響を検出可能であることを示した。本研究の成果として、DTI-ALPSの調和について論文化し（doi: 10.1007/s11604-023-01415-0.）、拡散テンソルイメージング・神経突起イメージングの調和についても論文化した（doi: 10.14336/AD.2023.1020.）。

Strategy for Future Research Activity

疾患進行パターンとそのサブタイプ分類が可能な教師なし機械学習SuStaInを用いて、次世代的定量MRIや臨床データを用いた脳神経変性疾患の進行パターンの推定の検討を進める。
次年度への繰り越し金は論文投稿時の英文校正費、オープンアクセスジャーナルの掲載費などに使用する予定。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Centre for Medical Image Computing/Department of Computer Science/University College London(英国)
• [Journal Article] Glymphatic system impairment in corticobasal syndrome: diffusion tensor image analysis along the perivascular space (DTI-ALPS). (2023)
  • Author(s): Saito Y, Kamagata K, Andica C, Uchida W, Takabayashi K, Yoshida S, Nakaya M, Tanaka Y, Kamio S, Sato K, Nishizawa M, Akashi T, Shimoji K, Wada A, Aoki S.
  • Journal Title: Japanese journal of radiology. Volume: Nov;41(11) Issue: 11 Pages: 1226-1235
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01454-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Glymphatic system impairment in sleep disruption: diffusion tensor image analysis along the perivascular space (DTI-ALPS) (2023)
  • Author(s): Saito Y, Hayakawa Y(equal contribution), Kamagata K, Kikuta J, Mita T, Andica C, Taoka T, Uchida W, Takabayashi K, Tuerxun R, Mahemuti Z, Yoshida S, Kitagawa T, Arai T, Suzuki A, Sato K, Nishizawa M, Akashi T, Shimoji K, Wada A, Aoki S
  • Journal Title: Japanese Journal of Radiology Volume: 41 Issue: 12 Pages: 1335-1343
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01463-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deep Learning-Driven Transformation: A Novel Approach for Mitigating Batch Effects in Diffusion MRI Beyond Traditional Harmonization. (2023)
  • Author(s): Wada A, Akashi T, Hagiwara A, Nishizawa M, Shimoji K, Kikuta J, Maekawa T, Sano K, Kamagata K, Nakanishi A, Aoki S.
  • Journal Title: Journal of magnetic resonance imaging : JMRI. Volume: Oct 25 Issue: 2 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1002/jmri.29088
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Traveling Subject-Informed Harmonization Increases Reliability of Brain Diffusion Tensor and Neurite Mapping (2023)
  • Author(s): Saito Yuya、Kamagata Koji、Andica Christina、Maikusa Norihide、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Yoshida Seina、Hagiwara Akifumi、Fujita Shohei、Akashi Toshiaki、Wada Akihiko、Irie Ryusuke、Shimoji Keigo、Hori Masaaki、Kamiya Kouhei、Koike Shinsuke、Hayashi Takuya、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Aging and Disease Volume: Online ahead of print Pages: 1-16
  • DOI: 10.14336/ad.2023.1020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reproducibility of automated calculation technique for diffusion tensor image analysis along the perivascular space (2023)
  • Author(s): Saito Yuya、Kamagata Koji、Andica Christina、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Yoshida Seina、Nakaya Moto、Tanaka Yuya、Kamiyo Satoru、Sato Kanako、Nishizawa Mitsuo、Akashi Toshiaki、Shimoji Keigo、Wada Akihiko、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Japanese Journal of Radiology Volume: － Issue: 9 Pages: 947-954
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01415-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temporal Progression Patterns of Brain Atrophy in Corticobasal Syndrome and Progressive Supranuclear Palsy Revealed by Subtype and Stage Inference (SuStaIn) (2022)
  • Author(s): Saito Yuya、Kamagata Koji、Wijeratne Peter A.、Andica Christina、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Fujita Shohei、Akashi Toshiaki、Wada Akihiko、Shimoji Keigo、Hori Masaaki、Masutani Yoshitaka、Alexander Daniel C.、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Frontiers in Neurology Volume: 13 Pages: 814768-814768
  • DOI: 10.3389/fneur.2022.814768
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Harmonization of the multisite ALPS-index based on DTI-ALPS using the combined association test (2023)
  • Author(s): Yuya Saito, Koji Kamagata, Toshiaki Taoka, Christina Andica, Wataru Uchida, Kaito Takabayashi, Mana Owaki, Seina Yoshida, Keigo Yamazaki, Shohei Fujita, Akifumi Hagiwara, Junko Kikuta, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Keigo Shimoji, Masaaki Hori, Shinji Naganawa and Shigeki Aoki
  • Organizer: ISMRM Annual Meeting & Exhibition
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Classification of corticobasal degeneration and progressive supranuclear palsy using machine learning based on brain MRI (2022)
  • Author(s): Yuya Saito , Koji Kamagata , Christina Andica, Wataru Uchida, Takabayashi Kaito, Mana Owaki, Akifumi Hagiwara, Shohei Fujita, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Keigo Shimoji, Masaaki Hori, and Shigeki Aoki
  • Organizer: 第45回日本脳神経CI学会総会
• [Presentation] Impact of DTI metrics harmonization on multicenter Alzheimer’s disease study (2022)
  • Author(s): Yuya Saito , Koji Kamagata , Christina Andica, Wataru Uchida, Takabayashi Kaito, Seina Yoshida, Mana Owaki, Akifumi Hagiwara, Shohei Fujita, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Ryusuke Irie, Keigo Shimoji, Masaaki Hori, and Shigeki Aoki
  • Organizer: 第50回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] Harmonization of multicenter DTI and NODDI data using ComBat and TS-GLM (2022)
  • Author(s): Yuya Saito, Koji Kamagata, Christina Andica, Norihide Maikusa, Wataru Uchida, Takabayashi Kaito, Seina Yoshida, Mana Owaki, Akifumi Hagiwara, Shohei Fujita, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Ryusuke Irie, Keigo Shimoji, Masaaki Hori, Kohei Kamiya, Shinsuke Koike, Takuya Hayashi, and Shigeki Aoki
  • Organizer: 第50回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] Harmonization of multi-site DTI and NODDI data using the combined association test (2022)
  • Author(s): Yuya Saito, Koji Kamagata, Christina Andica, Norihide Maikusa, Wataru Uchida, Takabayashi Kaito, Seina Yoshida, Mana Owaki, Akifumi Hagiwara, Shohei Fujita, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Ryusuke Irie, Keigo Shimoji, Masaaki Hori, Kohei Kamiya, Shinsuke Koike, Takuya Hayashi, and Shigeki Aoki
  • Organizer: ISMRM 31th Annual Meeting & Exhibition
  • Int'l Joint Research