Probing the Brain in Autismo Utilizzando fMRI e imaging del tensore di diffusione

L'obiettivo generale del seguente esperimento è esaminare le connessioni tra aree cerebrali importanti per la cognizione sociale nell'autismo. Utilizzando risonanza magnetica funzionale e imaging a tensore di diffusione del cervello sia in bambini che in adulti con autismo, questo obiettivo viene raggiunto progettando esperimenti di risonanza magnetica funzionale appropriati e successivamente reclutando partecipanti autistic*i. I partecipanti devono essere adeguatamente preparati per la procedura al fine di ottenere immagini cerebrali strutturali e funzionali di qualità.

Gli esperimenti funzionali vengono presentati al partecipante all'interno dello scanner MRI mentre esegue un compito predefinito. Le immagini RM acquisite producono una quantità relativamente elevata di dati per ciascun esperimento. I dati di neuroimmagine acquisiti vengono trasferiti al server informatico del laboratorio, quindi preelaborati e sottoposti ad analisi statistica mediante la creazione di modelli.

Oltre all'analisi di base dell'attivazione cerebrale, vengono esaminate la connettività funzionale e anatomica nei partecipanti con autismo e nei controlli. I risultati della risonanza magnetica funzionale (fMRI) mostrano una ridotta attivazione e una più debole connettività funzionale durante la cognizione sociale nei soggetti autistici. Inoltre, l'analisi dei dati di imaging a risonanza magnetica con tecnica DTI indica un'integrità anomala della sostanza bianca nell'autismo.

Questo metodo può rispondere a domande importanti riguardo l'organizzazione cerebrale e il funzionamento del cervello nei disturbi dello spettro autistico e potenzialmente un giorno. Ciò potrebbe portare all'individuazione di un marcatore neurologico per l'autismo. Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla terapia per l'autismo, poiché l'identificazione di una connettività alterata tra regioni cerebrali potrebbe portare allo sviluppo di nuove terapie in grado di ripristinare tali connessioni.

Pertanto, anche se questo metodo può essere utilizzato per valutare il cervello autistico, può essere applicato anche ad altre tecniche, come lo studio di altri disturbi dello sviluppo neurologico, nonché dello sviluppo del cervello tipico. Poiché è difficile introdurre i bambini con autismo allo scanner di risonanza magnetica, data l'ambientazione rumorosa a cui risultano particolarmente sensibili, lo spazio risulta compatto e potenzialmente claustrofobico, oltre a rappresentare un ambiente nuovo e sconosciuto. Una dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale per preparare adeguatamente un bambino con autismo.

La scansione con risonanza magnetica funzionale può risultare difficile e molte persone autistiche sono generalmente pensatori visivi. A dimostrare questa procedura saranno i miei studenti laureandi del mio laboratorio, Donna Murdo, Lauren Libro, Mark Pennick e Heather Wadsworth. Prima dell'iscrizione allo studio, i potenziali partecipanti e le famiglie, nel caso di soggetti minorenni, devono essere informati sullo studio tramite una telefonata.

Si dovrebbe inoltre includere una valutazione per assicurarsi che il partecipante soddisfi i criteri di inclusione dello studio. Se idoneo, il potenziale partecipante deve essere reclutato per una risonanza magnetica in un giorno e a un orario che siano adatti sia al partecipante sia ai ricercatori e al centro di imaging. Inviare al soggetto una copia della storia sociale relativa alla procedura di risonanza magnetica e un CD con la registrazione del rumore dello scanner.

Questi dovrebbero essere esaminati insieme ai genitori nel caso di bambini, al fine di comprendere meglio le procedure dello studio prima della giornata di scansione e per rendere il soggetto più a proprio agio con l'ambiente della risonanza magnetica. Quando il partecipante e la famiglia arrivano al centro di imaging, dargli il benvenuto e rispondere a eventuali domande che potrebbero avere riguardo allo studio e alla procedura sperimentale. Successivamente, rivedere i documenti del comitato etico prima di ottenere il consenso informato.

Successivamente, accompagnare il partecipante in una stanza tranquilla per eseguire test neuropsicologici, inclusi quelli sul quoziente intellettivo, sulle capacità linguistiche e sulla lateralità. Quindi far praticare al partecipante versioni brevi dei paradigmi dello studio su un computer portatile, in modo che si familiarizzi con gli esperimenti. Una volta completati tutti i test e la pratica, accompagnare il partecipante in una sala con una simulazione di scanner MRI e fornirgli un'esperienza simulata della procedura di risonanza magnetica.

Un altro passo preparatorio consiste nell'allestire lo scanner MRI nel centro di imaging con adesivi e immagini di animali e personaggi dei cartoni animati facilmente rimovibili, per rendere l'ambiente della scansione più adatto ai bambini. Quando il partecipante torna al centro di imaging, concedere una breve pausa, quindi fargli compilare un questionario sulla sicurezza in risonanza magnetica (MR Safety). Prima di entrare nella stanza dello scanner, riporre tutti gli effetti personali in un armadietto e quindi effettuare una verifica per individuare eventuali metalli sul corpo.

Una volta completato il screening, accompagnare il partecipante nella stanza della risonanza magnetica e farlo sedere sul lettino dello scanner; fornire tappi per le orecchie e cuffie prima di far sdraiare il soggetto sul lettino. Successivamente, un tecnico di risonanza magnetica deve posizionare la bobina multicanale per la testa sopra il capo del partecipante e regolare lo specchio collegato in modo che siano visibili le immagini mostrate sullo schermo del computer. Poi, coprire il partecipante con una coperta e fornire i box di risposta da impugnare con la mano sinistra e destra da utilizzare durante le attività di FMRI.

Posizionare anche la palla di emergenza a portata di mano, in modo che il soggetto possa segnalare se desidera uscire dallo scanner. Infine, il tecnico risonanza magnetica farà avanzare il lettino dello scanner all'interno del tunnel e si assicurerà che il soggetto sia comodo prima di iniziare le scansioni. Il tecnico avvia innanzitutto la sessione di scansione acquisendo i localizzatori per verificare che la testa del partecipante sia correttamente posizionata.

Successivamente, viene acquisita una scansione strutturale ad alta risoluzione, che sarà utilizzata per la co-registrazione e la normalizzazione. Nelle analisi successive, per mantenere il soggetto concentrato, il ricercatore può presentare un breve filmato al partecipante durante questa scansione. Quindi, impostare i parametri di imaging appropriati per lo scanner e la sequenza d'impulso utilizzata.

Il ricercatore deve assistere il tecnologo nella prescrizione delle sezioni per l'imaging funzionale. In questo caso, vengono prescritte 17 sezioni di cinque millimetri nel piano assiale obliquo per consentire una copertura massima dell'intero cervello. A questo punto, parli attraverso il microfono per informare il soggetto che l'esperimento sta per iniziare e fornisca le istruzioni per la prova che verrà eseguita.

Aprire anche l'attività sperimentale sul computer, che dovrebbe essere sincronizzata per iniziare con un segnale proveniente dalla scanner. Il partecipante deve premere un pulsante per avviare l'esperimento e la scansione quando è pronto a iniziare le attività sperimentali, incluse stimolazioni visive statiche e dinamiche, nonché stimolazioni uditive, che possono essere visualizzate e programmate tramite il software ePrime. Assicurarsi di monitorare le risposte del partecipante mentre vengono registrate e visualizzate sullo schermo del computer.

Dopo il primo esperimento, parlare con il partecipante e fornire un feedback sul rendimento nel compito e sui movimenti della testa, quindi prepararlo o prepararla per il prossimo esperimento da eseguire. Quando tutti gli esperimenti di risonanza magnetica funzionale sono terminati, il ricercatore dovrebbe istruire il soggetto a rimanere semplicemente fermo per circa 12 minuti, mentre viene acquisita una scansione DTI; in questa fase può essere mostrato nuovamente un segmento di un filmato per intrattenimento. Al termine di tutte le acquisizioni, far uscire il partecipante dalla risonanza magnetica e permettergli o permetterle di recuperare gli effetti personali che potrebbero essere stati riposti nell'armadietto.

Quindi accompagnare il soggetto in una stanza tranquilla per una breve sessione di debriefing. Durante la sessione di debriefing, chiedere al partecipante informazioni sulle proprie prestazioni nella risonanza magnetica, sul livello di difficoltà dei compiti sperimentali e su eventuali problemi o preoccupazioni sorti durante la procedura. Inoltre, assicurarsi di ringraziare il soggetto per la partecipazione allo studio.

Nel frattempo, il tecnico RM deve caricare tutti i dati di risonanza magnetica (MRI) e di diffusione tensoriale (DTI) acquisiti su una rete informatica protetta conformemente al HIPAA. In seguito, il ricercatore potrà accedere a questa rete mediante password per recuperare e trasferire i dati su un server di ricerca. Prima dell'analisi, i dati acquisiti devono essere anonimizzati rimuovendo qualsiasi informazione identificabile, come nome e data di nascita, dall'intestazione delle immagini.

Quindi convertire i dati in formato immagine NIfTI per iniziare l'elaborazione funzionale. La pre-elaborazione e la post-elaborazione dei dati possono essere eseguite mediante software come la mappatura parametrica statistica o SPM 8. La connettività funzionale per un compito specifico deve quindi essere misurata delineando innanzitutto regioni di interesse ed estraendo la serie temporale del segnale fMRI da ciascuna ROI per ogni partecipante.

Quindi correlare il segnale da una ROI all'altra. La connettività anatomica può essere esaminata anche utilizzando i dati DTI acquisiti e il software FSL. L'analisi preliminare con tale software esamina la diffusione dell'acqua nel cervello e la utilizza come indice dell'integrità della sostanza bianca.

Un'ulteriore analisi può coinvolgere la tractografia della sostanza bianca, in cui vengono dedotti i dettagli relativi all'orientamento e alla struttura dei fasci. Qui si possono osservare mappe funzionali rappresentative con un aumento dell'attivazione, come si vede in un compito linguistico tipico, ad esempio la comprensione di frasi. Le attivazioni appaiono nel giro frontale inferiore sinistro e nel solco temporale superiore posteriore sinistro; un'attivazione aumentata dei solchi temporali superiori posteriori bilaterali può essere osservata nei partecipanti neurotipici durante l'attribuzione di stati mentali.

Per altri, queste mappe sono corrette per FWE con un valore P di soglia inferiore a 0,05. Qui osserviamo dati provenienti da un compito di cognizione sociale in partecipanti con autismo che indicano una ridotta connettività funzionale, dimostrando una sincronizzazione dell'attivazione cerebrale tra regioni frontali e temporali. Infine, questa figura mostra i risultati della tractografia DTI che evidenziano un fascio di fibre della sostanza bianca che si estende dal lobo temporale alla giunzione temporo-parietale.

Il punto di partenza iniziale per la tractografia era una ROI identificata mediante statistiche spaziali basate sul tracciamento, che presentava un valore di FA significativamente inferiore nei giovani adulti con autismo rispetto ai partecipanti controlli tipici abbinati per età. L'immagine pediatrica può essere molto difficile, specialmente con bambini con autismo, ma con sufficiente pratica e preparazione, queste tecniche di scansione possono essere eseguite con successo. Nel tentativo di effettuare scansioni MRI con qualsiasi partecipante, ma in particolare con i bambini, è importante assicurarsi che l'esperienza in laboratorio sia piacevole e positiva.

I dati acquisiti seguendo questa procedura possono essere utilizzati per rispondere a domande relative alle neuroscienze. Inoltre, con le ipotesi e le analisi appropriate, è possibile utilizzare queste informazioni non solo per comprendere il funzionamento del cervello, ma anche la relazione tra cervello e comportamento. Non dimenticare che il processo di scansione con risonanza magnetica è estremamente sensibile ai movimenti.

Inoltre, si dovrebbero prendere precauzioni per rimuovere tutti i metalli dalle tasche e dal corpo dei partecipanti prima di eseguire la procedura. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come utilizzare con successo le neuroimmagini per studiare i bambini in generale e i bambini con disturbi dello sviluppo come l'autismo.