Onderzoek naar de hersenen bij autisme Met behulp van fMRI en Diffusion Tensor Imaging

Het algemene doel van het volgende experiment is om de verbindingen tussen hersengebieden te onderzoeken die belangrijk zijn voor sociale cognitie bij autisme. Met behulp van functionele MRI en diffusietensormetingen van de hersenen bij zowel kinderen als volwassenen met autisme wordt dit bereikt door geschikte fMRI-experimenten te ontwerpen en vervolgens autistische deelnemers te rekruteren. De deelnemers moeten adequaat worden voorbereid op de procedure om kwalitatieve functionele en structurele hersenbeelden te verkrijgen.

De functionele experimenten worden aan de deelnemer gepresenteerd in de MRI-scanner tijdens het uitvoeren van een vooraf gedefinieerde taak. De verworven MR-beelden resulteren in een relatief grote hoeveelheid gegevens per experiment. De verkregen neuroimaginggegevens worden overgedragen naar de computerserver van het laboratorium, vervolgens gepreprocesserd en onderworpen aan statistische analyse door middel van het maken van modellen.

Naast de basisanalyse van de hersenactivatie wordt de functionele en anatomische connectiviteit onderzocht bij deelnemers met autisme en in de controlegroep via fMRI. De resultaten tonen een verminderde activatie en een zwakkere functionele connectiviteit tijdens sociale cognitie bij autistische proefpersonen. Daarnaast wijst de analyse van DTI-gegevens op een abnormale integriteit van de witte stof bij autisme.

Deze methode kan belangrijke vragen beantwoorden over de organisatie en werking van de hersenen bij autismespectrumstoornissen en kan potentieel op suatu dag leiden tot de identificatie van een neurologische marker voor autisme. De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot therapie voor autisme, omdat het identificeren van een gewijzigde connectiviteit tussen hersengebieden kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe therapieën die deze verbindingen herstellen.

Hoewel deze methode dus kan worden gebruikt om het autistische brein te beoordelen, kan zij ook worden toegepast bij andere technieken, zoals het bestuderen van andere neuro-ontwikkelingsstoornissen, evenals de ontwikkeling van het typische brein. Het is namelijk moeilijk om kinderen met autisme te laten wennen aan de MRI-scanner, aangezien dit een luidruchtige omgeving is waar zij gevoelig voor zijn. Bovendien is het een compacte en potentieel claustrofobische ruimte, wat een onbekende omgeving voor hen vormt. Een visuele demonstratie van deze methode is daarom essentieel bij het voorbereiden van een kind met autisme.

FMRI-scanning kan moeilijk zijn en veel mensen met autisme zijn over het algemeen visuele denkers. Deze procedure zal worden gedemonstreerd door mijn promovendi uit mijn laboratorium: Donna Murdo, Lauren Libro, Mark Pennick en Heather Wadsworth. Voordat men wordt ingeschreven voor de studie, dienen de potentiële deelnemers, en in het geval van minderjarige proefpersonen ook de familie, eerst telefonisch over de studie te worden geïnformeerd.

Dit moet ook een screening omvatten om te bevestigen dat de deelnemer voldoet aan de inclusiecriteria voor het onderzoek. Indien geschikt, moet de potentiële deelnemer vervolgens worden geworven voor een MRI-scan op een dag en tijdstip dat passend is voor zowel de deelnemer als de onderzoekers en het beeldcentrum. Stuur de proefpersoon een kopie van het sociale verhaal over de MRI-scanprocedure en een CD-opname van het geluid van de scanner.

Deze dienen in het geval van kinderen met de ouders te worden besproken om de studieprocedures vóór de scandag beter te begrijpen en om de proefpersoon op zijn of haar gemak te stellen in de MRI-omgeving. Wanneer de deelnemer en de familie aankomen bij het beeldvormingscentrum, begroet u hen en beantwoordt u eventuele vragen die zij kunnen hebben over de studie en de experimentele procedure. Bekijk vervolgens de IRB-documenten voordat de geïnformeerde toestemming wordt verkregen.

Neem de participant vervolgens mee naar een rustige kamer voor neuropsychologisch onderzoek, waaronder IQ, taalvaardigheid en lateraliteit. Laat de participant daarna korte versies van de studieparadigma's oefenen op een laptop om vertrouwd te raken met de experimenten. Zodra alle tests en oefeningen zijn voltooid, neemt u de participant mee naar een MRI-simulatiescanner om een gesimuleerde ervaring van de MRI-scanprocedure te bieden.

Een andere voorbereidende stap is om de MRI-scanner in het beeldvormingscentrum te versieren met gemakkelijk te verwijderen stickers en afbeeldingen van dieren en stripfiguren, om de scanomgeving kindvriendelijker te maken. Wanneer de deelnemer terugkeert naar het beeldvormingscentrum, wordt er een korte pauze ingelast, waarna hij of zij een vragenlijst over MR-veiligheid invult. Voordat men de scanruimte betreedt, worden alle persoonlijke bezittingen in een kluisje geplaatst en wordt er gecontroleerd op metalen voorwerpen op het lichaam.

Zodra de screening is voltooid, brengt u de deelnemer naar de scanruimte en laat u hem of haar op de scannertafel gaan zitten. Voorzie de proefpersoon van oordopjes en een koptelefoon voordat u hem of haar laat gaan liggen op de scannertafel. Vervolgens moet een MRI-laborant de multichannel-hoofdspoel over het hoofd van de deelnemer plaatsen en de bevestigde spiegel zo afstellen dat de beelden op het computerscherm zichtbaar zijn. Dek de deelnemer daarna af met een kleed en voorzie responsboxen voor de linker- en rechterhand om tijdens de fMRI-taken te gebruiken.

Plaats daarnaast de noodknop (squeeze ball) binnen bereik, zodat de proefpersoon kan aangeven wanneer hij of zij de scanner wil verlaten. Ten slotte schuift de MRI-laborant de scannerbed in de scannerbuis en controleert of de proefpersoon comfortabel ligt voordat de scans beginnen. De laborant start de scansessie eerst door localizers op te nemen om te controleren of het hoofd van de deelnemer correct is gepositioneerd.

Vervolgens wordt een structurele scan met een hoge resolutie gemaakt, die gebruikt zal worden voor co-registratie en normalisatie. Om de proefpersoon tijdens deze scan te vermaken, kan de onderzoeker een filmfragment aan de deelnemer tonen in de daaropvolgende analyse. Stel vervolgens de beeldgevingsparameters in die passen bij de gebruikte scanner en pulssequens.

De onderzoeker dient de technoloog te ondersteunen bij het bepalen van de coupes voor functionele beeldvorming. Hier worden 17 coupes van vijf millimeter bepaald in het schuine axiale vlak om een maximale dekking van de gehele hersenen te verkrijgen. Spreek nu via de microfoon om de proefpersoon te laten weten dat het experiment gaat beginnen en geef instructies voor de taak die zal worden uitgevoerd.

Open ook de experimentele taak op de computer, die gesynchroniseerd moet zijn om te starten met een trigger van de scanner. De deelnemer moet op een knop drukken om het experiment en de scan te starten wanneer hij of zij klaar is om te beginnen met de experimentele taken, waaronder statische en dynamische visuele stimuli, evenals auditieve stimuli, die hier weergegeven en geprogrammeerd kunnen worden via ePrime-software. Zorg ervoor dat u de reacties van de deelnemer monitort terwijl deze worden geregistreerd en op het computerscherm worden weergegeven.

Praat na het eerste experiment met de deelnemer, geef feedback over de taakprestaties en de hoofdbeweging, en bereid hem of haar voor op het volgende experiment dat zal worden uitgevoerd. Wanneer alle fMRI-experimenten zijn voltooid, moet de onderzoeker de proefpersoon instrueren om simpelweg ongeveer 12 minuten stil te blijven liggen terwijl er een DTI-scan wordt gemaakt; ter ontspanning kan hier opnieuw een fragment uit een film worden getoond. Zodra alle scans zijn voltooid, haalt u de deelnemer uit de scanner en laat u hem of haar eventuele eigendommen ophalen die in het kluisje zijn geplaatst.

Leid hem of haar vervolgens naar een rustige ruimte voor een korte debriefingsessie. Vraag de deelnemer tijdens deze sessie naar zijn of haar prestaties in de scanner, feedback over het moeilijkheidsniveau van de taken en eventuele problemen of zorgen die zijn ontstaan. Vergeet daarnaast niet de proefpersoon te bedanken voor zijn of haar deelname aan het onderzoek.

Ondertussen dient de MRI-technoloog alle verkregen MRI- en DTI-gegevens te uploaden naar een HIPAA-beschermd computernetwerk. De onderzoeker kan vervolgens later met een wachtwoord inloggen op dit netwerk om de gegevens te openen en over te dragen naar een researchserver. Voorafgaand aan de analyse moeten de verkregen gegevens worden geanonimiseerd door alle identificeerbare informatie, zoals naam en geboortedatum, uit de image header te verwijderen.

Converteer de gegevens vervolgens naar het NIfTI-beeldformaat om te beginnen met de functionele verwerking. Zowel de pre- als post-processing van de gegevens kan worden uitgevoerd via software zoals Statistical Parametric Mapping of SPM eight. De functionele connectiviteit voor een bepaalde taak moet vervolgens worden gemeten door eerst regions of interest (ROI's) te tekenen en het fMRI-signaalverloop uit elke ROI voor elke deelnemer te extraheren.

correleer vervolgens het signaal van de ene ROI met de andere. Anatomische connectiviteit kan ook worden onderzocht met behulp van de verkregen DTI-gegevens en FSL-software. De voorlopige analyse met dergelijke software onderzoekt de diffusie van water in de hersenen en gebruikt dit als een index voor de integriteit van de witte stof.

Verdere analyse kan tractografie van de witte stof omvatten, waarbij details over de oriëntatie en structuur van de tractussen worden afgeleid. Hier zijn representatieve functionele kaarten te zien met een verhoogde activatie, zoals waargenomen bij een typische taaktaak zoals zinsbegrip. Activaties zijn zichtbaar in de linker gyrus frontalis inferior en de linker sulcus temporalis superior posterior; bij neurotypische deelnemers is een verhoogde bilaterale activatie van de sulci temporalis superior posterior te zien tijdens de toeschrijving van mentale toestanden.

Voor andere kaarten is een FWE-correctie toegepast met een drempelwaarde voor de P-waarde van minder dan 0,05. Hier zien we gegevens van een taak voor sociale cognitie bij deelnemers met autisme, waarbij een significante vermindering van de functionele connectiviteit wordt aangetoond, wat wijst op een verminderde synchronisatie van de hersenactivatie tussen frontale en temporale regio's. Tot slot toont deze figuur de resultaten van DTI-tractografie, waarbij een bundel witte stofvezels zichtbaar is die zich uitstrekt van de temporale kwab naar de temporopariëtale junctie.

Het initiële startpunt voor de tractografie was een ROI die via track-based ruimtelijke statistiek was geïdentificeerd als een gebied met een significant lagere FA-waarde bij jonge volwassenen met autisme in vergelijking met leeftijd-gematched typische controledeelneemers. Pediatrische neuro-imaging kan zeer uitdagend zijn, vooral bij kinderen met autisme, maar met voldoende oefening en voorbereiding kunnen deze scantestieken succesvol worden uitgevoerd. Bij het uitvoeren van MRI-scans bij elke deelnemer, maar in het bijzonder bij kinderen, is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de ervaring in het laboratorium prettig en positief is.

Gegevens die via deze procedure worden verkregen, kunnen worden gebruikt om vragen te beantwoorden die gerelateerd zijn aan de neurowetenschappen. Daarnaast kan men, mits de juiste hypothesen en analyses worden gehanteerd, deze informatie gebruiken om niet alleen meer te leren over de hersenen, maar ook over de relatie tussen de hersenen en het gedrag. Houd er rekening mee dat het MRI-scanproces uiterst gevoelig is voor beweging.

Bovendien moeten voorzorgsmaatregelen worden genomen om alle metalen voorwerpen uit de zakken en van het lichaam van de deelnemers te verwijderen voordat de procedure wordt uitgevoerd. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe neuroimaging succesvol kan worden ingezet om kinderen in het algemeen en kinderen met ontwikkelingsstoornissen zoals autisme te bestuderen.