fMRIと拡散テンソル画像を用いた自閉症で脳を探る

本実験の全体的な目的は、自閉症における社会認知に重要な脳領域間の接続を調査することです。自閉症の子供および成人を対象とした脳の機能的MRI（fMRI）および拡散テンソル画像（DTI）を用いて、適切なfMRI実験を設計し、自閉症の被験者を募集することでこれを達成します。高品質な機能的および構造的脳画像を取得するためには、被験者に適切な手順の準備をさせることが不可欠です。

機能的実験は、被験者が定義済みのタスクを実行している間にMRIスキャナー内で行われます。取得されるMR画像は、各実験につき比較的大量のデータとなります。取得したニューロイメージングデータは研究室のコンピュータサーバーに転送され、その後、前処理が行われ、モデルの作成による統計解析にかけられます。

基本的な脳活動解析に加えて、自閉症および対照群の参加者における機能的および解剖学的結合をfMRIで検討します。その結果、自閉症被験者では社会認知中の活動低下と機能的結合の弱化が示されました。さらに、DTIデータの解析により、自閉症における白質の完全性の異常が示唆されました。

この手法は、自閉スペクトラム症における脳の構成と脳機能に関する重要な疑問を解消することができ、将来的には自閉症の神経学的マーカーの特定につながる可能性があります。この技術の意義は自閉症の治療にまで及び、脳領域間のコネクティビティ（接続性）の異常を特定することで、それらの接続を修復する新しい治療法の開発につながる可能性があります。

したがって、この手法は自閉症の脳を評価するために利用できるだけでなく、他の神経発達障害の検討や、定型発達の脳がどのように発達するかを調べるなどの他の手法にも応用可能です。自閉症の子どもにとってMRIスキャナーは、彼らが敏感に反応する騒がしい環境であり、導入が困難な場合があります。また、狭小で閉所恐怖症を感じさせる可能性のある空間であり、未知の環境でもあります。自閉症の子どもに準備をさせる上で、この手法を視覚的に提示することが極めて重要となります。

fMRIスキャンは困難な場合があり、自閉症の方々の多くは一般的に視覚的思考を行う傾向があります。本手順のデモンストレーションは、私の研究室の大学院生であるDonna Murdo、Lauren Libro、mark Pennick、およびHeather Wadsworthが行います。研究への登録に先立ち、潜在的な参加者（被験者が子供である場合はその家族）に対し、まず電話で研究についての説明を行う必要があります。

ここでは、参加者が研究の組み入れ基準を満たしているかを確認するためのスクリーニングも行う必要があります。適格であると判断された場合、参加者、研究者、および画像診断センターの双方にとって都合の良い日時で、MRIスキャンのためのリクルートを行ってください。被験者に、MRIスキャンの手順に関するソーシャルストーリーのコピーと、スキャナーの動作音を収録したCDを送付してください。

被験者が子どもの場合は、スキャンの日より前に研究手順をより良く理解させ、被験者がMRI環境に慣れることができるよう、保護者と一緒にこれらの内容を確認してください。参加者と家族が画像診断センターに到着したら、出迎えを行い、研究および実験手順に関する質問に答え、その後、インフォームド・コンセントを得る前にIRB文書を確認してください。

次に、被験者を静かな部屋に案内し、IQ、言語能力、および利き手を含む神経心理学的検査を行います。その後、被験者にノートパソコンで研究パラダイムの短縮版を練習させ、実験の内容に慣れさせます。すべての検査と練習が完了したら、被験者を模擬MRIスキャナーに案内し、MRIスキャン手順のシミュレーション体験を提供します。

別の準備ステップとして、画像診断センターのMRIスキャナーに、取り外し可能な動物やアニメキャラクターのステッカーや画像を貼り付け、スキャン環境をより子供に親しみやすいものにします。参加者が画像診断センターに戻った際は、短時間の休憩を挟んだ後、MR安全チェックリストに記入してもらいます。スキャンルームに入る前に、すべての所持品をロッカーに保管し、身体に金属がついていないかを確認します。

スクリーニングが完了したら、参加者をスキャン室に案内し、スキャナーベッドに座らせます。耳栓とヘッドホンを提供し、その後、被験者をスキャナーベッドに눕かせます。次に、MRI技師が参加者の頭部にマルチチャンネルヘッドコイルを装着し、コンピュータ画面に表示される画像が見えるように、取り付けられているミラーを調整します。続いて、参加者にブランケットを掛け、fMRIタスク中に使用する左右の手用のレスポンスボックスを提供します。

また、被験者がスキャナーから出たいときに合図を送れるよう、緊急用スクイズボールを手の届く範囲に配置します。最後に、MRI技師がスキャナーベッドをスキャナーボア内に進め、スキャンを開始する前に被験者が快適な状態であるかを確認します。技師はまず、参加者の頭部が正しく配置されているかを確認するため、ロカライザー（位置決め画像）を取得してスキャンセッションを開始します。

次に、共登録（co-registration）および標準化に使用するための高解像度構造スキャンを取得します。このスキャン中に、被験者の飽きを防ぐため、研究者が映画などのクリップを提示してもかまいません。続いて、使用するスキャナーおよびパルスシーケンスに適した撮像パラメータを設定します。

研究者は、機能画像撮影のスライス設定について技師を補助してください。ここでは、脳全体を最大限にカバーできるよう、斜軸方向で5 mmのスライスを17枚設定します。次に、マイクで被験者に実験が始まることを伝え、これから行うタスクの指示を出してください。

また、コンピュータで実験タスクを開いておきます。これは、スキャナーからのトリガーで開始されるよう同期されている必要があります。参加者が静止および動的な視覚刺激、ならびに聴覚刺激を含む実験タスクを開始する準備ができたら、ボタンを押して実験とスキャンを開始するようにしてください。これらの刺激は、ePrimeソフトウェアを通じてここで表示およびプログラムされています。参加者の反応が記録され、コンピュータ画面に表示される様子を必ずモニターしてください。

最初の実験の後、参加者に話しかけ、タスクのパフォーマンスと頭部の動きについてフィードバックを行い、次に行われる実験への準備をさせてください。すべてのfMRI実験が完了したら、DTIスキャンの撮像中に約12分間静かに横になるよう被験者に指示します。この待ち時間に、娯楽として映画の断片を再び見せることができます。すべてのスキャンが完了したら、参加者をスキャナーから出し、ロッカーに保管していた所持品を回収させてください。

その後、被験者を静かな部屋へ案内し、短いデブリーフィング（事後説明）を行います。デブリーフィングでは、スキャナー内でのパフォーマンスや、タスクの難易度に関するフィードバックに加え、発生した問題や懸念事項について被験者に尋ねてください。また、研究に参加してくれた被験者に必ず感謝を伝えてください。

その間に、MRI技師は取得したすべてのMRIおよびDTIデータをHIPAA準拠の保護されたコンピュータネットワークにアップロードします。その後、研究者はパスワードを用いてこのネットワークにログインし、データにアクセスして研究用サーバーへ転送することができます。解析を行う前に、画像ヘッダーから氏名や生年月日などの個人特定情報を削除し、取得したデータを匿名化する必要があります。

次に、機能的処理を開始するために、データをnifty画像フォーマットに変換します。データの前処理および後処理は、statistical parametric mappingやSPM eightなどのソフトウェアを用いて行うことができます。特定のタスクに対する機能的結合を測定するには、まず関心領域（ROI）を描き、各参加者の各ROIからfMRI信号のタイムコースを抽出します。

次に、あるROIからの信号と別のROIからの信号を相関させます。また、取得したDTIデータとFSLソフトウェアを用いて、解剖学的接続性を調べることも可能です。このようなソフトウェアを用いた予備解析では、脳内における水の拡散を調査し、それを白質の完全性の指標として利用します。

さらなる解析では、白質トラクトグラフィーを用いて、神経線維束の走行方向や構造に関する詳細を推論させることができます。ここでは、文章理解のような典型的な言語タスクで見られる活性化の増加を示した、代表的な機能マップが提示されています。活性化は左下前頭回および左後上側頭溝に認められ、定型発達の被験者が心的状態の帰属を行っている間は、両側後上側頭溝の活性化が増加することが観察されます。

その他のマップについては、閾値P値0.05未満でFWE補正が行われています。ここでは、自閉症スペクトラムを持つ参加者の社会認知タスクのデータにおいて、前頭葉と側頭葉の領域間の脳活動の同期を示す機能的結合が有意に低下していることが示されています。最後に、この図は、側頭葉から側頭頭頂接合部へと延びる白質線維束を示すDTIトラクトグラフィーの結果を示しています。

トラクトグラフィーの初期起点として、追跡ベース空間統計により、年齢を一致させた定型発達の対照群と比較して、自閉症の若年成人でFA値が有意に低いことが特定されたROIを用いました。小児の神経画像診断、特に自閉症児を対象としたものは非常に困難な場合がありますが、十分な練習と準備があれば、これらのスキャン技術を正常に実施することが可能です。あらゆる被験者、特に子供にMRIスキャンを行う際は、ラボでの体験が楽しく肯定的なものになるようにすることが重要です。

この手順に従って取得したデータは、神経科学に関連する疑問の解決に利用できます。さらに、適切な仮説と解析を行うことで、脳に関する知見だけでなく、脳と行動の関係についても明らかにすることが可能です。MRIスキャン過程は動作に対して非常に敏感であることに留意してください。

さらに、処置を行う前に、参加者のポケットの中や身に着けているすべての金属類を取り除くよう注意してください。このビデオを視聴することで、一般のお子様および自閉症などの発達障害を持つお子様を対象としたニューロイメージングを用いた研究を、どのように成功させるかについて十分な理解を得ることができます。