לחקור את המוח באוטיזם באמצעות fMRI ו דימות מותח דיפוזי
12 בספטמבר 2011
טכניקות הדמייה כגון MRI פונקציונלי דימות מותח דיפוזי הפכו להיות שימושי יותר ויותר המאפיינת את גירעונות קוגניטיביים עצביים באוטיזם. בדיקה של קישוריות המוח באוטיזם ברמת הרשת יחד עם עיבודים לסריקה ילדים עם נכויות התפתחותיות מוצג.
המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לבחון את הקשרים בין אזורי מוח החשובים לקוגניציה חברתית באוטיזם. שימוש ב-fMRI ובדימות טנזור של דיפוזיה (DTI) של המוח בילדים ובמבוגרים עם אוטיזם, מושג באמצעות תכנון ניסויי fMRI מתאימים, ולאחר מכן גיוס משתתפים אוטיסטים. יש להכין את המשתתפים כראוי להליך כדי להשיג תמונות מוח פונקציונליות ומבניות באיכות גבוהה.
הניסויים התפקודיים מוצגים למשתתף בסורק ה-MRI בזמן ביצוע משימה שהוגדרה מראש. תמונות ה-MR שנרכשו מניבות כמות גדולה יחסית של נתונים עבור כל ניסוי. נתוני הדימות העצבי שנרכשו מועברים לשרת המחשבים של המעבדה, ולאחר מכן עוברים עיבוד מקדים וניתוח סטטיסטי באמצעות יצירת מודלים.
בנוסף לניתוח הבסיסי של הפעלת המוח, נבחנו הקישוריות התפקודית והאנטומית אצל משתתפים עם אוטיזם ובקבוצת ביקורת באמצעות FMRI. התוצאות שהתקבלו מראות הפעלה מופחתת וקישוריות תפקודית חלשה יותר במהלך קוגניציה חברתית אצל נבדקים עם אוטיזם. בנוסף, ניתוח נתוני DTI מצביע על שלמות חריגה של החומר הלבן באוטיזם.
שיטה זו יכולה לספק תשובות לשאלות חשובות בנוגע לארגון המוח ולתפקודו בהפרעות מספקטרום האוטיזם, ובעתיד עשויה להוביל לזיהוי של מרקר נוירולוגי לאוטיזם. להשלכות של טכניקה זו יש השפעה על הטיפול באוטיזם, שכן זיהוי קישוריות משובשת בין אזורי מוח עשוי להוביל לפיתוח טיפולים חדשים לתיקון קשרים אלו.
לפיכך, למרות שניתן להשתמש בשיטה זו להערכת המוח האוטיסטי, ניתן להשתמש בה גם בטכניקות אחרות, כגון בחינת הפרעות נוירו-התפתחותיות אחרות, וכן בבחינת האופן שבו מתפתח המוח הטיפוסי. מכיוון שסביבת סורק ה-MRI היא רועשת, וילדים עם אוטיזם רגישים לכך, קשה להכניסם למכשיר. זהו חלל קומפקטי שעלול לעורר קלסטרופוביה, וזוהי סביבה לא מוכרת. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית כחלק מהכנת ילד עם אוטיזם.
סריקת FMRI עשויה להיות מאתגרת, ואנשים רבים עם אוטיזם הם בדרך כלל חשיבתיים ויזואליים. את ההליך זה ידגימו סטודנטים לתארים מתקדמים מהמעבדה שלי: Donna Murdo, Lauren Libro, mark Pennick ו-Heather Wadsworth. לפני הגיוס למחקר, יש להסביר למשתתפים הפוטנציאליים, ולבני המשפחה במקרה של נבדקים ילדים, על המחקר באמצעות הטלפון.
שלב זה צריך לכלול גם סינון כדי לוודא שהמשתתף עומד בקריטריוני ההכללה של המחקר. אם הוא נמצא מתאים, יש לגייס את המשתתף הפוטנציאלי לסריקת MRI ביום ובשעה שנוחים למשתתף, לחוקרים ולמרכז הדימות. שלחו למשתתף עותק של הסיפור החברתי על הליך סריקת ה-MRI והקלטה ב-CD של רעשי הסורק.
במקרה של ילדים, יש לעבור על אלה עם ההורים כדי להבין טוב יותר את נהלי המחקר לפני יום הסריקה וכדי להקל על הנבדק ולהרגיש בנוח יותר בסביבת ה-MRI. כאשר המשתתף ובני משפחתו מגיעים למרכז הדימות, קבלו את פניהם וענו על כל שאלה שעשויה להיות להם לגבי המחקר וההליך הניסיוני. לאחר מכן, עברו על מסמכי ה-IRB לפני קבלת ההסכמה המדעית.
לאחר מכן, העבירו את המשתתף לחדר שקט לצורך בדיקות נוירו-פסיכולוגיות, הכוללות מדדי IQ, יכולת שפתית ודומיננטיות של יד. לאחר מכן, בקשו מהמשתתף לתרגל גרסאות קצרות של פרדיגמות המחקר במחשב נייד כדי להכיר את הניסויים. עם השלמת כל הבדיקות והתרגול, העבירו את המשתתף לסורק MRI מדמה והעניקו לו חוויה סימולטיבית של הליך סריקת ה-MRI.
שלב הכנה נוסף הוא קישוט סורק ה-MRI במרכז הדימות במדבקות שקלות להסרה ובתמונות של חיות ודמויות מצוירות, כדי להפוך את סביבת הסריקה לידידותית יותר לילדים. כאשר המשתתף חוזר למרכז הדימות, אפשרו לו הפסקה קצרה, ולאחר מכן בקשו ממנו למלא שאלון בטיחות ל-MR. לפני הכניסה לחדר הסריקה, יש להניח את כל החפצים בלוקר ולאחר מכן לבצע בדיקה למתכות על הגוף.
לאחר השלמת הבדיקה המקדמית, העבירו את המשתתף לחדר הסריקה והנחו אותו לשבת על מיטת הסורק, ספקו לו אטמי אוזניים ואוזניות לפני שהנחיתם את הנבדק לשכב על מיטת הסורק. לאחר מכן, טכנאי MRI צריך להניח את סליל הראש רב-הערוצים מעל ראשו של המשתתף ולכוון את המראה המחוברת כך שניתן יהיה לראות את התמונות המוצגות על מסך המחשב. לאחר מכן, כסו את המשתתף בשמיכה וספקו תיבות תגובה ליד שמאל ולימין לשימוש במהלך משימות ה-FMRI.
יש להניח גם את כדור הלחיצה למקרי חירום בהישג ידו של הנבדק, כדי שיוכל לסמן אם הוא או היא מעוניינים לצאת מהסורק. לבסוף, טכנאי ה-MRI יחליק את מיטת הסורק אל תוך גוף הסורק ויוודא שהנבדק מרגיש בנוח לפני תחילת הסריקות. הטכנאי יפתח את סשן הסריקה על ידי רכישת Localizers כדי להבטיח שראשו של המשתתף ממוקם בצורה נכונה.
לאחר מכן נבצע סריקה מבנית ברזולוציה גבוהה, שתשמש לצורך רישום משותף (co-registration) ונורמליזציה. בניתוח מאוחר יותר, כדי לשמור על עניינו של הנבדק, החוקר יכול להקרין סרטון למשתתף במהלך סריקה זו. לאחר מכן, הגדירו את פרמטרי ההדמיה המתאימים לסורק ולרצף הפולסים שבו נעשה שימוש.
על החוקר לסייע לטכנאי בקביעת מיקומי הפרוסות לדימות התפקודי. במקרה זה, נקבעו 17 פרוסות בעובי 5 מילימטר במישור אקסיאלי אלכסוני כדי לאפשר כיסוי מקסימלי של המוח כולו. כעת, דברו אל תוך המיקרופון כדי להודיע לנבדק שהניסוי עומד להתחיל ולתת הנחיות למשימה שתבוצע.
פתחו גם את המשימה הניסויית במחשב, אשר צריכה להיות מסונכרנת כך שתתחיל באמצעות טריגר מהסורק. על המשתתף ללחוץ על כפתור כדי להתחיל את הניסוי ואת הסריקה כאשר הוא או היא מוכנים להתחיל במשימות הניסוייות, כולל גירויים חזותיים סטטיים ודינמיים, כמו גם גירויים שמיעתיים, כפי שניתן לראות כאן כשהם מוצגים ומתוכנתים באמצעות תוכנת ePrime. הקפידו לנטר את תגובות המשתתף בעודן מוקלטות ומוצגות על מסך המחשב.
לאחר הניסוי הראשון, שוחחו עם המשתתף, ספקו משוב על ביצועי המטלה ועל תנועות הראש, והכינו אותו או אותה לניסוי הבא שייערך. עם סיום כל ניסויי ה-FMRI, על החוקר להנחות את הנבדק פשוט להישאר בשכיבה ללא תנועה למשך כ-12 דקות, בזמן שמתבצע סריקת DTI; בשלב זה ניתן להקרין שוב קטע מסרט להנאת הנבדק. לאחר השלמת כל הסריקות, הוציאו את המשתתף מהסורק ואפשרו לו או לה לאסוף חפצים אישיים שהושמו בלוקר.
לאחר מכן, לוו את הנבדב או הנבדבת לחדר שקט למפגש תחקיר קצר. במהלך מפגש התחקיר, שאלו את המשתתף או המשתתפת על ביצועיהם בסורק, בקשו משוב על רמת הקושי של המטלות, ושאלו על בעיות או חששות שעשויים היו לעלות. כמו כן, הקפידו להודות לנבדב או לנבדבת על השתתפותם במחקר.
בינתיים, על טכנאי ה-MRI להעלות את כל נתוני ה-MRI וה-DTI שנרכשו לרשת מחשבים המוגנת בהתאם לתקני HIPAA. החוקר יוכל לאחר מכן להתחבר לרשת זו באמצעות סיסמה כדי לגשת לנתונים ולהעבירם לשרת מחקר. לפני הניתוח, יש להפוך את הנתונים שנרכשו לאנונימיים על ידי הסרת כל מידע מזהה, כגון שם ותאריך לידה, מכותרת התמונה.
לאחר מכן, המירו את הנתונים לפורמט תמונות nifty כדי להתחיל בעיבוד הפונקציונלי. ניתן לבצע הן עיבוד מקדמי והן עיבוד סופי של הנתונים באמצעות תוכנות כגון statistical parametric mapping או SPM eight. יש למדוד קישוריות פונקציונלית עבור משימה נתונה על ידי שרטוט ראשוני של אזורי עניין (regions of interest) וחילוץ של מהלך הזמן של אות ה-FMRI מכל ROI עבור כל משתתף.
לאחר מכן, בצע מתאם (correlate) בין האות מתחום עניין (ROI) אחד למשנהו. ניתן לבחון קישוריות אנטומית גם באמצעות נתוני ה-DTI שנרכשו ותוכנת FSL. הניתוח הראשוני עם תוכנה זו בוחן את הדיפוזיה של מים במוח ומשתמש בה כמדד לשלמות החומר הלבן.
ניתוח נוסף עשוי לכלול טרקטוגרפיה של החומר הלבן, שבאמצעותה ניתן להסיק פרטים על כיוון ומבנה המסלולים. כאן ניתן לראות מפות תפקודיות מייצגות עם הפעלה מוגברת, כפי שנצפה במשימת שפה טיפוסית כגון הבנת משפטים. הפעלות מופיעות ב-left inferior frontal gyrus וב-left posterior superior temporal sulcus; ניתן לראות הפעלה מוגברת דו-צדדית ב-posterior superior temporal sulci אצל משתתפים נוירוטיפיים במהלך ייחוס מצבים מנטליים.
עבור מפות אחרות, אלו תוקנו בשיטת FWE עם ערך P סף נמוך מ-0.05. כאן אנו רואים נתונים ממטלה של קוגניציה חברתית במשתתפים עם אוטיזם, המראים הפחתה משמעותית בקישוריות התפקודית, מה שמעיד על סנכרון של הפעלת המוח בין האזורים הפרונטליים והטמפורליים. לבסוף, איור זה מציג תוצאות של DTI tractography המראים צרור סיבי חומר לבן הנמתח מהאונה הטמפורלית לצומת הטמפורו-פריאטלית.
נקודת ההתחלה הראשונית לטרקטוגרפיה הייתה ROI שזוהה באמצעות סטטיסטיקה מרחבית מבוססת מעקב כבעל ערך FA נמוך באופן מובהק בבני צעירים עם אוטיזם בהשוואה למשתתפי ביקורת טיפוסיים בהתאמה לגיל. דימות עצבי פדיאטרי יכול להיות קשה מאוד, במיוחד עם ילדים עם אוטיזם, אך עם מספיק תרגול והכנה, ניתן לבצע טכניקות סריקה אלו בהצלחה. בעת ביצוע סריקות MRI עם כל משתתף, ובמיוחד עם ילדים, חשוב לוודא שהחוויה במעבדה תהיה נעימה וחיובית.
נתונים שנאספו באמצעות נוהל זה יכולים לשמש למענה על שאלות הקשורות למדעי המוח. בנוסף, עם השערות וניתוחים נכונים, ניתן להשתמש במידע זה כדי ללמוד לא רק על המוח, אלא גם על הקשר בין המוח להתנהגות. אין לשכוח שתהליך הסריקה ב-MRI רגיש ביותר לתנועה.
בנוסף, יש לנקוט באמצעי זהירות כדי להסיר כל חפץ מתכתי מכיסיהם של המשתתפים ומגופם לפני ביצוע הפרוצדורה. לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן להשתמש בהצלחה בדימות מוחי כדי לחקור ילדים באופן כללי וילדים עם הפרעות התפתחותיות כמו אוטיזם.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה עושה שימוש בטכניקות של דימות מוחי, ובמיוחד fMRI ודימות טנזור דיפוזיה (DTI), כדי לבחון קישוריות מוחית הקשורה לקוגניציה חברתית באוטיזם. המחקר מתמקד בילדים ובמבוגרים עם אוטיזם, תוך דגש על חשיבותם של הכנה נאותה של המשתתפים להשגת דימות איכותי.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדעי המוח
- הדמיה נוירולוגית
- מחקר על אוטיזם
רקע
- טכניקות של דימות עצבי חיוניות להבנת הגירעונות הקוגניטיביים והעצביים באוטיזם.
- MRI תפקודי ודימות טנזור דיפוזיה מספקים תובנות לגבי קישוריות המוח.
- התאמת פרוטוקולי סריקה לילדים עם מוגבלויות התפתחותיות היא קריטית.
- קוגניציה חברתית היא תחום עניין מרכזי במחקר על אוטיזם.
מטרת המחקר
- לבחון קשרים בין אזורי מוח החשובים לקוגניציה חברתית באוטיזם.
- להשתמש בדימות מוחי כדי לזהות מאפיינים מבניים ותפקודיים של המוח.
- להעמיק את ההבנה של אוטיזם באמצעות טכניקות דימות מתקדמות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ניסויי fMRI שתוכננו עבור המשתתפים.
- גיוס משתתפים עם אוטיזם, כולל ילדים ומבוגרים.
- הכנת המשתתפים להליכי MRI להבטחת איכות הדמיה גבוהה.
- ניתוח סטטיסטי של נתוני הנוירו-דמיה לאחר הרכישה.
תוצאות עיקריות
- זיהוי דפוסי קישוריות מוחיים משמעותיים באוטיזם.
- רכישה מוצלחת של תמונות מוח פונקציונליות ומבניות.
- ניתוח הנתונים חשף תובנות לגבי רשתות קוגניציה חברתית.
- הממצאים תורמים להבנת הגסורים העצביים באוטיזם.
מסקנות
- דימות מוחי הוא כלי רב עוצמה לחקר האוטיזם.
- הכנה נאותה של המשתתפים חיונית לקבלת תוצאות איכותיות.
- המחקר מרחיב את הידע על קישוריות מוחית הקשורה לקוגניציה חברתית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הבנת הקישוריות המוחית באוטיזם מספקת מסגרת מכניסטית לתיקוף יעדים במחקר של הפרעות התפתחותיות נוירולוגיות. אינטגרציה של הדמיה תפקודית ומבנית תומכת בביטחון חיזוי בזיהוי התשתיות הביולוגיות העומדות בבסיס פנוטיפים התנהגותיים מורכבים. גישה זו מאפשרת הפחתת סיכונים של היפותזות טיפוליות על ידי קישור של תפקוד לקוי ברמת המעגלים לתסמינים קליניים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: בוחן היפותזות טיפוליות באמצעות בדיקת התיאום בין אזורי מוח במהלך משימות קוגניציה חברתית.
- ערך תפעולי: מאפשר הפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות מדידת קישוריות תפקודית כמדד למסלולי מעגלים אינטגרטיביים.
- ערך ניבוי: תומך במיון תיקי פיתוח על ידי קישור בין תת-קישוריות ברשתות פרונטליות-פוסטריוריות לבין ליקויים ספציפיים לתחום באוטיזם.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- מוכנות הבדיקה: מכינה מערכות ביולוגיות עוברות תיקוף עבור זרימות עבודה המשכיות, באמצעות סטנדרטיזציה של פרוטוקולי fMRI ו-DTI בקרב קבוצות של ילדים ומבוגרים.
- פלטים כמותיים: מספקת מדידות הדירות של סנכרון הפעלה ושל שלמות החומר הלבן לצורך הערכת תרכובות.
- ניתנות להרחבה של הפלטפורמה: תומכת בשימוש חוזר במחקר של הפרעות נוירו-התפתחותיות אחרות ומסלולי התפתחות מוחיים טיפוסיים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רלוונטיות למחלה: בוחן קשרים אנטומיים המתווכים קישוריות תפקודית באוטיזם, בהלימה עם תאוריית התת-קישוריות הקורטיקלית.
- המשכיות תרגומית: מגשר על שלב הגילוי באמצעות תיקוף פרה-קליני, על ידי קישור ממצאי טרקטוגרפיה של DTI לרשתות תפקודיות המעורבות בקוגניציה חברתית.
- קידום מותאם סיכון: מסייע בקבלת החלטות על ידי זיהוי שינויים באגד סיבי החומר הלבן מהאונה הטמפורלית ועד לצומת הפריאטלית כסמנים ביולוגיים פוטנציאליים.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת היפותזות ועד לזיהוי מובילים (leads), על ידי אספקת קריאות ברמת המעגל הרלוונטיות לרשתות קוגניציה חברתית.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת היפותזות ובבירור מסלולים על ידי מדידת הפעלה מופחתת וקישוריות תפקודית חלשה יותר במהלך קוגניציה חברתית באוטיזם.
- סריקה: מתאר את מוכנות הבדיקה באמצעות רישום משותף של נתונים מבניים ותפקודיים, המאפשר השוואות מהימנות בין מצבים.
- אנליטיקה: מדגיש את הניתוח הסטטיסטי של מהלכי הזמן ב-ROI ואת הטרקטוגרפיה של החומר הלבן הנגזרת מ-DTI כתוצרי מפתח להשוואה בין קבוצות.
- מחקר תרגומי: מתקשר לרציפות פרה-קלינית על ידי קישור קישוריות משונת בין אזורי מוח למטרות טיפוליות פוטנציאליות.
- שימוש חוזר ארגוני: מציג את הדימות העצבי כיכולת ניתנת לשימוש חוזר לחקר הפרעות התפתחותיות מעבר לאוטיזם, כולל התפתחות טיפוסית.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון ניבוי, תיקוף מטרות, וצמצום עמימות מכניסטית ברשתות של קוגניציה חברתית.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, שחזוריות ויכולת הרחבה של פרוטוקולי fMRI ו-DTI לאורך שלבים התפתחותיים.
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות טובה יותר לגבי המשך או הפסקה (go/no-go), יעילות הון והפחתת סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים באמצעות זיהוי מוקדם של סמנים ביולוגיים.
- השפעה על הפורטפוליו: תיעדוף והחלטות קידום מותאמות לסיכון, המבוססות על סמנים עצביים של קישוריות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במדעי המוח, הדמיה עצבית ואפיון פנוטיפי של הפרעות התפתחותיות.
- תלוי בגישה לסורק MRI, מומחיות ברצפי פולסים של fMRI ותוכנות טרקטוגרפיה של DTI כגון FSL.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית להכנת המשתתפים, כולל אימון בסורק דמה והתאמות רגישות חושית.
- כולל שיקולי התאמה בין מערכות מודל, ובמיוחד בעת תרגום פרוטוקולים פדיאטריים לקבוצות מבוגרים.
- כולל מגבלות מעשיות כגון רגישות לתנועה, רגישות לרעש הסורק באוטיזם, והצורך בהתאמות לחשיבה חזותית.
