利用fMRI和弥散张量成像研究自闭症中的大脑

以下实验的总体目标是研究自闭症中与社会认知相关的大脑区域之间的连接。通过在自闭症儿童和成人中使用功能性磁共振成像（fMRI）和弥散张量成像（DTI），设计适当的功能性磁共振实验，并招募自闭症参与者来实现这一目标。必须充分准备参与者以完成该程序，从而获得高质量的功能性和结构性脑部图像。

在执行预定义任务的同时，向磁共振成像（MRI）扫描仪中的受试者呈现功能实验。所获取的磁共振图像每个实验都会产生相对大量的数据。采集到的神经影像数据被传输至实验室的计算机服务器，随后进行预处理，并通过构建模型进行统计分析。

除了基本的大脑激活分析外，还对自闭症患者和对照组参与者的功能连接性和解剖连接性进行了检查。fMRI结果显示，自闭症受试者在社会认知过程中表现出激活程度降低以及功能连接性减弱。此外，DTI数据分析表明，自闭症患者存在白质完整性异常。

该方法可以解答有关自闭症谱系障碍中大脑结构与功能的重要问题，并有望在未来某一天识别出自闭症的神经生物学标志物。该技术的应用前景还延伸至自闭症的治疗领域，因为明确大脑区域之间异常的连接模式，可能有助于开发修复这些连接的新疗法。

因此，尽管该方法可用于评估自闭症患者的大脑，也可应用于其他技术中，例如研究其他神经发育障碍以及典型大脑的发育过程。由于磁共振成像（MRI）扫描仪所处环境嘈杂，而自闭症儿童对此类刺激较为敏感，因此很难让这些儿童适应扫描仪环境。此外，扫描空间紧凑，可能引发幽闭恐惧感，且对儿童而言属于陌生环境。因此，通过视觉演示该方法对于帮助自闭症儿童做好准备至关重要。

由于功能性磁共振成像（fMRI）扫描可能具有挑战性，且许多自闭症患者通常是视觉思考者。本实验操作将由我实验室的研究生Donna Murdo、Lauren Libro、Mark Pennick和Heather Wadsworth进行演示。在受试者正式参与研究之前，研究人员应首先通过电话向潜在参与者及其家属（若受试者为儿童）详细介绍研究内容。

还应进行筛查，以确保参与者符合研究的纳入标准。如果符合条件，应在适合参与者、研究人员及影像中心的时间和日期招募其进行 MRI 扫描。向受试者发送一份关于 MRI 扫描流程的社交故事副本以及一份扫描仪噪声的 CD 录音。

对于儿童，应与家长共同审阅这些内容，以便在扫描日前更好地了解研究流程，并使受试者对磁共振成像（MRI）环境更加适应。当受试者及其家属到达影像中心时，应向他们表示欢迎，并解答他们对研究及实验流程可能存在的任何疑问。随后，在获取知情同意之前，需再次审阅机构审查委员会（IRB）相关文件。

接下来，将受试者带至安静的房间进行神经心理学测试，包括智商、语言能力及利手性评估。然后让受试者在笔记本电脑上练习研究范式的简短版本，以熟悉实验流程。所有测试和练习完成后，将受试者带至模拟磁共振成像（MRI）扫描仪处，提供一次MRI扫描过程的模拟体验。

另一个准备步骤是在影像中心的 MRI 扫描仪上贴上易于移除的动物和卡通人物贴纸与图片，使扫描环境更符合儿童友好型设计。当受试者返回影像中心后，允许其短暂休息，然后让其填写一份磁共振安全问卷。在进入扫描室之前，将所有个人物品存入储物柜，并对身体进行金属物品筛查。

完成筛选后，将受试者带入扫描室，让其坐在扫描仪床面上，在躺下之前为其提供耳塞和耳机。然后，磁共振成像技术人员应在受试者头部放置多通道头部线圈，并调整附带的镜子，使其能够看到计算机屏幕上显示的图像。接下来，用毛毯覆盖受试者，并为其左右手分别提供反应盒，用于功能磁共振成像任务中的操作。

同时将应急挤压球放在受试者触手可及的位置，以便其在需要离开扫描仪时发出信号。最后，MRI 技术人员将推动扫描床进入扫描仪，并在开始扫描前确认受试者处于舒适状态。技术人员首先通过采集定位像来启动扫描，以确保受试者头部位置正确。

然后采集高分辨率结构像扫描数据，用于后续的配准和标准化。在接下来的分析中，为了使受试者保持注意力，研究人员可在本次扫描期间向其播放电影片段。接下来，根据所使用的扫描仪和脉冲序列设置相应的成像参数。

研究人员应协助技术员确定功能成像的扫描切片。此处，在斜轴位平面上设定17个5毫米的切片，以实现对全脑的最大范围覆盖。现在通过麦克风告知受试者实验即将开始，并说明即将进行的任务指令。

同时在计算机上打开实验任务程序，该程序应与来自扫描仪的触发信号同步启动。当参与者准备好开始实验任务时，应按下按钮以启动实验和扫描。实验任务包括静态和动态视觉刺激以及听觉刺激，这些刺激可通过ePrime软件在此处显示和编程。务必监控参与者的反应，这些反应将被记录并实时显示在计算机屏幕上。

完成第一次实验后，与受试者交流，对其任务表现和头部运动情况提供反馈，并为其准备即将进行的下一项实验。当所有功能性磁共振成像（fMRI）实验结束后，研究人员应指导受试者保持静止平躺约12分钟，期间采集弥散张量成像（DTI）扫描数据，也可再次播放一段电影片段以供娱乐。所有扫描完成后，将受试者移出扫描仪，并允许其取回可能存放在储物柜中的个人物品。

然后引导其进入一个安静的房间，进行简短的回顾性访谈。在访谈过程中，询问参与者在扫描仪中的表现、对任务难度的反馈，以及可能出现的任何问题或顾虑。同时，务必感谢参与者对本研究的配合与参与。

与此同时，磁共振技师应将所有采集的 MRI 和 DTI 数据上传至受 HIPAA 保护的计算机网络。随后，研究人员可使用密码登录该网络，访问并将数据传输至研究服务器。在进行分析之前，应通过从图像头部信息中删除姓名、出生日期等任何可识别个人信息，对采集的数据进行匿名化处理。

然后将数据转换为 NIfTI 图像格式以开始功能分析。数据的预处理和后处理均可通过统计参数映射（SPM8）等软件完成。对于给定任务的功能连接性，应首先绘制感兴趣区域，并从每位受试者的每个感兴趣区域（ROI）中提取 fMRI 信号的时间序列。

然后将一个感兴趣区域（ROI）的信号与另一个感兴趣区域的信号进行相关性分析。还可以利用获取的DTI数据和FSL软件来检查解剖连接性。使用此类软件进行的初步分析可检测脑内水分子的扩散情况，并将其作为白质完整性的指标。

进一步的分析可能涉及白质纤维束成像，其中可推断出纤维束方向和结构的详细信息。在此，可以观察到代表性功能图谱，显示出在典型的语言任务（如句子理解）中增强的脑区激活。在神经典型参与者进行心理状态归因任务时，可见左侧额下回和左侧后部颞上沟的激活增强，以及双侧后部颞上沟的激活增强。

对于其他人而言，这些图谱经过FWE校正，阈值P值小于0.05。在此，我们观察到自闭症患者在社会认知任务中前额叶与颞叶区域之间脑激活同步性的功能连接显著降低。最后，该图展示了DTI纤维束成像结果，显示了一束白质纤维从颞叶延伸至颞顶交界区。

纤维束成像的起始点是一个通过基于追踪的空间统计方法识别出的感兴趣区域（ROI），该区域在自闭症青年中的FA值显著低于年龄匹配的典型对照组参与者。儿科神经影像学检查可能非常困难，尤其是对于自闭症儿童而言，但通过充分的练习和准备，这些扫描技术可以成功实施。在为任何受试者，特别是儿童进行MRI扫描时，确保实验室体验愉快而积极至关重要。

按照本方案获取的数据可用于回答与神经科学相关的问题。此外，在合理假设和分析的基础上，研究人员不仅可以利用这些信息深入了解大脑，还能探究大脑与行为之间的关系。请注意，磁共振成像（MRI）扫描过程对运动极为敏感。

此外，在进行操作前，应采取预防措施，确保将受试者口袋内及身体上的所有金属物品移除。观看本视频后，您应能够充分掌握如何成功运用神经影像技术对儿童（包括患有自闭症等发育障碍的儿童）进行研究。