Brain waste clearance is crucial for maintaining neural function and preventing neurodegenerative disorders. This clearance process involves cerebrospinal fluid (CSF) circulation, the glymphatic system, and meningeal lymphatic vessels (mLVs). However, non-invasive imaging techniques for studying these clearance mechanisms have been limited, hindering a comprehensive understanding of their function and potential alterations in neurological conditions. This study focused on developing non-invasive MRI techniques to image CSF pulsatory circulation and mLVs, comprising three sub-studies. The first sub-study introduced IR-ALADDIN, a novel imaging technique using 2D interslice flow saturation MRI to visualize mLVs. IR-ALADDIN effectively demonstrated mLVs' morphology and flow characteristics, offering insights into brain waste clearance pathways. The second sub-study introduced CSFpulse, a method to quantify CSF pulsation using conventional EPI-based functional MRI. CSFpulse correlated significantly with phase contrast MRI stroke volume, presenting advantages over existing CSF pulsation measurement techniques. The third sub-study applied CSFpulse to investigate CSF dynamics in traumatic brain injury (TBI) patients. A significant decrease in CSF pulsation and correlation between global-BOLD and CSF inflow was observed after TBI, implying potential implications of CSF dynamics alteration for post-TBI brain dysfunction studies. In the fourth sub-study, we applied the previously proposed CSFpulse technique to functional MRI data of patients with Parkinson's disease. The analysis confirmed a significant enlargement of the fourth ventricle and an increase in cerebrospinal fluid flow caused by Parkinson's disease, with higher changes observed in patients who progressed to dementia after Parkinson's disease. In the final sub-study, we applied the proposed Inversion-Recovery ALADDIN technique to a group of patients with brain diseases. While the average speed of lymph was similar to that of the control group, the cross-sectional area of the lymphatic vessels significantly decreased in the disease group, ultimately confirming a tendency for the total flow of meningeal lymph to significantly decrease. These studies providing non-invasive and quantitative imaging techniques and application result of CSF pulsation measurement in TBI patients. They expand our understanding of brain waste clearance mechanisms, including mLVs flow and CSF dynamics, facilitating further investigations into neurological disorders related to neurofluids.
뇌 내 노폐물 제거는 신경활동 중 생성된 독성물질을 배출시킴으로써 신경 기능을 유지하고 신경 퇴행성 장애를 예방하기 위해 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 제거 과정에는 뇌척수액 순환, 림프계 및 뇌막 림프관이 포함된다. 그러나 이러한 뇌 내 노폐물 제거 메커니즘을 연구하기 위한 비침습 영상 기술이 부족하여 노폐물 제거 기능 연구 및 신경 질환과의 연관성에 대한 포괄적인 이해에 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 학위논문에서는 세 가지 연구를 통해 뇌척수액 순환 및 뇌막 림프관 이미지화를 위한 비침습 MRI 영상기술을 개발하고 적용해보는 것에 초점을 맞추었다. 첫 번째 연구는 연속된 2D 영상을 흐르는 신호가 포화되는 MRI 기법을 활용한 Inversion-Recovery ALADDIN을 제안하여 뇌막 림프관을 맵핑하였다. 제안하는 영상기법을 활용하여 뇌막 림프관의 구조적 정보와 더불어 흐름의 방향과 흐름 속도의 범위등 뇌막 림프 흐름의 특성을 확인하였다. 두 번째 연구는 기존의 널리 활용되는 EPI 기반 기능적 MRI 데이터를 활용하여 뇌척수액의 맥동적 흐름을 정량화하는 기법인 CSFpulse를 제안했다. 제안한 CSFpulse는 기존 뇌척수액 흐름 측정기법과 유의미한 상관성을 보였으며, 더 나아가 기능적 MRI 데이터를 기반으로 하여 뇌척수액과 관련한 뇌기능적 연구도 함께 병행할 수 있다는 장점이 있다. 세 번째, 네번째 연구에서는 앞서 제안한 CSFpulse 기법을 각각 외상성 뇌 손상 환자, 파킨슨병 환자의 기능적 MRI 데이터에 적용했다. 외상성 뇌 손상 이후 뇌척수액 흐름 및 뇌활동-뇌척수액 상관관계가 유의미하게 감소한 것을 확인하였으며, 이를 통해 외상성 뇌 손상 이후 겪는 신경기능적 저하에 뇌척수액 역학 변화로 인한 영향의 가능성을 제시했다. 또한 파킨슨병으로 유발되는 제 4 뇌실의 유의미한 확대와 뇌척수액 흐름의 증가를 확인하였고, 파킨슨병 이후 치매로 진행된 환자군에서 더 높은 변화량을 확인하였다. 마지막 연구에서는 제안한 Inverison-Recovery ALADDIN 기법을 뇌질환 환자군에 적용했다. 정산군에 비해 림프의 평균적 속도는 유사했으나 질환군에서 림프관 단면적이 유의미하게 감소하여 결국 총 뇌막 림프의 흐름량이 유의미하게 줄어드는 경향을 확인하였다. 이번 학위연구는 비침습적이고 정량적인 영상 기술을 개발하고 이를 실제 환자 데이터에 적용한 결과를 논의하였다. 본 연구 결과를 활용한 추가연구를 통해 향후 뇌막 림프 흐름과 뇌척수액 흐름을 포함한 뇌 노폐물 제거 메커니즘을 이해하고 뇌 노폐물 배출과 관련된 신경학적 장애에 대한 연구가 진행될 수 있을 것으로 기대한다.
