Segmentaciones de la red perivascular derivadas de alta

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9205 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

Se aplicó un flujo de trabajo de segmentación personalizado a imágenes de RM de alto campo ex vivo de cerebros de ratas adquiridas después de la infusión de agente de contraste intraventricular in vivo para generar mapas de los espacios perivasculares (PVS). Las segmentaciones de la red perivascular resultantes permitieron el análisis de las conexiones perivasculares a los ventrículos, la eliminación de solutos parenquimatosos y el transporte dispersivo de solutos dentro de PVS. Numerosas conexiones perivasculares entre la superficie del cerebro y los ventrículos sugieren que los ventrículos se integran en un sistema de eliminación mediado por PVS y aumentan la posibilidad de que el líquido cefalorraquídeo (LCR) regrese del espacio subaracnoideo a los ventrículos a través de PVS. Suponiendo un intercambio rápido de solutos entre los espacios PVS y LCR principalmente por advección, la extensa red perivascular disminuyó la distancia media de depuración desde el parénquima hasta el compartimento de LCR más cercano, lo que resultó en una reducción de más de 21 veces en la escala de tiempo de depuración difusiva estimada, independientemente de la difusividad de solutos. . Esto corresponde a una escala de tiempo de aclaramiento por difusión estimada inferior a 10 minutos para la beta amiloide, lo que sugiere que la distribución generalizada de PVS puede hacer que la difusión sea un mecanismo eficaz de aclaramiento del parénquima. Un análisis adicional de la dispersión de soluto oscilatorio dentro de PVS indica que la advección, en lugar de la dispersión, es probablemente el principal mecanismo de transporte para compuestos disueltos de más de 66 kDa en los segmentos perivasculares largos (> 2 mm) identificados aquí, aunque la dispersión puede ser significativa para compuestos más pequeños en segmentos más cortos. segmentos perivasculares.

Los vasos sanguíneos del cerebro están rodeados por espacios perivasculares delgados (PVS, por sus siglas en inglés) que permiten el intercambio de líquidos entre los compartimentos del líquido intersticial y del líquido cefalorraquídeo (LCR)1. Estas estructuras han llamado mucho la atención recientemente debido al papel que pueden desempeñar en un mecanismo de eliminación de desechos metabólicos tóxicos en todo el cerebro, como la beta-amiloide (Aβ), la proteína que se acumula en la enfermedad de Alzheimer2. Si bien se ha observado una captación rápida del trazador de imágenes del LCR3,4 y eliminación del parénquima5, existe incertidumbre1 con respecto al mecanismo y la dirección del transporte6,7,8, la anatomía de las vías de transporte perivascular arterial, capilar y venoso5, y el efecto de canales de agua aquaporin2 y sleep9 en el transporte. No obstante, el transporte mediado por PVS en el cerebro puede tener implicaciones significativas no solo para las enfermedades neurodegenerativas, sino también para la administración de fármacos al tejido cerebral10 y la migración del cáncer cerebral11,12 y las células inmunitarias13.

Si bien varios estudios han demostrado la captación de trazadores de imágenes en la PVS cerca de la superficie del cerebro3,4,14, pocos han examinado la PVS más profunda y sus conexiones con el LCR en los ventrículos y las cisternas cerebrales15,16. Las secciones histológicas posteriores a la captación del marcador sugieren una red intrincada y extensa de PVS en todo el cerebro17, pero la resolución de las imágenes de todo el cerebro in vivo ha limitado el análisis de la red perivascular intacta a solo los vasos más grandes17,18,19. Existe la necesidad de un mapa 3D de todo el cerebro de las principales estructuras perivasculares para analizar las propiedades de la red perivascular relevantes para el aclaramiento, como las conexiones a los espacios internos del LCR, la distribución de PVS en el parénquima y la longitud del segmento perivascular. Un mapa de PVS permitiría evaluar los posibles mecanismos de transporte perivascular y parenquimatoso, como la difusión, la dispersión y la advección, mediante modelos mecánicos multiescala. Esto es necesario para comprender mejor la eliminación de desechos y planificar con precisión una variedad de técnicas de administración de fármacos, incluida la administración intravenosa, intratecal y mejorada por convección al parénquima.

Aunque no se ha publicado una segmentación de la red perivascular intacta en ratas, según el conocimiento de los autores, se han desarrollado varias estrategias semiautomáticas para segmentar la PVS humana en imágenes clínicas de RM20,21,22,23,24,25. En muchas de estas estrategias, la "tubularidad" o "vasalidad" de la imagen se determina mediante la aplicación de filtros Frangi26 que se basan en la curvatura espacial de la intensidad de la imagen. Al aplicar un umbral a estas imágenes de tubeness, se produce una segmentación de PVS y se incorpora a una metodología de segmentación más grande que a menudo se basa en técnicas de aprendizaje profundo20,21. A pesar de su predominio en la segmentación perivascular humana, el umbral de tubeness no se ha aplicado previamente a la PVS segmentada en ratas o ratones, principalmente porque la resolución de las imágenes de RM in vivo adquiridas durante la administración del agente de contraste cerebroespinal no es lo suficientemente alta para resolver la mayoría de las PVS que contienen el agente de contraste.

Magdoom, et al.16 presentan un conjunto de imágenes de cerebro de rata ex vivo con vóxeles isotrópicos de 40 μm adquiridos a 17,6 T después de la infusión de agente de contraste intraventricular, que revelan numerosas conexiones entre la red perivascular y los ventrículos cerebrales. En el presente estudio, estas imágenes se procesaron nuevamente para producir visualizaciones más claras de la red perivascular que facilitan la identificación de los principales vasos sanguíneos rodeados por EVP permeable. Se desarrolló un flujo de trabajo de segmentación personalizado basado en la tuberosidad para crear mapas 3D de alta resolución del agente de contraste que contiene PVS después de la infusión intraventricular. Los mapas resultantes se usaron para aislar aquellos segmentos perivasculares en la vecindad de los ventrículos y cisternas que pueden servir como rutas de limpieza desde el parénquima hasta los espacios profundos del LCR. Se cuantificó la medida en que el PVS facilita la eliminación de desechos parenquimatosos al reducir la distancia de transporte al sumidero de LCR más cercano. También se desarrolló un modelo de transporte analítico para evaluar la dispersión provocada por el flujo perivascular oscilatorio como mecanismo potencial de transporte de solutos en los segmentos de PVS más largos medidos.

Se observó una captación perivascular extensa de Gd-DTPA-albúmina en todo el cerebro después de la infusión intraventricular. Largos segmentos perivasculares, algunos de más de 3 mm de longitud, se extienden desde la superficie del cerebro hasta los tejidos profundos que rodean el sistema ventricular (fig. 1). Los PVS son visibles como rayas delgadas y brillantes en la coronal (Fig. 1a-h, Video complementario S1 y S2), sagital (Fig. 1i-n, Video complementario S3 y S4) y transversal (Fig. 1o-t, Vídeo complementario S5 y S6) Planos. El PVS que rodea las arterias penetrantes subcorticales (scop) atraviesa la corteza hacia la sustancia blanca subcortical y el tejido periventricular, lo que proporciona vías potenciales para el trazador entre el espacio subaracnoideo dorsal y los ventrículos laterales (Fig. 1a-c, f, j, m). La captación perivascular a lo largo de los vasos corticales más pequeños (cop) probablemente ocurrió dada la densa variedad de rayas radiales brillantes (Fig. 1e-h), aunque los vasos individuales no se distinguen fácilmente.

Proyecciones parciales de intensidad máxima (pMIP). Cada panel es una proyección en 30 cortes paralelos a los planos coronal (a–h), sagital (i–n) y transversal (o–t) para Rat 3 (a–d, i–k y o–q) y Rat 4 (e–h, ln y r–t). Procediendo alfabéticamente, cada panel coronal es posterior al panel anterior, cada panel sagital es lateral al panel anterior y cada panel transversal es ventral al panel anterior para cada animal. Los recipientes notables están etiquetados (consulte la Tabla complementaria S1).

La captación perivascular fue evidente a lo largo de los principales vasos de la superficie ventral, incluida la arteria cerebral anterior (acer), la arteria cerebral media (mcer), la arteria cerebral posterior (pcer), las carótidas internas (ictd) y la arteria basilar (bas) (Fig. 1b, f, i, q, t). Las ramas de estos vasos principales que se extienden dorsalmente hacia el caudado y el mesencéfalo están rodeadas por los segmentos perivasculares más brillantes de las imágenes e incluyen las arterias estriadas anterior (astr), medial (mstr) y posterior (pstr), arterias talámicas ventrales (vth), y arterias coroideas anteriores (ach) (Fig. 1a–c, e–g, j–k, m–n). Varios de estos PVS aparecen continuos con los ventrículos (Fig. 1b, c, f-g), aunque la resolución no es suficiente para determinar si son anatómicamente continuos con el LCR ventricular o si residen en el tejido periventricular a través del cual los solutos podrían difundirse. o fluir hacia los ventrículos. Las PVS rodean numerosos vasos que penetran dorsalmente en el mesencéfalo y el tronco del encéfalo, especialmente cerca de la fisura longitudinal, incluidas las arterias perforantes del tálamo (thp), las arterias mesencefálicas medianas (mmes), las arterias pontinas medianas (mpn) y las arterias medulares medianas (mmd ) (Fig. 1i, l). El último de estos se extiende hacia el cuarto ventrículo dorsal al tronco encefálico. Las PVS también están dispuestas radialmente alrededor del acueducto que rodea las arterias periacueductales lateral (lpaq) y dorsal (dpaq), así como las arterias pontinas medianas (mpn) (Fig. 1d, h). Además de un fuerte realce de contraste en los ventrículos y PVS, un realce más débil estaba presente en las cisternas cuadrigéminas y ambientales (ac) (Fig. 1d, h, i–n, o, r). La captación del agente de contraste en estas cisternas es notable porque se continúan con los espacios externos del LCR y están revestidas por numerosos vasos sanguíneos27. Los espacios perivasculares que rodean algunos vasos sanguíneos cisternales (cbv) son evidentes en la Fig. 1d, h, k, n.

La segmentación de imágenes reveló una red densa de PVS en todo el cerebro (Fig. 2, Fig. S1 complementaria) y numerosos PVS que se extienden desde cerca de los ventrículos hasta la superficie del cerebro y las cisternas (Fig. 3, vasos etiquetados). El PVS segmentado en conjuntos de 30 cortes coronales (Fig. 2a, c, h, j) incluye la gran mayoría del PVS visible en los pMIP para los mismos 30 cortes (Fig. 1b, c, f, g). La estructura 3D de los segmentos perivasculares (Fig. 2b, d, i, k) representa segmentos largos (arterias estriadas y arterias penetrantes subcorticales) y segmentos más cortos dentro de la corteza y el putamen caudado. Estos segmentos más cortos parecen ser espacios perivasculares más pequeños cerca del límite de la resolución de la imagen y vasos orientados perpendicularmente al plano coronal en el putamen caudado. Mientras que el PVS segmentado en la corteza, el tronco encefálico y los alrededores del acueducto tenían generalmente menos de 1 mm de longitud, varios segmentos perivasculares que se originaban en los vasos superficiales y terminaban cerca de los ventrículos tenían más de 2,5 mm de longitud. Las representaciones sólidas indican que ninguna región parenquimatosa está notablemente desprovista de PVS, aunque es evidente la variabilidad entre animales en la captación cortical (Fig. 2e-g, l-m, Fig. S1 complementaria). La captación perivascular del agente de contraste en la corteza, el cuerpo estriado, el tejido periacueductal y el tronco encefálico se cuantificó calculando el porcentaje de vóxeles segmentados como PVS dentro de los volúmenes de interés (VOI) en cada región anatómica (Tabla 1). El volumen porcentual promedio más alto (2,86 ± 0,934) se observó en el cuerpo estriado, mientras que las regiones restantes tenían volúmenes porcentuales promedio entre 1,02 (tejido periacueductal) y 1,89 (corteza). El porcentaje de volumen perivascular segmentado fue un 25 % mayor en la corteza de la Rata 4 que en la Rata 3, lo que es consistente con las representaciones 3D en la Fig. 2. Las imágenes de RM para la Rata 1 revelaron que en este animal el agente de contraste se infundió parcialmente en el periventricular tejido. Esto probablemente explica el mayor porcentaje de volumen perivascular segmentado en el cuerpo estriado y el menor porcentaje de volumen perivascular segmentado en el periacueducto y el tronco encefálico, lejos del sitio de infusión.

Segmentaciones perivasculares y ventriculares. El PVS (dorado) y los ventrículos (azul) segmentados en dos conjuntos de 30 cortes coronales contiguos se superponen en los pMIP correspondientes para la Rata 3 (a, c) y la Rata 4 (h, j). Estos pMIP se muestran con segmentaciones superpuestas para compararlas con las Fig. 1b, c, f, g, respectivamente. Estas segmentaciones de 30 cortes se presentan junto con sus representaciones 3D para Rat 3 (b, d) y Rat 4 (i, k). Todo el PVS (dorado) y los ventrículos (azul) se representan en 3D para la Rata 3 (e-g) y la Rata 4 (l-n). Los paneles (e) y (l) son una vista rostral del plano coronal, (f, m) son una vista dorsal del plano transversal y (g) y (n) son una vista izquierda del plano sagital. Los recipientes notables están etiquetados (consulte la Tabla complementaria S1).

Espacios perivasculares conectados que ocupan regiones periventriculares. Las porciones de la red perivascular que contienen segmentos que atraviesan un margen de tres vóxeles alrededor de los ventrículos se renderizan en 3D para la Rata 3 (a–c) y la Rata 4 (d–f). La columna izquierda es una vista rostral del plano coronal, la columna central es una vista dorsal del plano transversal y la columna derecha es una vista izquierda del plano sagital. La trayectoria de la aguja en cada rata está etiquetada con una estrella roja. Los recipientes notables están etiquetados (consulte la Tabla complementaria S1).

El aislamiento de la porción de la red perivascular que se extiende hacia afuera desde dentro de una región estrecha como máximo a tres vóxeles de la superficie ventricular reveló conexiones entre los ventrículos laterales y los principales vasos de la superficie ventral a través de las arterias coroideas anteriores y las arterias estriadas (Fig. 3a, c, d , f). Se seleccionó un margen de tres vóxeles porque esta región es lo suficientemente estrecha para permitir el transporte relativamente rápido de trazadores perivasculares a los ventrículos. También son evidentes las conexiones perivasculares desde los ventrículos laterales hasta la superficie dorsal a través de arterias penetrantes subcorticales (fig. 3). El PVS que rodea las arterias transversas del hipocampo visibles en los pMIP transversales (Fig. 1o, r) parece conectar el límite caudal de los ventrículos laterales con la cisterna ambiental (Fig. 3b, e). El cuarto ventrículo está cerca del PVS que atraviesa el tronco encefálico y se extiende rostralmente (Fig. 3, f).

La distancia mínima entre cada vóxel de parénquima y el espacio de LCR más cercano se calculó considerando y no considerando que el PVS es un espacio de LCR (Fig. 4). En la rata 4, un animal que mostraba una captación perivascular extensa del trazador, el parénquima estaba en promedio a 0,784 ± 0,516 mm del espacio del LCR más cercano en ausencia de PVS, con algunas regiones parenquimatosas ubicadas a más de 2 mm del espacio del LCR más cercano (Fig. 4g). Estas regiones consistían en porciones de la corteza y el mesencéfalo (Fig. 4a-c). Cuando el PVS se consideró un compartimento de LCR, la distancia mínima media entre el parénquima y el LCR se redujo a 0,169 ± 0,100 mm y todos los vóxeles de parénquima estaban dentro de aproximadamente 0,9 mm de un espacio de LCR (Fig. 4g). Esta reducción en la distancia mínima representa una reducción de más de 21 veces en la escala de tiempo para el aclaramiento difusivo (ver Eq. (2a)) desde el parénquima (Fig. 4h). La distancia mínima de despeje (MCD) promedio más baja en todos los animales se observó en el VOI del cuerpo estriado (0,150 ± 0,00438 mm), mientras que el VOI de la corteza, el tejido periacueductal y el tronco encefálico tuvo valores entre 0,215 mm (tronco encefálico) y 0,229 mm (periacueducto) (Tabla 1). La desviación estándar máxima de la MCD entre animales fue de 62,4 μm en el VOI del tejido periacueductal. Suponiendo que estuviera presente un flujo intersticial en el parénquima como postula la teoría glinfática, se estimó que la presencia de PVS reducía casi cinco veces la escala de tiempo de limpieza advectiva (ver Eq. (2b)) del parénquima.

Distancia mínima entre parénquima y espacios LCR. Las distancias entre los vóxeles de parénquima y el espacio de LCR más cercano sin PVS (a–c) e incluyendo PVS (d–f) para la Rata 4 se presentan como imágenes planas en color. La columna izquierda es una vista rostral del plano coronal, la columna central es una vista dorsal del plano transversal y la columna derecha es una vista izquierda del plano sagital. ( g ) Distribuciones de distancia mínima entre vóxeles de parénquima y los espacios LCR con y sin PVS. (h) Escalas de tiempo de transporte difusivo para un rango de difusividades efectivas de soluto con y sin PVS.

Se realizó un análisis de transporte transitorio en un dominio semiinfinito unidimensional (Fig. 5a) para determinar si la dispersión oscilatoria de solutos puede explicar la captación perivascular observada en nuestro experimento de infusión intraventricular y después de la infusión en la cisterna magna como se informó anteriormente2,14, 19 Suponiendo que los espacios del LCR estuvieran bien mezclados y alcanzaran una alta concentración poco después del inicio de la infusión, el flujo perivascular oscilatorio resultó en un gradiente de concentración perivascular en evolución con regiones principales de baja concentración que viajaban más rápido que las regiones posteriores de mayor concentración. Estas regiones, o frentes de soluto que avanzan, se definen por su fracción característica \(\alpha\) de la concentración de LCR. Para la albúmina, el frente \(\alpha\) = 0.1 viajó alrededor de 1 mm en 40 min mientras que el frente \(\alpha\) = 0.8 viajó alrededor de 150 μm en la misma cantidad de tiempo (Fig. 5c). En comparación, los cerebros con agente de contraste contenían numerosos segmentos de más de 2 mm de largo, algunos de hasta 4 mm (Fig. 5b). La velocidad frontal fue máxima en \(t\) = 0 porque hubo un cambio de paso en la concentración en el límite con el LCR (el gradiente de concentración fue mayor aquí) y fue de poco más de 10 µm/s para \(\alpha\) = 0,1. En un minuto, la velocidad para todos los frentes con \(\alpha\) > 0.1 cayó por debajo de 2 μm/s (Fig. 5d). La distancia recorrida debido a la dispersión oscilatoria varía con la raíz cuadrada del coeficiente de difusión, lo que significa que un cambio de cuatro veces en este coeficiente da como resultado un cambio de dos veces en la distancia recorrida. Los tiempos requeridos para que el frente \(\alpha\) = 0.5 atraviese longitudes perivasculares de 250 μm y 1000 μm para un rango fisiológicamente relevante de difusividades moleculares y dos valores de la literatura de mejora dispersiva, \(k\), se muestran en la Fig. 5e. El frente de soluto de albúmina se retrasó entre 8,11 min (\(k\) = 1,7)6 y 13,14 min (\(k\) = 1,05)7 para atravesar 250 μm, pero mucho más (2,16 h en \(k\) = 1,7 ) para atravesar 1000 μm, de acuerdo con la gráfica de posición frente a tiempo (\(k\) = 1.05) en la Fig. 5c. El frente de soluto para el monómero Aβ (\(D\) = 180 μm2/s)28, siendo más pequeño que la albúmina, atravesó ambas distancias más rápidamente, pero aun así se retrasó 1,00 h (\(k\) = 1,7) y 1,62 h (\ (k\) = 1,05) para recorrer 1000 μm. El frente de soluto para los iones de sodio atravesó 1000 μm en 11,36 min (\(k\) = 1,05).

Dispersión oscilatoria de solutos en PVS. (a) Geometría del modelo de dispersión que consta de una región de LCR bien mezclada con una concentración constante \(C_{1}\) y un segmento perivascular recto semi-infinito adyacente inicialmente con una concentración \(C\) = 0. (b) Longitudes medidas para una muestra (n = 10) de los segmentos perivasculares identificables visualmente más largos en la rata 5. Los puntos de datos se han dispersado horizontalmente para mejorar la visibilidad. (c) Posición y (d) velocidad de avance de los frentes trazadores con concentraciones \(\alpha C_{1}\) a lo largo del tiempo (k = 1,05). (e) Tiempo para atravesar 250 μm y 1000 μm para un rango de difusividades moleculares de soluto. Las líneas continuas y discontinuas indican un aumento del 5 %7 (k = 1,05) y del 70 %6 (k = 1,7) en el coeficiente de difusión (mejora dispersiva) causado por el flujo oscilatorio.

Un cuerpo de literatura en rápido crecimiento sugiere que el PVS se comunica con los espacios del LCR para formar un sistema de eliminación de desechos e intercambio de fluidos en todo el cerebro1,29. Varios estudios preclínicos se han centrado en la captación dinámica del marcador en la PVS cortical desde el espacio subaracnoideo utilizando microscopía de fluorescencia in vivo o histología post mortem2,4,5. Si bien la microscopía de ventana craneal permite un seguimiento en tiempo real y de alta resolución del transporte perivascular, un campo de visión fijo y una profundidad de penetración poco profunda limitan el análisis a una porción pequeña y superficial de la red perivascular. Como resultado, la extensión y la conectividad de la red perivascular de todo el cerebro y su relación funcional con los ventrículos y cisternas cerebrales son poco conocidas. Bedussi, et al.15 observaron la eliminación mediada por PVS en el sistema ventricular después de la infusión en el cuerpo estriado, lo que sugiere que los ventrículos funcionan como un sumidero de eliminación para el tejido parenquimatoso profundo. También se ha observado una fuerte señal del trazador en los tejidos periventricular y cisternal, así como en una densa red de estructuras perivasculares cerca de los ventrículos después de la infusión en la cisterna magna17. Estos resultados implican que el trazador llega a los ventrículos a través de la PVS parenquimatosa profunda, ya que el transporte intraventricular aguas arriba contra el flujo ventricular parece menos plausible. De hecho, los datos de resonancia magnética con contraste dinámico (DCE-MRI) adquiridos durante la infusión intracisternal muestran que el agente de contraste se mueve a través de los espacios perivasculares superficiales en todo el cerebro antes de llegar al acueducto cerebral, lo que indica que el marcador mínimo se mueve aguas arriba a través del sistema ventricular durante la infusión18.

En este estudio, abordamos la necesidad de una visualización 3D de alta resolución de la red perivascular de rata y sus conexiones con los espacios internos del LCR utilizando imágenes de RM ex vivo de alto campo. Aunque se ha observado captación perivascular in vivo17,18,19 del agente de contraste después de la infusión en la cisterna magna con DCE-MRI, la resolución de la imagen en estos estudios limitó el análisis a los grandes vasos de superficie. Proyecciones de máxima intensidad a través de subvolúmenes de imágenes de RM ex vivo de alta resolución (vóxeles isotrópicos de 40 μm) de Magdoom, et al.16 revelaron numerosos segmentos perivasculares que parecían proporcionar una vía directa entre las superficies exteriores del cerebro y los tejidos profundos que rodea los ventrículos cerebrales (Fig. 1a-c, e-g). Varios de estos segmentos tenían entre 2 y 4 mm de longitud (Fig. 5b). En la superficie dorsal se incluyen las arterias penetrantes subcorticales (scop), algunas de las cuales, después de atravesar la corteza, discurren paralelas a las vías de la sustancia blanca. Las ramas perivasculares de los grandes vasos de la superficie ventral, incluidas las arterias coroideas anteriores (ach), las arterias estriadas (astr, mstr, pstr) y las arterias medulares medianas (mmd), parecían pasar o terminar cerca de las superficies ventriculares, aunque la resolución no es suficiente para determinar si son anatómicamente continuos con el LCR ventricular o residen en el tejido periventricular a través del cual los solutos podrían difundirse o fluir hacia los ventrículos. Eran evidentes numerosas conexiones perivasculares entre la cisterna ambiental y los ventrículos a lo largo de las arterias transhipocampales (trhi) y las arterias periacueductales (lpaq, dpaq). La función de eliminación del trhi PVS puede ser especialmente relevante para la enfermedad de Alzheimer dado que la formación de placa y la atrofia en el hipocampo es una característica de la enfermedad30.

Las geometrías del PVS que penetran en el cerebro desde los principales vasos superficiales ventrales y dorsales son consistentes con los atlas cerebrovasculares publicados en ratas y ratones. Se hizo referencia a imágenes extensas de la vasculatura de ratas presentadas en Scremin31 al identificar los grupos de vasos sanguíneos que pueden proporcionar vías de soluto perivasculares desde la superficie del cerebro hasta los ventrículos. Las arterias penetrantes subcorticales (scop) atraviesan la corteza con un estrechamiento mínimo hacia la sustancia blanca subcortical31,32,33 y hacia el parénquima periventricular en algunos casos31. Largas ramas de diámetro relativamente constante que se originan en los principales vasos de la superficie ventral atraviesan el putamen caudado y otras estructuras subcorticales, muchas de las cuales se extienden hasta el parénquima periventricular31,32.

La presencia de vías perivasculares desde la superficie exterior del cerebro hasta el tejido que rodea los ventrículos junto con repetidas observaciones previas de captación rápida del trazador a lo largo de arteriolas penetrantes plantea la posibilidad de transporte de LCR desde el espacio subaracnoideo a los ventrículos a través del PVS. En este caso, los desechos parenquimatosos se eliminarían al menos parcialmente hacia los ventrículos mediante el flujo de retorno del LCR, formando una circulación de eliminación en todo el cerebro. Aunque ligeramente diferente de la circulación glifática propuesta por Iliff, et al.3, en la que el líquido cefalorraquídeo periarterial fluye a través del parénquima y finalmente se elimina a través de los espacios perivenulares, estas circulaciones no son mutuamente excluyentes. Desafortunadamente, nuestros datos de MRI no indican la dirección del transporte del agente de contraste para apoyar directamente el retorno del LCR perivascular a los ventrículos. En nuestro experimento, es posible que el transporte perivascular durante la infusión procediera de los ventrículos hacia afuera debido a la presión ventricular elevada en lugar de viajar a lo largo de la red ventricular al espacio subaracnoideo antes de la captación en el PVS. Sin embargo, estos experimentos se realizaron con el objetivo de delinear la red perivascular, no para rastrear la evolución natural del trazador a lo largo del tiempo. El primero requirió la infusión de una gran cantidad de agente de contraste para desarrollar suficiente contraste en la extensa red perivascular para la visualización con resonancia magnética. Sin embargo, vale la pena señalar que un estudio de infusión anterior que usó una velocidad de flujo más alta (1,6 μL/min) durante un período más largo (60 min) produjo solo cambios sutiles en la presión intracraneal34. Se necesita la combinación de resonancia magnética in vivo durante la infusión del agente de contraste en el LCR y la obtención de imágenes de todo el cerebro ex vivo a mayor resolución para observar la circulación perivascular en todo el cerebro y evaluar los patrones de flujo hipotéticos descritos anteriormente.

La teoría glinfática postula que los desechos se eliminan del parénquima mediante el flujo masivo de líquido intersticial desde las arterias circundantes de PVS a las venas circundantes de PVS2. Esta suposición de flujo aparentemente contradice la evidencia de estudios de iontoforesis en tiempo real (RTI) que indican que la difusión es el principal modo de transporte de solutos en el parénquima35 y pronto fue cuestionada por estudios computacionales que sugerían que se requerirían gradientes de presión no físicos para impulsar el transporte parenquimatoso advectivo6 ,36,37,38. Un estudio de modelado computacional posterior demostró cómo el flujo intersticial lento podría explicar los errores observados en estudios anteriores de RTI y argumentó que el transporte parenquimatoso es probablemente una combinación de advección y difusión39.

En este estudio, consideramos la cuestión del aclaramiento del parénquima desde un punto de vista geométrico que es posible gracias a nuestra segmentación del espacio perivascular. Al calcular la distancia más corta desde cada vóxel de parénquima hasta la superficie del cerebro o los ventrículos, se determinó la distribución espacial de la distancia mínima de depuración (MCD) desde el parénquima hasta el espacio del LCR más cercano. Para la rata 4, el MCD fue en promedio de 0,784 mm correspondiente a una escala de tiempo de difusión para Aβ (\(D^{*}\) = 62,3 μm2/s28) de 2,74 h. Al considerar el PVS como una extensión del compartimento del LCR, el MCD promedio se redujo a 0,169 mm y la escala de tiempo de difusión para Aβ se redujo más de 21 veces a 7,67 min. La naturaleza omnipresente de la red perivascular y su rápido intercambio de solutos, principalmente advectivo, con el LCR parece hacer que la difusión sea un mecanismo viable de eliminación de Aβ del parénquima. Esta posibilidad es análoga al intercambio sistémico por difusión de gases disueltos entre el torrente sanguíneo y el tejido y se ha planteado en el contexto de la eliminación mediada por PVS en revisiones anteriores40,41. Además, la MCD promedio probablemente se sobreestimó debido a que los segmentos perivasculares más pequeños requieren una resolución más alta para distinguirlos. Las distribuciones espaciales informadas previamente del número de Peclet en el cerebro de rata para el ácido gadotérico infundido intratecalmente (Gd-DOTA) derivado de imágenes DCE-MRI sugieren una transición de transporte principalmente advectivo en espacios LCR y PVS más grande a transporte que es principalmente difusivo en el parénquima42. Esto es consistente con los modelos de redes hidráulicas del PVS y el parénquima38,43 que predicen mayormente números de Peclet de moderados a altos en el PVS (\(Pe\) > 0.1) pero mayormente números de Peclet bajos (\(Pe\) < 0.1) en el parénquima. Por supuesto, la reducción en la distancia de eliminación causada por la red perivascular también disminuyó la escala de tiempo de eliminación asumiendo un transporte parenquimatoso puramente advectivo, aunque menos dramáticamente, por un factor de 4,63. Si el flujo masivo intersticial estuviera realmente presente, el transporte procedería como una combinación de advección y difusión según lo dictado por el número de Peclet \(Pe\) para una sustancia en particular. Por ejemplo, una velocidad intersticial de 0,367 µm/s daría como resultado escalas de tiempo de advección y difusión iguales (\(Pe\) = 1) para Aβ sobre el MCD promedio cuando se considera que PVS es un compartimento de LCR.

La captación perivascular rápida de los marcadores de LCR parece depender de las pulsaciones arteriales3,44,45, pero el mecanismo por el cual las pulsaciones impulsan el transporte perivascular no está claro41. Al variar periódicamente el volumen perivascular, se espera que las pulsaciones arteriales produzcan un movimiento de fluido oscilatorio en el PVS, una predicción que ha sido indirectamente confirmada por el movimiento oscilatorio de los trazadores perivasculares46,47. Las pulsaciones vasculares pueden generar un movimiento de fluido neto a través de un mecanismo peristáltico48, aunque esta noción ha sido cuestionada por los resultados del modelo computacional6,49 y, en teoría, al observar que la longitud de onda del pulso es mucho más larga que la longitud típica del segmento perivascular38. El movimiento de fluido oscilatorio tiene el potencial de mejorar el transporte del trazador perivascular sin un flujo de fluido neto a través de la dispersión de Taylor50, que puede aproximarse como un aumento en la difusividad efectiva del trazador. El transporte dispersivo en PVS se ha abordado en estudios computacionales recientes6,7,51. Asgari, et al.6 predijeron un aumento en la difusividad efectiva superior al 27 %, mientras que Troyetsky, et al.7 predijeron un aumento más modesto de alrededor del 5 %.

Aquí, investigamos la captación perivascular dispersiva de albúmina considerando el espacio perivascular como un canal semi-infinito recto adyacente a un compartimento de LCR bien mezclado y rastreando el movimiento de avance de los frentes de trazador con fracciones \(\alfa\) de la concentración de albúmina en LCR . Los frentes que avanzaban con menor concentración se movieron más rápidamente que los frentes con mayor concentración (ver Ec. (6)). Por ejemplo, el frente \(\alpha\) = 0.1 avanzó a poco más de 10 μm/s inicialmente y cubrió alrededor de 1 mm en 40 min, mientras que el frente \(\alpha\) = 0.8 avanzó a poco menos de 2 μm/s inicialmente. y cubrió solo alrededor de 150 μm en la misma cantidad de tiempo (Fig. 5c). Esta distancia de penetración predicha es más corta que las longitudes de muchos segmentos perivasculares (2-4 mm) que muestran un realce fuerte y relativamente uniforme del agente de contraste después de la infusión de 40 minutos (Fig. 5b). La señal en estos segmentos no exhibió variaciones axiales en la concentración como se esperaría de un proceso de transporte dispersivo. La captación observada previamente en los espacios periarteriales parece avanzar más rápido incluso que la concentración más baja (\(\alpha\) = 0,1) frente considerado en el análisis de transporte dispersivo. Las microesferas se mueven en los espacios perivasculares que rodean las arterias piales a 18,7 μm/s4 en promedio, mientras que el frente \(\alpha\) = 0,1 cae a 3,43 μm/s después de 10 s y a 1,09 μm/s después de 100 s. Las velocidades frontales en el transporte dispersivo también dependen del peso molecular, contrario a la evidencia del transporte independiente del peso molecular en los espacios periarteriales18. Las estimaciones de la velocidad de los solutos en los espacios superficiales del LCR, incluido el PVS, derivadas de DCE-MRI mediante la teoría del transporte de masa óptima (rOMT) son más lentas (~ 0,2 μm/s)42, pero estas estimaciones se derivan de vóxeles más grandes que el PVS individual y es probable que no reflejen velocidades perivasculares debido al promedio de volumen. No obstante, el número medio de Peclet en la misma región del LCR fue de alrededor de 80, lo que indica el predominio del transporte advectivo42. Juntos, estos resultados sugieren que la advección, en lugar de la dispersión, fue el principal mecanismo de captación perivascular para el trazador en nuestro experimento y en estudios previos de infusión de LCR con trazadores de peso molecular comparable. Experimentos cuidadosos realizados por otros grupos que involucran un sistema de doble jeringa para mantener constante el volumen de LCR también indican que la captación no es impulsada por una presión de infusión elevada52.

La dispersión naturalmente hará una mayor contribución al transporte para trazadores de mayor difusividad en segmentos perivasculares más cortos. Por ejemplo, el frente \(\alpha\) = 0,5 para el monómero Aβ (\(D\) = 180 μm2/s)28, siendo más pequeño que la albúmina, atravesó 250 μm en 6,06 min (\(k\) = 1,05) , pero requirió 1.62 h (\(k\) = 1.05) para viajar 1000 μm (Fig. 5e). El frente de soluto \(\alpha\) = 0,5 para los iones de sodio atravesó 1000 μm en 11,36 min (\(k\) = 1,05) debido a la dispersión oscilatoria. Estos resultados sugieren que la dispersión oscilatoria puede contribuir sustancialmente al transporte en segmentos perivasculares cortos o al inicio de segmentos perivasculares largos, pero pierde relevancia con el aumento de la longitud del segmento perivascular y el peso molecular del soluto. Incluso para la mayor mejora dispersiva (\(k\) = 1,7) informada para \(D\) = 10 μm2/s en Asgari, et al.6 (la mejora tiende a ser más pequeña con el aumento de la difusividad), el monómero Aβ requirió 1,00 h para viajar 1000 μm (Fig. 5e). Suponiendo que las velocidades de flujo observadas en Mestre, et al.4 (18,7 μm/s) están presentes en el PVS penetrante observado en este estudio, los solutos atravesarían 4 mm (la longitud de los segmentos perivasculares más largos identificados) solo por advección en 3,57 min. lo que sugiere que el intercambio efectivo de LCR es más factible por advección de solutos en PVS.

Las visualizaciones y segmentaciones de la red perivascular presentadas aquí brindan información sobre la estructura y función del sistema glinfático. Hay numerosos segmentos perivasculares largos que se extienden desde las superficies ventral y dorsal del cerebro hasta la vecindad de los ventrículos y las cisternas que pueden servir como vías para la eliminación de desechos a estos espacios internos del LCR y pueden integrar la circulación linfática en la circulación más grande del LCR. Suponiendo un rápido intercambio de fluidos entre los espacios segmentados de PVS y LCR, el PVS puede reducir efectivamente la distancia mínima promedio desde el parénquima hasta el sumidero de LCR más cercano, reduciendo así la escala de tiempo en la que los desechos parenquimatosos pueden difundir esa distancia más de 21 veces, a partir de un tiempo estimado. escala de más de 2 h a una de menos de 10 min. Además, un análisis de transporte transitorio de solutos dentro del PVS sugiere que la dispersión oscilatoria no es el mecanismo de transporte predominante para trazadores grandes en los segmentos perivasculares más largos observados. La suposición de una eliminación rápida del PVS en el análisis de transporte parenquimatoso y la incapacidad de la dispersión para transportar rápidamente el trazador en los segmentos perivasculares largos observados implica que se requiere flujo en el PVS para mantener una eliminación efectiva en todo el parénquima por difusión. El líquido cefalorraquídeo entrante puede filtrarse en el parénquima como se ha postulado previamente y/o fluir hacia los ventrículos y cisternas como sugieren las geometrías de PVS observadas en este estudio. Se espera que el fluido que ingresa al parénquima desde el PVS fluya a velocidades mucho más lentas que las velocidades observadas dentro del PVS pial dado el aumento geométrico en la sección transversal del flujo con la distancia desde el PVS que penetra y la baja conductividad hidráulica en el parénquima. En este escenario, el transporte del parénquima procedería como una combinación de advección y difusión dictada por el número de Peclet \(Pe\) para una sustancia en particular, lo que no descarta necesariamente la difusión como un mecanismo de transporte significativo, si no predominante, en el parénquima. .

El diseño experimental no incluía un medio para distinguir directamente las arterias y las venas, lo que dificultaba determinar si el marcador estaba en el PVS de las venas. Sin embargo, en Magdoom, et al.16, el tinte azul de Evans fue evidente en el tejido que rodea el seno sagital superior, lo que sugiere la presencia de un trazador en la EVP venosa. Solo unos pocos estudios de infusión han mostrado que el trazador rodea las venas1,2,17. Un experimento de angiografía por RM in vivo antes de la infusión ventricular podría distinguir arterias y venas, aunque a menor resolución, y guiar la interpretación de imágenes de alta resolución ex vivo del PVS.

Los mapas de PVS están lo suficientemente resueltos para analizar la conectividad de la red, definir las líneas centrales de los segmentos, medir las longitudes de los segmentos y calcular los cambios en MCD. Sin embargo, las segmentaciones no pueden proporcionar una lectura precisa del volumen perivascular debido al promedio de volumen dentro de los vóxeles de 40 μm. El agente de contraste dentro de las estructuras perivasculares de menos de 40 μm tiene el potencial de afectar la señal de múltiples vóxeles de 40 μm. El tamaño real de la PVS es probablemente más pequeño que su tamaño aparente en las imágenes ex vivo debido al promedio de volumen y la difusión del agente de contraste desde la PVS hacia el parénquima durante el transcurso de la infusión. Sin embargo, el tamaño relativamente grande de la albúmina (66 kDa) limita su difusión en el tejido cerebral (16,3 μm2/s53) y puede dificultar su paso entre los pies astrocíticos que recubren el límite perivascular exterior2. El mayor tamaño aparente del PVS produce una subestimación del MCD. Si un vaso de 17,85 μm de diámetro se encontrara en un vértice compartido entre cuatro vóxeles adyacentes que están segmentados como vóxeles perivasculares debido a la mejora de la señal debido al promedio de volumen y la difusión radial del agente de contraste, la distancia mínima de espacio libre en el plano se subestimaría en 19,36 μm como máximo. . Suponiendo que la mayoría de los PVS segmentados fueran para vasos de aproximadamente 17,85 μm de diámetro54, tener en cuenta esta distancia adicional aumentaría la escala de tiempo de transporte por difusión promedio para Aβ de 7,67 min a 9,53 min. Es razonable esperar que dicho vaso realce estos cuatro vóxeles porque la concentración de albúmina en estos vóxeles sería como mínimo el 45 % de la concentración de albúmina perivascular debido a la difusión radial de albúmina, suponiendo una concentración de albúmina perivascular constante durante 40 min (la duración de la la infusión intraventricular).

El tejido cerebral se fijó después del procedimiento de infusión intraventricular para evitar una mayor difusión de albúmina antes de la obtención de imágenes. Sin embargo, la fijación tiende a encoger ligeramente el tejido cerebral, lo que lleva a que las distancias de separación del parénquima sean algo pequeñas. Ma, et al.55 informan un encogimiento cerebral promedio debido a la fijación de formalina en ratones del 10,6% utilizando mediciones volumétricas derivadas de imágenes de resonancia magnética. Esto equivale a un aumento de volumen del 11,9 % desde la geometría reducida hasta la geometría in vivo. Debido a que el volumen aumenta con el cubo de la longitud, el aumento correspondiente en MCD es 3,81 %. La escala de tiempo de difusión es proporcional a la longitud al cuadrado y aumentaría un 7,76%, de 7,67 min a 8,26 min. El error en MCD asociado con el tamaño aparente de PVS y la contracción cerebral inducida por el fijador produce cambios modestos en la escala de tiempo de difusión insuficientes para socavar la difusión como un mecanismo efectivo de eliminación del parénquima dada la abundancia de espacios perivasculares.

Los espacios extracelulares, incluido el PVS, se colapsan después del sacrificio de animales, presumiblemente debido a la entrada de líquido extracelular en las células y la consiguiente inflamación celular56,57. Sin embargo, es poco probable que las PVS observadas sean un artefacto de su colapso post-mortem. El colapso del PVS podría potencialmente expulsar el agente de contraste de los espacios, restando valor a la visibilidad de la resonancia magnética, haciendo que dichos espacios sean más difíciles de ver, no más aparentes. Alternativamente, la entrada de fluidos en las células después de la muerte podría atraer el LCR y el agente de contraste al PVS como en Du, et al.57, mejorando su visibilidad, pero esto no debería delinear los espacios que estaban ausentes in vivo.

El enfoque ex vivo también impidió la observación directa de la dirección y la velocidad del transporte perivascular. La obtención de imágenes in vivo durante la infusión permitiría la observación dinámica del trazador a expensas de la resolución de la imagen. Como alternativa o adición, podrían adquirirse imágenes ex vivo después de infusiones de varias duraciones. Este enfoque permitiría la observación indirecta de la dirección y la velocidad del transporte perivascular sin sacrificar la resolución de las imágenes. En el análisis de transporte oscilatorio, el flujo de entrada perivascular del SAS impulsado por pulsaciones de vasos u otras fuentes de gradientes de presión no se modelaron explícitamente. Estos factores podrían incorporarse en un modelo de flujo perivascular y transporte de solutos que incluye la geometría segmentada de PVS para investigar más a fondo la mecánica del sistema glinfático mediante la comparación de distribuciones de solutos simuladas con datos de los experimentos in vivo y ex vivo descritos anteriormente.

Todos los procedimientos con animales fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Florida y cumplen con las pautas y regulaciones pertinentes. Los métodos informados aquí se adhieren a las recomendaciones de las pautas ARRIVE. En Magdoom, et al.16, se adquirieron imágenes de resonancia magnética de alta resolución (40 \({\upmu }\)m vóxeles isotrópicos) de PVS en cinco cerebros de rata enteros extirpados. Se infundió albúmina sérica humana marcada con gadolinio, Gd-DTPA-albúmina58, en el ventrículo lateral de cada rata anestesiada (4 % de isoflurano en 1 L/min de oxígeno) a una velocidad de 1,5 μL/min durante 40 min para permitir la distribución en el PVS. El animal se exanguinó inmediatamente y luego se sacrificó mediante perfusión vascular con una solución de cloruro de sodio al 0,9 % seguida de una solución fijadora de formaldehído al 4 % para entrecruzar el trazador con el tejido cerebral. Después de 2,5 a 3 días de almacenamiento a 4 °C, se extirpó el cerebro de la rata y se colocó en aceite Fluorinert (FC-43, 3 M Corp., St. Paul, MN, EE. UU.) en preparación para la obtención de imágenes de alta resolución a 17,6 T ( Bruker Biospin, Billerica, MA, EE. UU.). Una imagen de eco de gradiente 3D con ponderación \(T_{1}\) con un FOV de 20 mm × 16 mm × 12 mm, un tamaño de matriz de 500 × 400 × 300, TR = 100 ms, TE = 0,3 ms, ángulo de giro = 50°, y se adquirieron 7 promedios en aproximadamente 24 h. Dos animales de control ingenuos se sometieron a los mismos protocolos experimentales y de imagen en todos los sentidos, excepto en la cirugía estereotáxica y la infusión intraventricular. Todos los animales (n = 7) eran ratas macho Sprague-Dawley de 2 meses de edad que pesaban entre 280 y 300 g.

El cerebro de rata se aisló en las imágenes de RM con la herramienta de extracción de cerebro de roedores, rBET59, y se registró en el atlas60 de Swanson con la herramienta de registro de imágenes lineales, FLIRT61, antes de que se produjeran proyecciones de máxima intensidad (MIP) en ImageJ62,63 como en Magdoom, et al. dieciséis. Si bien esto demostró el alcance de la captación perivascular en todo el cerebro, el flujo de trabajo de visualización y segmentación personalizado presentado en este estudio hizo posible un análisis más detallado de la red perivascular (Fig. 6). Se pueden encontrar detalles adicionales sobre los experimentos con animales y el protocolo de imágenes en Magdoom, et al.16.

Flujo de trabajo de análisis de imágenes. Después de la sesión de resonancia magnética de 24 h a 17,6 T, se extrajo el cerebro y se visualizó con una técnica de proyección de intensidad máxima personalizada (recuadro azul). Luego, las regiones del cerebro y el PVS se segmentaron y renderizaron en 3D (recuadro rojo). Por último, se analizó la conectividad y el transporte PVS-ventrículo (recuadro verde). Las aplicaciones de software utilizadas en cada paso, como se indica con las letras en superíndice, son las siguientes: (a) Herramienta de extracción de cerebro de roedores (rBET); (b) la herramienta de registro lineal de FMRIB (FLIRT); (c) MATLAB r2018a; (d) ImagenJ; (e) itk-SNAP.

Los ventrículos y el PVS aparecen brillantes en las imágenes 3D ponderadas con \(T_{1}\) porque la albúmina Gd-DTPA reduce \(T_{1}\)16. A pesar del contraste resultante con el tejido circundante, los PVS no son evidentes debido a su pequeño tamaño, a veces abarcando un solo vóxel y orientaciones variadas. Calcular una proyección de intensidad máxima (MIP) de los datos, como informaron previamente Magdoom, et al.16, da como resultado un conjunto de imágenes de proyección en las que el PVS más brillante y los ventrículos son más evidentes. Sin embargo, es posible que no se proyecten PVS más pequeños y más tenues y que los ventrículos brillantes en el centro del cerebro ocluyan el PVS. Para superar estas limitaciones, se crearon proyecciones de intensidad máxima parcial (pMIP) proyectando a través de volúmenes rectangulares de 30 vóxeles de espesor paralelos a los planos coronal, sagital y transversal. Debido a que los segmentos perivasculares continuos a menudo estaban presentes en proyecciones consecutivas, se utilizaron pMIP cambiantes (spMIP) para visualizar la longitud total de estas estructuras en todo el cerebro (consulte el video complementario S1 a S6). En un spMIP, el intervalo de proyección se desplaza un solo vóxel por cada imagen de proyección de 30 vóxeles en lugar de 30 vóxeles como en un pMIP.

El PVS plantea un desafío de segmentación debido a su pequeño tamaño y la intensidad de la señal no uniforme del tejido circundante. Debido a que el PVS rodea los vasos sanguíneos, aparecen como estructuras delgadas, tubulares y brillantes en muchas regiones del cerebro con un rango de valores de intensidad media. Para distinguirlos mejor de estos entornos variados, se calculó en ImageJ64,65 una medida de la calidad tubular o tubeness del campo de intensidad que rodea cada vóxel. La tuberosidad de un vóxel dado se definió como la media geométrica de los dos valores propios más negativos de la matriz hessiana para ese vóxel. Los elementos de la matriz hessiana son las segundas derivadas espaciales del campo de intensidad de la imagen65

Los subíndices de elementos de matriz \(i\) y \(j\) indican los ejes a lo largo de los cuales se realizan las diferenciaciones (consulte la Tabla complementaria S2 para conocer todas las variables y parámetros). Los vectores propios y los valores propios de la matriz hessiana son, por tanto, las direcciones y magnitudes de las curvaturas principales del campo de intensidad. Para una región de píxeles de alta intensidad con un entorno de menor intensidad, los valores propios son negativos, \(0 > \lambda_{1} > \lambda_{2} > \lambda_{3}\), y cada valor propio es la curvatura de intensidad de la imagen a lo largo de su vector propio asociado. Para un campo de intensidad tubular, \(\lambda_{1} = 0\) y \(\lambda_{2} = \lambda_{3} \ll 0\)65 porque la intensidad no varía a lo largo del eje del tubo, pero tiene curvatura negativa perpendicular a este eje. En consecuencia, en la implementación de ImageJ, la tuberosidad se define como \(\sqrt {\lambda_{2} \lambda_{3} }\) y aumenta de valor para campos de intensidad más tubulares64. En esta implementación, el campo de tubeness puede hacerse sensible a las estructuras tubulares de un cierto tamaño mediante la aplicación de un filtro gaussiano antes de calcular tubeness. Debido a que muchos PVS solo abarcan un solo vóxel, la desviación estándar para el filtro gaussiano se estableció en 40 μm. El cálculo de la tuberosidad es una variedad del filtrado de Frangi26, una técnica que a menudo se aplica a las imágenes clínicas de RM para la segmentación del espacio perivascular en humanos20,21,22,25.

Las segmentaciones del espacio perivascular se generaron calculando la tuberosidad de las imágenes 3D y seleccionando vóxeles con tuberosidad por encima de un umbral. Debido a que el agente de contraste aumentó en gran medida la fuerza de la señal por encima de los niveles en los cerebros vírgenes, los picos de la distribución de intensidad para cada cerebro se alinearon ajustando el rango de datos antes de determinar el umbral de la tuberosidad (Fig. 7a, b).

Distribuciones de intensidad de señal y tubeness. (a) Intensidad de la señal de los cerebros con agente de contraste (Rata 1–5) y sin agente de contraste (Naïve 1–2). La intensidad de la señal para cada animal se mapeó linealmente entre 0 y 1. (b) Intensidad de la señal después de la reasignación del rango de intensidad para alinear los picos de distribución de la señal y crear un mejor contraste perivascular con el tejido circundante. ( c – d ) Distribución de tubos para el cerebro ( c ) interior y ( d ) superficie. La línea vertical gris es el promedio de los valores de tubeness correspondientes al valor de distribución acumulada de 0,95 en cada cerebro ingenuo. Este valor de tubeness es mayor que el tubeness en el 95% de los vóxeles ingenuos en promedio.

El umbral se estableció para superar los valores de tuberosidad del 95 % de los vóxeles en los cerebros vírgenes (tuberosidad = 3,75; Fig. 7c). Esto se hizo para excluir la tuberosidad de fondo no asociada con la captación de agente de contraste en el PVS. Las superficies exteriores del cerebro tenían niveles de tuberosidad de fondo más altos porque la interfaz entre el parénquima y el entorno oscuro producía gradientes de alta intensidad espacial en los cerebros vírgenes. Por lo tanto, se usó un umbral de tubeness más alto (tubeness = 8.08) para segmentar el PVS de los vasos sanguíneos superficiales (Fig. 7d).

Se crearon varias segmentaciones de estructuras anatómicas, incluidos los ventrículos y el cerebelo, en itk-SNAP66 utilizando tanto el esquema manual como la herramienta de semiautosegmentación "serpiente". La red de ventrículos apareció brillante debido al agente de contraste infundido que facilitó la segmentación en comparación con el atlas de cerebro de rata Paxinos27. La segmentación basada en la tuberosidad del PVS se mejoró al eliminar el cerebelo porque sus límites internos hacían que el PVS fuera difícil de distinguir solo por medio de la tuberosidad. Los volúmenes de interés (VOI) en la corteza, el cuerpo estriado, el tejido periacueductal y el tronco encefálico que abarcan 30 cortes coronales cada uno se delinearon manualmente para comparar el porcentaje de volumen de vóxel perivascular y la MCD media en estas regiones anatómicas en todos los animales (Fig. 8). La corteza y el cuerpo estriado VOI ocuparon el mismo conjunto de 30 cortes, y el cuerpo estriado se definió como el tejido ventral y medial a la corteza dentro de estos cortes.

Volúmenes cerebrales de interés (VOI) para el análisis de segmentación del espacio perivascular. Un corte coronal del VOI en (a) la corteza, (b) el cuerpo estriado, (c) el tejido periacueductal y (d) el tronco encefálico. Cada VOI abarca 30 cortes coronales.

Las conexiones entre el PVS y la red del ventrículo se examinaron con un algoritmo personalizado de crecimiento de la región que expandió iterativamente la segmentación del ventrículo en la segmentación perivascular. En cada iteración, se agregaron vóxeles perivasculares inmediatamente adyacentes a un vóxel de ventrículo a la segmentación de ventrículo en crecimiento para un total de 100 iteraciones. Antes de comenzar este procedimiento, la segmentación del ventrículo se amplió en tres vóxeles para capturar PVS dentro de los 208 μm de la superficie ventricular, la distancia diagonal a través de tres vóxeles cúbicos de 40 μm alineados en diagonal. Se seleccionó un margen de tres vóxeles porque esta longitud es lo suficientemente corta para permitir el transporte relativamente rápido de trazadores perivasculares a los ventrículos. Esto produjo una segmentación que incluía los ventrículos y porciones de la red perivascular continua con segmentos perivasculares cerca de los ventrículos.

Las estimaciones de longitud de PVS se realizaron para una selección de segmentos largos y continuos que penetran desde las superficies cerebrales ventral y dorsal utilizando un algoritmo de crecimiento de región modificado. Se colocó un vóxel semilla en el extremo de la superficie de cada segmento perivascular y se registró el centroide de los vóxeles agregados después de cada iteración de crecimiento. Las distancias entre estos centroides se calcularon y sumaron para obtener una estimación de la longitud total del segmento perivascular.

La medida en que la red perivascular facilita el intercambio entre el LCR y el líquido intersticial se cuantificó calculando la distancia entre los vóxeles del parénquima y el compartimento del LCR más cercano, \(L\), considerando y no considerando el PVS como un espacio del LCR. En este análisis, los PVS se consideraron compartimentos de LCR dadas numerosas observaciones de intercambio rápido entre PVS y espacios de LCR más grandes. Las distancias mínimas se determinaron calculando una transformada de distancia euclidiana67 de la segmentación del LCR en MATLAB (MATLAB v. 9.4.0.813654 (R2018a), The MathWorks, Inc., Natick, MA). Las escalas de tiempo de depuración \(\tau_{d}\) y \(\tau_{a}\) para un rango de difusividades de soluto relevantes se calcularon asumiendo que ya sea puramente difusivo (Ec. (2a)) o advectivo (Ec. (2b)) ) transporte a través del parénquima.

En la ecuación. (2a), \(D^{*}\) es la difusividad efectiva del soluto en el parénquima y \(u\) es la magnitud de la velocidad intersticial. \(D^{*}\) es menor que la difusividad libre de solutos \(D\) debido a estructuras parenquimatosas que dificultan el movimiento aleatorio de solutos. La reducción en el tiempo de eliminación del parénquima debido a la red perivascular se estimó para un rango fisiológicamente relevante de valores de \(D^{*}\) (101–103 µm2/s37), incluido el de Aβ (62,3 µm2/s28).

Se desarrolló un modelo de transporte perivascular para investigar la dispersión oscilatoria de solutos en los segmentos perivasculares más largos observados en este estudio. Este modelo asume que el LCR en el espacio subaracnoideo está bien mezclado y mantiene una concentración de soluto constante \(C_{1}\) mientras que los segmentos perivasculares contienen líquido libre inicialmente a una concentración \(C_{0}\) = 0. Debido a que el líquido perivascular los segmentos son largos y delgados, se consideró una geometría semi-infinita unidimensional (Fig. 5a) cuyo origen se ubica en la interfase entre el reservorio de LCR y el segmento perivascular. No se modelaron los cambios dinámicos en la geometría perivascular debido al movimiento de la pared del vaso, ya que son pequeños en relación con el ancho del espacio perivascular3,68. La dispersión debida al flujo oscilatorio en un espacio anular se ha modelado previamente como un proceso de difusión mejorado en el que la difusividad libre de solutos \(D\) aumenta en un factor \(k\)6,7,50. El flujo de entrada perivascular del SAS impulsado por las pulsaciones de los vasos u otras fuentes de gradientes de presión no se modelaron explícitamente; solo se consideró el efecto dispersivo del flujo oscilatorio sobre la evolución de la concentración de soluto. Por lo tanto, la ecuación gobernante para este escenario es

Dada la ausencia de una escala geométrica de longitud, se buscó una solución autosimilar para la concentración adimensional \(\alpha\) en términos de la variable \(\eta\) donde

La solución autosimilar se define en términos de la función de error como

La posición \(x\) y la velocidad \(v\) del punto material con una fracción \(\alpha\) de la concentración de LCR \(C_{1}\) en el segmento perivascular a lo largo del tiempo viene dada por

La ecuación (6) representa la cinemática de la absorción del trazador dispersivo en el PVS. La albúmina sérica bovina (\(D\) = 83 μm2/s53) con un realce máximo \(k\) = 1,057 y \(k\) = 1,76 se consideró un trazador representativo de gran peso molecular.

Los datos están disponibles previa solicitud al autor correspondiente.

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Agradecemos al Dr. Robert Brasch (Universidad de California, San Francisco) por suministrar generosamente el agente de contraste de gadolinio utilizado en este estudio. Las imágenes de resonancia magnética presentadas se adquirieron en la instalación Advanced MRI/S (AMRIS) en el McKnight Brain Institute de la Universidad de Florida, una parte del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (NHMFL) respaldado por el Acuerdo Cooperativo de la Fundación Nacional de Ciencias DMR- 1157490, el Estado de Florida y el Departamento de Energía de los Estados Unidos. Este estudio fue financiado en parte por la Bobby Jones Chiari & Syringomyelia Foundation (bobbyjonescsf.org) y una subvención para usuarios de la NHMFL. También agradecemos al Dr. Tavarekere N. Nagaraja del Hospital Henry Ford en Detroit, MI, EE. UU., por compartir su experiencia con las distribuciones de marcadores de LCR después de la infusión intraventricular. También agradecemos a Rasheed M. Anjum por ayudar con el análisis de la difusión radial del agente de contraste desde el espacio perivascular.

Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad de Florida, PO BOX 116250, Gainesville, FL, 32611, EE. UU.

Julian A. Rey, Uzair M. Farid, Christopher M. Najjoum, Kulam Najmudeen Magdoom y Malisa Sartinoranont

Departamento de Bioquímica y Biología Molecular, Universidad de Florida, Gainesville, FL, EE. UU.

Alec Brown y Thomas H. Mareci

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JAR ayudó con los experimentos de infusión intraventricular en animales, diseñó y ejecutó el flujo de trabajo de análisis de transporte y segmentación del espacio perivascular, y escribió el manuscrito. UMF ayudó en el desarrollo y la ejecución de un código de segmentación y visualización del espacio perivascular personalizado. CMN fue responsable de la segmentación manual de los ventrículos y el cerebelo. AB realizó la segmentación preliminar del cerebro y el registro anatómico. KNM realizó los experimentos de infusión intraventricular, preparó y tomó imágenes de las muestras y lideró el procesamiento preliminar de imágenes. THM supervisó las imágenes de resonancia magnética y contribuyó al posprocesamiento de imágenes y las estrategias de segmentación del espacio perivascular. MS diseñó y obtuvo financiación para los experimentos de infusión intraventricular. MS también supervisó el desarrollo del flujo de trabajo de segmentación y visualización del espacio perivascular, los análisis del transporte parenquimatoso y perivascular, y la composición del manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Malisa Sarntinoranont.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Rey, JA, Farid, UM, Najjoum, CM et al. Segmentaciones de la red perivascular derivadas de la resonancia magnética de alto campo y sus implicaciones para el transporte de masa perivascular y parenquimatoso en el cerebro de rata. Informe científico 13, 9205 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34850-0

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Recibido: 31 agosto 2022

Aceptado: 09 mayo 2023

Publicado: 06 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34850-0

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