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神経科学において、トラクトグラフィーは拡散MRIで収集したデータを用いて神経路を視覚的に表現する3Dモデリング技術である。[ 1 ]これは磁気共鳴画像法（MRI）とコンピュータベースの拡散MRIの特殊な技術を使用する。結果はトラクトグラムと呼ばれる2次元および3次元画像で示される。[ 2 ]
脳と体の他の部分をつなぐ長い神経路に加えて、皮質および皮質下領域の異なる領域間の短い接続によって形成される複雑な神経回路が存在する。これらの神経路と回路の存在は、死後標本に対する組織化学および生物学的技術によって明らかにされてきた。神経路は、直接検査、 CTスキャン、またはMRIスキャンでは識別できない。この困難さが、神経解剖学アトラスにおける神経路の記述の少なさ、およびその機能の理解の不十分さを説明している。
最も高度なトラクトグラフィーアルゴリズムは、グラウンドトゥルースバンドルの90%を生成できますが、それでもかなりの量の無効な結果が含まれています。[ 3 ]
トラクトグラフィーは拡散MRIのデータを使用して実行されます。[ 4 ]自由水の拡散は「等方性」拡散と呼ばれます。水が障壁のある媒体で拡散する場合、拡散は不均一になり、異方性拡散と呼ばれます。このような場合、原点からの分子の相対的な移動度は球とは異なる形状になります。この形状はしばしば楕円体としてモデル化され、この技術は拡散テンソルイメージングと呼ばれます。[ 5 ]障壁は、細胞膜、軸索、ミエリンなど、多くのものになり得ますが、白質では主な障壁は軸索のミエリン鞘です。軸索の束は、垂直方向の拡散に対する障壁となり、線維の方向に沿った平行方向の拡散の経路となります。
異方性拡散は、成熟した軸索秩序の高い領域で増加すると予想されます。外傷、[ 6 ]腫瘍、炎症など、ミエリンまたは軸索の構造が破壊される状態では、バリアが破壊または無秩序の影響を受けるため、異方性が減少します。
異方性はいくつかの方法で測定されます。その一つが、分数異方性（FA）と呼ばれる比率です。FAが0の場合は完全な球体、1の場合は理想的な線形拡散に対応します。FAが0.90を超える領域はほとんどありません。この数値は拡散の非球面性に関する情報を提供しますが、方向については何も示しません。
それぞれの異方性は、主軸（拡散の主方向）の向きと関連している。後処理プログラムは、この方向情報を抽出することができる。
この追加情報は、2Dグレースケール画像では表現しにくい。この問題を克服するために、カラーコードが導入される。基本色によって、観察者は繊維が3D座標系でどのように配向しているかを知ることができる。これは「異方性マップ」と呼ばれる。ソフトウェアは、次のように色をエンコードすることができる。
この技術では、同一軸内における「正」方向と「負」方向を区別することができない。
拡散テンソルMRIを使用すると、画像内の各ボクセルにおける見かけの拡散係数を測定でき、複数の画像にわたる多重線形回帰の後、拡散テンソル全体を再構成できます。[ 1 ]
サンプル中に注目すべき線維束が存在すると仮定します。フレネ・セレの公式に従って、線維束の空間経路をパラメータ化された曲線として定式化できます。
どこは曲線の接線ベクトルです。再構成された拡散テンソル行列として扱うことができ、その固有値を計算できます。および固有ベクトル最大固有値に対応する固有ベクトルを曲線の方向と等しくすることで、次のことが可能になります。
解決できる与えられたデータこれは、例えばルンゲ・クッタ法などの数値積分法と、主固有ベクトルの補間法を用いて行うことができます。
