阿尔茨海默病(AD)中的认知能力下降反映了细胞和微观结构组织的渐进性破坏，然而MRI信号的生物学特异性仍未被完全理解。多维扩散-弛豫MRI（MD-MRI）可解析亚体素组织异质性，为将成像信号与潜在病理联系起来提供了潜在框架。我们验证了这样一个假设：AD中的神经元、胶质细胞和白质病理占据扩散-弛豫空间中可分离的区域，并产生与认知障碍相关联的空间组织化成像特征。
我们将离体MD-MRI与12名人捐献者的共注册组织学数据进行了整合，这些捐献者涵盖了从不同Braak分期到病理严重程度的范围。通过嵌套交叉验证的弹性网络建模，我们从多维扩散-弛豫密度分布预测了体素级别的Aβ、pTau、小胶质细胞和髓鞘负荷。我们评估了海马亚区和白质中的区域关联，并通过将MRI预测的病理与简易精神状态检查(MMSE)得分相关联来评估其临床相关性。
不同的扩散-弛豫成分优先与不同的病理标志物相关联，表明存在可分离的微观结构特征。体素级MRI衍生预测与髓鞘的组织学测量(ρ = 0.77)、pTau(ρ = 0.62)和小胶质细胞(ρ = 0.61)显著相关，而与Aβ的相关性较弱(ρ = 0.45)。在区域层面，预测的病理重现了已知的选择性脆弱模式，在海马亚区中pTau和小胶质细胞信号升高，而在白质中则以髓鞘相关信号为主(p < 0.0001)。重要的是，预测的海马pTau密度较高与更差的认知表现强烈相关(ρ = -0.88, p = 0.0014)，在白质中也有中等相关性(ρ = -0.66, p = 0.036)，这表明灰质和白质中与tau相关的微观结构改变都可能导致认知障碍。
通过将多维MRI特征直接与组织学验证的细胞病理联系起来，本研究表明AD相关过程表现为独特且空间组织化的扩散-弛豫特征。这些发现为MRI对比度的微观结构基础提供了机制性见解，并支持MD-MRI绘制AD区域特异性神经病理过程的潜力。随着临床可行的MD-MRI采集方案不断涌现，将这些光谱特征转化为活体成像可能使对衰老和痴呆的评估更具机制指导性。
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