Elucidation of microstructural changes in spinal cord during recovery process of sensorimotor damage at extremities caused by brain and spinal cord diseases

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K08161
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: 堀 正明 順天堂大学, 医学部, 客員准教授 (40334867)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 脊髄 / MRI / 定量分析 / 髄鞘 / 軸索

Outline of Annual Research Achievements

前年度から引き続き、脊髄脊椎のMRI撮像に関するシーケンスや撮像条件の最適化および、世界的に新たに提唱されている方法を含む画像解析法の再検討、および得られた定量値の妥当性の検討、正常ボランティアでの撮像およびデータの確認を行った。本研究に関連する過去の研究成果から、脊髄の軸索のマッピングおよび定量解析として、周囲に空気や骨といった磁化率の変化が局的に強い環境下における脊髄という部位のMRIデータ収集における特殊性を勘案し、脳および他の部位で広く応用されているsingle-shot EPI法による評価ではなく、過去の研究にも用いたSimultaneous Multi-Slice Readout Segmentation of Long Variable Echo-trainsやregional excitation techniqueを用いて、撮像条件の至適化や実際の撮像、妥当性の検討を引き続き行った。さらに、生体における脊髄のミエリンの評価方法としては、磁化率移動を用いた手法を主として候補としているが、MRIにおける定量的緩和係数などの定量的測定等他の撮像手法も考慮し、撮像条件の最適化およびテスト撮像、解析およびを行った。また、MRI画像の撮像後処理は脳科学等で用いられているような手法を基本とし、本研究向けに妥当性の確認および一部改変を行った。
また、前年同様正常および疾患群のMRIデータより、脊髄の軸索および髄鞘の定量的変化を検討したが、COVID-19の影響もあり、想定よりデータ収集がすすまなかった。
さらに研究当初より導入されている、客観性の高い脊髄MRI画像の解析手法である、Spinal cord toolboxを用いて、脊髄におけるMRI画像の定量値に関して解析を行い、その検討過程における技術的検討の結果の一部を、海外学会（国際磁気共鳴医学会）にて発表した。また、引き続き本ソフトウェアの開発者であるカナダ・モントリオール工科大学のJulien先生と、脊髄MRIの技術的な問題点や今後の研究に関してオンラインで相談、協議を行った。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

昨年同様、脊髄の解析手法として、MRIを用いた複数の軸索や髄鞘における定量化評価が可能となってきており、その撮像手法や撮像における各種パラメーター、および解析手法の選択や解析における条件の至適化等、正常値における妥当性の検討が行われた。ただし、脊髄という部位の特殊性および世界的にもみても他の比較検討の報告が僅少であるという事情もあり、いずれの比較検討にも想定よる若干時間がかかっている。
本研究の基礎的検討の一部である、脊髄MRI撮像における技術的な問題の解決や、考えられうる解決手法あるいは臨床応用に関する検討結果は英文論文として報告することが可能であった（Hori M, et al. Advanced Diffusion MR Imaging for Multiple Sclerosis in the Brain and Spinal Cord. Magn Reson Med Sci. 2022 Mar 1;21(1):58-70.　査読あり Hori M, et al. Low-Field Magnetic Resonance Imaging: Its History and Renaissance. Invest Radiol. 2021 Nov 1;56(11):669-679.　査読あり）。
従って、解析手法の妥当性に関しては若干ではあるが前年より進展があると思われる。しかし現状でも特に臨床応用において常に安定した解析目的に良好なデータの質とは言い難くその定量値の不均一性の改善は依然として課題である。
また、脊髄の疾患群におけるデータ収集に関しては、予想した疾患群においてCOVID-19の影響があり事前の予想と比してやや滞っている。従って、さらに引き続きデータ収集を加速させる必要がある。

Strategy for Future Research Activity

本研究の遂行については、前年度同様、引き続き脊椎脊髄における定量解析を目的としてMRIデータの収集を、健常ボランティアおよび疾患群にて推進する方針である。脊髄脊椎MRIの部位の特殊性に起因すると思われる画質の不安定性による定量解析への影響を考慮し、かつ現状いまだにCOVID19の影響による様々なアクセスの制限などを要素として考慮すると、研究計画当初に想定した主たる対象疾患群（主に脳梗塞や脳出血等の血管性病変、脳腫瘍、脱髄性疾患等）のデータ取集、解析のみでは、研究の遂行に支障がきたすと予想され、変性疾患（筋萎縮性側索硬化症や変形性脊椎症に伴う神経障害など）も研究対象として考慮すべきであると思われる。
また、研究用のMRIの撮像手法や得られたMRIデータの解析を行うための数的な理論や応用技術は日々改善、更新されているのが現状であり、研究計画当初に想定された撮像手法や解析手法の他に、新たな複数の方法論や技術的な革新の提案が発表されている。（特に人工知能、AI関連）。従って、より効率的かつ効果的な撮像および解析手法の検討や選択が、必要である。
本研究における最も重要なコンセプトは、通常の診療で広く行われているMRI撮像では観察困難である、脊髄脊椎病変内の組織における微細な構造変化の観察や定量化、および視覚的に視認可能なマッピングと臨床症状や予後予想等との相関であり、引き続き、特に疾患群におけるMRI画像データの取集および解析を遂行する。また、横断的なMRIデータ取集のみならず、縦断的な変化およびそこから導き出される予後予測を可能とするための、ある一定の期間をおいての繰り返しのデータ収集も重要であると考えられ、その実現のための体制の構築を目指す。

Causes of Carryover

研究計画時には予定していなかった研究代表者の施設の異動があり、かつ異動後における研究環境の構築の遅延、予定されていた海外研究者との海外における最新の情報交換や検討が、COVID-19によりキャンセルせざるを得ない状況であった。また、COVID-19の影響により、COVID-19以外の患者の受信制限、あるいは、正常ボランティアのMRIへのアクセス制限など画像のデータ収集にも大きな障害となる要素があり、研究そのものの遂行が困難であった。それに関連して、本研究の基礎となる脊髄脊椎MRIの撮像手法の至適化に時間が必要となり、想定を下回るデータ数で試験的な解析のみしか行えない現状があった。さらに本研究の妥当性を検討した結果、研究計画時の想定以外の疾患群（進行性の特定の変性疾患等）のデータ収集の準備の必要があった。
本年度は、脊椎脊髄のMRIデータの撮像収集、解析を、健常ボランティアおよび病的状態にある場合の被験者でさらに加速して実施する。このためのデータ収集のためのボランティアや、撮像および解析補助に関する謝金が必要である。また、疾患群におけるMRIデータを、個人情報を保全、匿名化しつつ解析、運用するための機器や記憶媒体に関する費用が必要と思われる
さらに、本研究に関する最新の知見、情報交換あるいは成果の発表のための国内外での学会、研究会への参加を予定している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Ecole Polytechnique de Montreal(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: Ecole Polytechnique de Montreal
• [Journal Article] Advanced Diffusion MR Imaging for Multiple Sclerosis in the Brain and Spinal Cord. (2022)
  • Author(s): Hori M, Maekawa T, Kamiya K, Hagiwara A, Goto M, Takemura MY, Fujita S, Andica C, Kamagata K, Cohen-Adad J, Aoki S.
  • Journal Title: Magn Reson Med Sci. Volume: 21 Pages: 58-70
  • DOI: 10.2463/mrms.rev.2021-0091
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Low-Field Magnetic Resonance Imaging: Its History and Renaissance. (2021)
  • Author(s): Hori M, Hagiwara A, Goto M, Wada A, Aoki S.
  • Journal Title: Invest Radiol. Volume: 56 Pages: 669-679
  • DOI: 10.1097/RLI.0000000000000810.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Free Water Eliminated White Matter Tract Integrity of Spinal Cord in Multiple Sclerosis and Neuromyelitis Optica Spectrum Disorder (2021)
  • Author(s): Masaaki Hori, Kouhei Kamiya, Akifumi Hagiwara, Kazumasa Yokoyama, Issei Fukunaga, Katsuhiro Sano, Koji Kamagata, Katsutoshi Murata, Shohei Fujita, Christina Andica, Akihiko Wada, Julien Cohen-Adad, and Shigeki Aoki
  • Organizer: ISMRM 2021 第29回国際磁気共鳴学会
  • Int'l Joint Research