Probing the Brain in Autism mittels fMRT und Diffusion Tensor Imaging

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die Verbindungen zwischen Gehirnarealen zu untersuchen, die für die soziale Kognition bei Autismus von Bedeutung sind. Mithilfe der funktionellen MRT und der diffusionsgewichteten Bildgebung des Gehirns sowohl bei Kindern als auch bei Erwachsenen mit Autismus wird dies erreicht, indem geeignete fMRT-Experimente konzipiert und anschließend autistische Teilnehmer rekrutiert werden. Die Teilnehmer müssen ausreichend auf das Verfahren vorbereitet werden, um qualitativ hochwertige funktionelle und strukturelle Gehirnbilder zu erhalten.

Die funktionellen Experimente werden dem Probanden im MRT-Scanner während der Durchführung einer vordefinierten Aufgabe präsentiert. Die gewonnenen MR-Bilder führen bei jedem Experiment zu einer vergleichsweise großen Datenmenge. Die erfassten neurobildgebenden Daten werden auf den Computerserver des Labors übertragen, anschließend vorverarbeitet und durch Erstellung von Modellen statistisch ausgewertet.

Neben der grundlegenden Analyse der Gehirnaktivierung wird die funktionelle und anatomische Konnektivität bei Probanden mit Autismus und Kontrollprobanden mittels fMRT untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine verminderte Aktivierung und eine schwächere funktionelle Konnektivität während sozialer Kognition bei autistischen Personen. Zusätzlich weist die Analyse der DTI-Daten auf eine gestörte Integrität der weißen Substanz bei Autismus hin.

Mit dieser Methode lassen sich wichtige Fragen zur Gehirnorganisation und Gehirnfunktion bei Autismus-Spektrum-Störungen und möglicherweise eines Tages weitere Aspekte beantworten. Dies könnte zur Identifizierung eines neurologischen Markers für Autismus führen. Die Bedeutung dieser Technik reicht bis in die Therapie des Autismus hinein, da die Identifizierung veränderter funktioneller Verbindungen zwischen Hirnarealen neue Therapien ermöglichen könnte, die diese Verbindungen wiederherstellen.

Obwohl diese Methode zur Untersuchung des autistischen Gehirns verwendet werden kann, eignet sie sich auch für andere Verfahren, beispielsweise zur Untersuchung weiterer neurodevelopmentaler Störungen sowie der Entwicklung des typischen Gehirns. Da es schwierig ist, Kinder mit Autismus an den MRT-Scanner heranzuführen – aufgrund der lauten Umgebung, auf die sie empfindlich reagieren, des kompakten und potenziell klaustrophobisch wirkenden Raums sowie der Neuheit dieser Umgebung – ist eine visuelle Demonstration dieser Methode entscheidend, um ein Kind mit Autismus vorzubereiten.

Da die Durchführung einer fMRT-Untersuchung schwierig sein kann und viele Menschen mit Autismus in der Regel visuell denken, werden diese Prozedur meine Doktoranden aus meinem Labor demonstrieren: Donna Murdo, Lauren Libro, Mark Pennick und Heather Wadsworth. Vor der Einschreibung in die Studie sollten die potenziellen Teilnehmer sowie im Fall von minderjährigen Probanden ihre Familien zunächst telefonisch über die Studie informiert werden.

Dies sollte außerdem eine Überprüfung beinhalten, um sicherzustellen, dass der Teilnehmer die Einschlusskriterien für die Studie erfüllt. Falls der potenzielle Teilnehmer berechtigt ist, sollte er zu einer MRT-Untersuchung an einem für den Teilnehmer sowie für die Forscher und das Bildgebungszentrum geeigneten Tag und zu einer geeigneten Zeit rekrutiert werden. Senden Sie dem Probanden eine Kopie der Sozialgeschichte über den MRT-Untersuchungsablauf und eine CD-Aufnahme des Geräusches des Scanners.

Diese sollten im Fall von Kindern gemeinsam mit den Eltern besprochen werden, um die Studienverfahren vor dem Scan-Tag besser zu verstehen und die Versuchsperson mit der MRT-Umgebung vertrauter zu machen. Wenn der Teilnehmer und die Familie am Bildgebungszentrum eintreffen, begrüßen Sie sie und beantworten Sie alle Fragen, die sie zur Studie und zum experimentellen Vorgehen haben könnten. Anschließend werden die IRB-Dokumente überprüft, bevor die Einwilligungserklärung eingeholt wird.

Bringen Sie den Teilnehmer anschließend in einen ruhigen Raum, um neuropsychologische Tests durchzuführen, einschließlich IQ-, Sprachfähigkeits- und Händigkeitstests. Lassen Sie den Teilnehmer danach kurze Versionen der Studienparadigmen an einem Laptop-Computer üben, um sich mit den Experimenten vertraut zu machen. Sobald alle Tests und Übungen abgeschlossen sind, führen Sie den Teilnehmer zu einem Platzhalter-MRT-Gerät und bieten Sie eine simulierte Erfahrung des MRT-Scans an.

Ein weiterer Vorbereitungsschritt besteht darin, den MRT-Scanner im Bildgebungszentrum mit leicht entfernbarer Aufklebern und Abbildungen von Tieren und Zeichentrickfiguren zu dekorieren, um die Untersuchungsumgebung kinderfreundlicher zu gestalten. Wenn der Proband ins Bildgebungszentrum zurückkehrt, sollte zunächst eine kurze Pause eingelegt werden, danach wird er oder sie einen MR-Sicherheitsfragebogen ausfüllen. Vor dem Betreten des Untersuchungsraums sind alle persönlichen Gegenstände in einem Schließfach unterzubringen und anschließend auf metallische Gegenstände am Körper zu überprüfen.

Wenn die Untersuchung abgeschlossen ist, führen Sie die Versuchsperson in den Untersuchungsraum, lassen Sie sie auf der Scannerliege Platz nehmen, reichen Sie Gehörschutz und Kopfhörer und bitten Sie die Versuchsperson dann, sich auf der Scannerliege hinzulegen. Anschließend platziert ein MRT-Technologe die Mehrkanal-Kopfspule über dem Kopf der Versuchsperson und stellt den angebrachten Spiegel so ein, dass die auf dem Computerbildschirm dargestellten Bilder sichtbar sind. Danach decken Sie die Versuchsperson mit einer Decke zu und stellen Antwortboxen für die linke und rechte Hand bereit, die während der fMRT-Aufgaben verwendet werden sollen.

Legen Sie außerdem den Notfall-Druckball innerhalb der Reichweite des Probanden ab, damit dieser anzeigen kann, wenn er oder sie den Scanner verlassen möchte. Schließlich fährt der MRT-Technologe das Scannerbett in den Scanner hinein und stellt sicher, dass sich der Proband bequem fühlt, bevor die Aufnahmen beginnen. Der Technologe startet die Sitzung zunächst mit der Aufnahme von Lokalisierungsbildern, um zu gewährleisten, dass der Kopf des Teilnehmers korrekt positioniert ist.

Danach wird ein struktureller Scan mit hoher Auflösung aufgenommen, der für die Registrierung und Normalisierung verwendet wird. Um den Probanden während dieser Aufnahme bei Laune zu halten, kann der Forscher im Anschluss eine Filmsequenz für den Teilnehmer präsentieren. Als Nächstes werden die Bildgebungsparameter eingerichtet, die für den verwendeten Scanner und die verwendete Pulsserie geeignet sind.

Der Forscher sollte den Technologen bei der Vorgabe der Schichten für die funktionelle Bildgebung unterstützen. Hier werden 17 Schichten mit je fünf Millimetern im schrägen axialen Schnitt angelegt, um eine maximale Abdeckung des gesamten Gehirns zu gewährleisten. Sprechen Sie nun über das Mikrofon, um den Probanden darauf hinzuweisen, dass das Experiment beginnt, und geben Sie Anweisungen für die anstehende Aufgabe.

Öffnen Sie außerdem die experimentelle Aufgabe am Computer, die mit einem Trigger vom Scanner synchronisiert werden sollte. Der/die Teilnehmer/in sollte einen Knopf drücken, um das Experiment und den Scan zu starten, sobald er/sie bereit ist, die experimentellen Aufgaben zu beginnen. Statische und dynamische visuelle Reize sowie auditorische Reize werden hier angezeigt und über die Software ePrime programmiert. Achten Sie darauf, die Antworten der/des Teilnehmers/in zu überwachen, da diese am Bildschirm erfasst und angezeigt werden.

Nach dem ersten Experiment sprechen Sie mit dem Probanden und geben Feedback zur Aufgabenleistung und Kopfbewegung und bereiten ihn oder sie auf das nächste durchzuführende Experiment vor. Wenn alle fMRT-Experimente abgeschlossen sind, weist der Forscher den Probanden an, etwa 12 Minuten lang ruhig liegen zu bleiben, während eine DTI-Aufnahme angefertigt wird; hier kann erneut ein Filmabschnitt zur Unterhaltung gezeigt werden. Sobald alle Scans abgeschlossen sind, nehmen Sie den Probanden aus dem Scanner und erlauben ihm oder ihr, eventuell im Schließfach abgelegte Gegenstände wieder an sich zu nehmen.

Begleiten Sie die Person anschließend in einen ruhigen Raum, um eine kurze Nachbesprechung durchzuführen. Fragen Sie während der Nachbesprechung den Teilnehmer nach seiner Leistung im Scanner, nach Rückmeldungen zum Schwierigkeitsgrad der Aufgaben sowie nach eventuell aufgetretenen Problemen oder Bedenken. Achten Sie zudem darauf, den Probanden für seine Teilnahme an der Studie zu danken.

Unterdessen sollte der MR-Technologe alle erfassten MRT- und DTI-Daten in ein HIPAA-geschütztes Computernetzwerk hochladen. Der Forscher kann sich anschließend mit einem Passwort in dieses Netzwerk einloggen, um auf die Daten zuzugreifen und sie auf einen Forschungsserver zu übertragen. Vor der Analyse sollten die erfassten Daten anonymisiert werden, indem alle identifizierbaren Informationen wie Name und Geburtsdatum aus dem Bilddatenkopf entfernt werden.

Danach konvertieren Sie die Daten in das NIfTI-Bildformat, um die funktionelle Verarbeitung zu beginnen. Sowohl die Vorverarbeitung als auch die Nachverarbeitung der Daten kann über Software wie Statistical Parametric Mapping oder SPM 8 durchgeführt werden. Die funktionelle Konnektivität für eine gegebene Aufgabe sollte dann gemessen werden, indem zunächst Interessenregionen definiert und die fMRT-Signal-Zeitverläufe von jeder ROI für jeden Teilnehmer extrahiert werden.

Danach wird das Signal von einer ROI mit der anderen korreliert. Die anatomische Konnektivität kann ebenfalls mithilfe der erfassten DTI-Daten und der FSL-Software untersucht werden. Die vorläufige Analyse mit dieser Software untersucht die Diffusion von Wasser im Gehirn und nutzt sie als Index für die Integrität der weißen Substanz.

Weitere Analysen können die Traktographie der weißen Substanz umfassen, bei der Rückschlüsse auf die Orientierung und Struktur der Bahnen gezogen werden. Hier sind repräsentative funktionelle Karten zu sehen, die eine erhöhte Aktivierung bei einer typischen Sprachaufgabe wie dem Satzverständnis zeigen. Aktivierungen erscheinen im linken inferioren Frontalgyrus und im linken posterioren oberen temporalem Sulcus; bei neurotypischen Teilnehmern ist eine verstärkte bilaterale Aktivierung der posterioren oberen temporale Sulci während der Zuschreibung von mentalen Zuständen zu beobachten.

Für andere sind diese Karten FWE-korrigiert mit einem Schwellen-P-Wert von weniger als 0,05. Hier sehen wir Daten aus einer sozialen Kognitionsaufgabe bei Probanden mit Autismus, die eine signifikant verminderte funktionelle Konnektivität zeigen, was darauf hinweist, dass die Synchronisation der Gehirnaktivierung zwischen frontalen und temporalen Regionen beeinträchtigt ist. Schließlich zeigt diese Abbildung DTI-Traktographie-Ergebnisse, die ein Bündel weißer Fasern darstellen, das vom Temporallappen zur temporo-parietalen Übergangsregion verläuft.

Der anfängliche Ausgangspunkt für die Traktographie war eine ROI, die mittels räumlicher Statistik basierend auf Traktographie identifiziert wurde und einen signifikant geringeren FA-Wert bei jungen Erwachsenen mit Autismus im Vergleich zu altersentsprechenden typischen Kontrollpersonen aufwies. Die neurobildgebende Untersuchung von Kindern kann sehr schwierig sein, insbesondere bei Kindern mit Autismus, aber mit ausreichender Übung und Vorbereitung können diese bildgebenden Verfahren erfolgreich durchgeführt werden. Bei der Durchführung von MRT-Untersuchungen an Probanden, insbesondere an Kindern, ist es wichtig, dafür zu sorgen, dass das Erlebnis im Labor angenehm und positiv ist.

Die mit diesem Verfahren gewonnenen Daten können zur Beantwortung neurowissenschaftlicher Fragestellungen herangezogen werden. Darüber hinaus lässt sich mit geeigneten Hypothesen und Analysen nicht nur etwas über das Gehirn, sondern auch über den Zusammenhang zwischen Gehirn und Verhalten erfahren. Beachten Sie, dass der MRT-Scanning-Prozess äußerst empfindlich gegenüber Bewegungen ist.

Außerdem sollten Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, um sämtliche Metallgegenstände aus den Taschen und am Körper der Teilnehmer zu entfernen, bevor das Verfahren durchgeführt wird. Nachdem Sie dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Neuroimaging erfolgreich genutzt werden kann, um Kinder im Allgemeinen sowie Kinder mit Entwicklungsstörungen wie Autismus zu untersuchen.