fMRI 및 확산 텐서 영상을 사용하여 자폐증의 브레인을 탐색

다음 실험의 전반적인 목표는 자폐증의 사회적 인지에 중요한 뇌 영역 간의 연결성을 조사하는 것입니다. 자폐증 아동과 성인을 대상으로 한 뇌의 기능적 MRI 및 확산 텐서 영상을 사용하여, 적절한 fMRI 실험을 설계하고 자폐증 참여자를 모집함으로써 이를 달성합니다. 고품질의 기능적 및 구조적 뇌 영상을 얻기 위해서는 참여자가 해당 절차에 대해 충분히 준비되어야 합니다.

기능적 실험은 피험자가 미리 정의된 과제를 수행하는 동안 MRI 스캐너 내에서 제시됩니다. 획득된 MR 영상은 각 실험당 상대적으로 많은 양의 데이터를 생성합니다. 획득한 신경영상 데이터는 실험실의 컴퓨터 서버로 전송된 후, 전처리 과정을 거쳐 모델 생성을 통한 통계 분석이 수행됩니다.

기본적인 뇌 활성화 분석 외에도, 자폐증 및 대조군 참가자를 대상으로 기능적 및 해부학적 연결성을 조사했습니다.FMRI. 그 결과, 자폐증 피험자의 경우 사회 인지 과정에서 활성화가 감소하고 기능적 연결성이 약화되는 것으로 나타났습니다. 또한, DTI 데이터 분석 결과 자폐증에서 비정상적인 백질 무결성이 확인되었습니다.

이 방법은 자폐 스펙트럼 장애의 뇌 조직 및 뇌 기능과 관련된 중요한 질문들에 답할 수 있으며, 잠재적으로 언젠가는 자폐증의 신경학적 마커를 식별하는 것으로 이어질 수 있습니다. 이 기술의 영향은 자폐증 치료로까지 확대될 수 있는데, 뇌 영역 간의 변화된 연결성을 식별함으로써 해당 연결을 복구하는 새로운 치료법 개발로 이어질 수 있기 때문입니다.

따라서 이 방법은 자폐증 뇌를 평가하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 신경 발달 장애를 살펴보거나 전형적인 뇌가 어떻게 발달하는지를 확인하는 등 다른 기술에도 활용될 수 있습니다. 자폐증 아동의 경우 MRI 스캐너의 소음 환경에 민감하기 때문에 장비에 적응시키는 것이 어렵습니다. 또한 MRI 스캐너는 공간이 협소하여 폐쇄 공포증을 유발할 수 있으며, 아동에게는 낯선 환경입니다. 따라서 자폐증 아동을 준비시키는 과정에서 이 방법의 시각적 시연이 매우 중요합니다.

fMRI 스캔은 어려울 수 있으며, 자폐증이 있는 많은 사람들은 일반적으로 시각적 사고를 합니다. 본 절차의 시연은 저희 연구실의 대학원생인 Donna Murdo, Lauren Libro, mark Pennick, Heather Wadsworth가 진행하겠습니다. 연구 등록에 앞서, 잠재적 참여자 및 아동 피험자의 경우 그 가족에게 전화로 연구에 관한 사전 안내를 제공해야 합니다.

또한, 참가자가 연구의 선정 기준을 충족하는지 확인하기 위한 스크리닝이 포함되어야 합니다. 적격하다고 판단되면, 참가자와 연구진, 그리고 영상 센터 모두에게 적절한 날짜와 시간에 MRI 스캔을 받을 수 있도록 잠재적 참가자를 모집해야 합니다. 참가자에게 MRI 스캔 절차에 관한 소셜 스토리 사본과 스캐너 소음이 녹음된 CD를 보내십시오.

피험자가 아동인 경우, 스캔 당일 이전의 연구 절차를 더 잘 이해하고 피험자가 MRI 환경에 더 편안함을 느낄 수 있도록 부모와 함께 검토해야 합니다. 참여자와 가족이 영상 센터에 도착하면 이들을 맞이하고, 연구 및 실험 절차에 대해 궁금한 점에 답해 주십시오. 그 후, 고지된 동의를 얻기 전에 IRB 문서를 검토하십시오.

다음으로, 참가자를 조용한 방으로 안내하여 IQ, 언어 능력 및 주사용 손을 포함한 신경심리학적 검사를 실시합니다. 그런 다음, 참가자가 실험에 익숙해질 수 있도록 노트북 컴퓨터를 통해 연구 패러다임의 단축 버전을 연습하게 합니다. 모든 검사와 연습이 완료되면, 참가자를 모의 MRI 스캐너로 안내하여 MRI 스캐닝 절차를 시뮬레이션 체험하게 합니다.

또 다른 준비 단계는 영상 센터의 MRI 스캐너를 쉽게 제거 가능한 스티커와 동물 및 만화 캐릭터 이미지로 꾸며 스캔 환경을 어린이 친화적으로 만드는 것입니다. 참여자가 영상 센터로 돌아오면 잠시 휴식 시간을 갖게 한 후, MR 안전 설문지를 작성하도록 합니다. 스캔실에 들어가기 전에 모든 소지품을 보관함에 넣고 신체에 금속 물질이 있는지 확인합니다.

스크리닝이 완료되면 피험자를 스캔실로 안내하여 스캐너 베드에 앉게 하고, 귀마개와 헤드폰을 제공한 뒤 베드에 눕힙니다. 그 다음 MRI 방사선사가 피험자의 머리에 다채널 헤드 코일을 장착하고, 컴퓨터 화면에 표시되는 영상을 볼 수 있도록 부착된 거울을 조정해야 합니다. 이어서 피험자에게 담요를 덮어주고 fMRI 과제 수행 중에 사용할 좌우 손용 응답 박스를 제공합니다.

또한 피험자가 스캐너에서 나가고 싶을 때 신호를 보낼 수 있도록 비상용 스퀴즈 볼을 손이 닿는 곳에 배치하십시오. 마지막으로, MRI 테크놀로지스트는 스캐너 베드를 스캐너 볼 내부로 진입시키고, 스캔을 시작하기 전 피험자가 편안한 상태인지 확인합니다. 테크놀로지스트는 먼저 로컬라이저(Localizers)를 획득하여 참여자의 머리가 올바르게 위치했는지 확인함으로써 스캔 세션을 시작합니다.

그런 다음 공동 등록 및 정규화에 사용할 고해상도 구조 스캔을 획득합니다. 이후 분석 과정에서 피험자의 흥미를 유지하기 위해, 연구자는 이 스캔이 진행되는 동안 참가자에게 동영상 클립을 보여줄 수 있습니다. 다음으로, 사용 중인 스캐너와 펄스 시퀀스에 적합한 영상 파라미터를 설정하십시오.

연구원은 기술자가 기능적 영상 촬영을 위한 슬라이스를 설정하는 것을 도와야 합니다. 여기서는 뇌 전체를 최대한 넓게 커버하기 위해 사선 축상면(oblique axial plane)으로 5mm 두께의 슬라이스 17개를 설정합니다. 이제 마이크를 통해 피험자에게 실험이 시작됨을 알리고, 수행할 과제에 대한 지침을 전달하십시오.

또한 컴퓨터에서 실험 과제를 실행하십시오. 이 과제는 스캐너의 트리거와 동기화되어 시작되어야 합니다. 참여자가 정적 및 동적 시각 자극과 청각 자극을 포함하여 ePrime 소프트웨어를 통해 표시되고 프로그래밍된 실험 과제를 시작할 준비가 되면, 버튼을 눌러 실험과 스캔을 시작해야 합니다. 참여자의 응답이 컴퓨터 화면에 기록되고 표시되는지 주의 깊게 모니터링하십시오.

첫 번째 실험이 끝난 후, 참가자와 대화하며 과제 수행 능력 및 머리 움직임에 대한 피드백을 제공하고, 다음에 진행될 실험을 준비시킵니다. 모든 fMRI 실험이 완료되면, 연구자는 피험자에게 DTI 스캔이 수행되는 약 12분 동안 가만히 누워 있도록 안내해야 하며, 이때 오락을 위해 영화의 일부를 다시 보여줄 수 있습니다. 모든 스캔이 끝나면 참가자를 스캐너에서 나오게 하고, 사물함에 보관했던 소지품을 챙길 수 있도록 합니다.

그 후, 짧은 디브리핑 세션을 위해 피험자를 조용한 방으로 안내하십시오. 디브리핑 세션 동안 피험자에게 스캐너 내에서의 수행 능력, 과제 난이도에 대한 피드백, 그리고 발생했을 수 있는 문제점이나 우려 사항에 대해 질문하십시오. 또한, 연구에 참여해 준 피험자에게 반드시 감사의 인사를 전하십시오.

그동안 MRI 기술자는 획득한 모든 MRI 및 DTI 데이터를 HIPAA 보호 컴퓨터 네트워크에 업로드해야 합니다. 그 후 연구자는 비밀번호를 사용하여 해당 네트워크에 로그인하여 데이터에 접근하고 이를 연구 서버로 전송할 수 있습니다. 분석 전에는 이미지 헤더에서 이름 및 생년월일과 같은 식별 가능한 정보를 제거하여 획득한 데이터를 익명화해야 합니다.

그런 다음 기능적 처리(functional processing)를 시작하기 위해 데이터를 nifty 이미지 형식으로 변환합니다. 데이터의 전처리와 후처리는 모두 statistical parametric mapping 또는 SPM eight와 같은 소프트웨어를 통해 수행할 수 있습니다. 특정 과제에 대한 기능적 연결성은 먼저 관심 영역(regions of interest)을 설정하고, 각 참가자의 각 ROI에서 fMRI 신호 시계열을 추출함으로써 측정해야 합니다.

그 다음, 한 ROI의 신호를 다른 ROI와 상관 분석합니다. 획득한 DTI 데이터와 FSL 소프트웨어를 사용하여 해부학적 연결성을 조사할 수도 있습니다. 해당 소프트웨어를 이용한 예비 분석에서는 뇌 내 수분의 확산을 조사하며, 이를 백질 무결성의 지표로 사용합니다.

추가 분석에는 경로의 방향과 구조에 관한 세부 사항을 추론하는 백질 트랙토그래피(white matter tractography)가 포함될 수 있습니다. 여기에서 문장 이해와 같은 전형적인 언어 과제에서 나타나는 활성 증가가 반영된 대표적인 기능 지도를 확인할 수 있습니다. 활성화는 좌측 하전두회(left inferior frontal gyrus)와 좌측 후상측두구(left posterior superior temporal sulcus)에서 나타나며, 신경전형적 참여자의 경우 정신 상태 귀인 중에 양측 후상측두구 활성이 증가한 것을 볼 수 있습니다.

다른 지도들의 경우, 임계 P 값이 0.05 미만인 FWE 보정이 적용되었습니다. 여기서는 자폐증 참여자의 사회 인지 과제 데이터에서 전두엽과 측두엽 영역 간의 뇌 활성화 동기화를 나타내는 기능적 연결성이 유의미하게 감소한 것을 볼 수 있습니다. 마지막으로, 이 그림은 측두엽에서 측두두정접합부로 이어지는 백질 섬유 다발을 보여주는 DTI 트랙토그래피 결과를 나타냅니다.

트랙토그래피의 초기 시작점은 추적 기반 공간 통계 분석을 통해, 연령이 일치하는 일반 대조군 참여자와 비교했을 때 자폐증이 있는 청년층에서 FA 값이 유의하게 더 낮은 것으로 확인된 ROI였습니다. 소아 신경 영상 촬영은 특히 자폐증 어린이를 대상으로 할 때 매우 어려울 수 있으나, 충분한 연습과 준비가 있다면 이러한 스캔 기술을 성공적으로 수행할 수 있습니다. 모든 참여자, 특히 어린이를 대상으로 MRI 스캔을 시도할 때는 실험실에서의 경험이 즐겁고 긍정적일 수 있도록 보장하는 것이 중요합니다.

본 절차를 통해 획득한 데이터는 신경과학 관련 질문에 답하는 데 사용될 수 있습니다. 또한, 적절한 가설과 분석이 뒷받침된다면, 이 정보를 통해 뇌뿐만 아니라 뇌와 행동 사이의 관계에 대해서도 알아낼 수 있습니다. MRI 스캐닝 과정은 움직임에 매우 민감하다는 점을 잊지 마십시오.

또한, 절차를 시작하기 전에 참가자의 주머니와 몸에 지닌 모든 금속 물질을 제거하도록 주의를 기울여야 합니다. 이 영상을 시청하고 나면, 일반 아동 및 자폐증과 같은 발달 장애 아동을 연구하기 위해 신경영상법을 성공적으로 사용하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.