Badanie mózgu w autyzmie z wykorzystaniem fMRI oraz obrazowania tensora dyfuzji

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zbadanie połączeń między obszarami mózgu, które są istotne dla poznania społecznego w autyzmie. Wykorzystując funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) oraz obrazowanie tensora dyfuzji mózgu u dzieci i dorosłych z autyzmem, cel ten realizowany jest poprzez zaprojektowanie odpowiednich eksperymentów fMRI, a następnie rekrutację uczestników z autyzmem. Uczestnicy muszą zostać odpowiednio przygotowani do procedury, aby uzyskać wysokiej jakości funkcjonalne i strukturalne obrazy mózgu.

Eksperymenty funkcjonalne są prezentowane uczestnikowi w skanerze MRI podczas wykonywania zdefiniowanego zadania. Obrazy MR uzyskane w ten sposób generują stosunkowo dużą ilość danych dla każdego eksperymentu. Pozyskane dane neuroobrazowe są przesyłane na serwer komputerowy laboratorium, a następnie poddawane wstępnemu przetwarzaniu i analizie statystycznej poprzez tworzenie modeli.

Oprócz podstawowej analizy aktywacji mózgu, u uczestników z autyzmem oraz w grupie kontrolnej zbadano łączność funkcjonalną i anatomiczną za pomocą fMRI. Uzyskane wyniki wskazują na obniżoną aktywację oraz słabszą łączność funkcjonalną podczas procesów poznania społecznego u osób z autyzmem. Ponadto analiza danych DTI wskazuje na nieprawidłową integralność istoty białej w autyzmie.

Metoda ta pozwala odpowiedzieć na istotne pytania dotyczące organizacji i funkcjonowania mózgu w zaburzeniach spektrum autyzmu, co w przyszłości może doprowadzić do zidentyfikowania neurologicznego markera autyzmu. Implikacje tej techniki rozciągają się na terapię autyzmu, ponieważ zidentyfikowanie zaburzonej łączności między obszarami mózgu mogłoby doprowadzić do opracowania nowych terapii naprawiających te połączenia.

Zatem choć metodę tę można wykorzystać do oceny mózgu osoby z autyzmem, może ona służyć również w innych badaniach, takich jak analiza innych zaburzeń neurorozwojowych, a także przebiegu typowego rozwoju mózgu. Wprowadzenie dzieci z autyzmem do skanera MRI jest trudne, ponieważ jest to środowisko głośne, na co pacjenci ci są wrażliwi. Jest to przestrzeń kompaktowa i potencjalnie klaustrofobiczna, stanowiąca dla nich nowe otoczenie. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie w przygotowaniu dziecka z autyzmem.

Skanowanie fMRI może być trudne, a wiele osób z autyzmem to zazwyczaj myśliciele wizualni. Procedurę tę zaprezentują doktoranci z mojego laboratorium: Donna Murdo, Lauren Libro, Mark Pennick oraz Heather Wadsworth. Przed włączeniem do badania, potencjalni uczestnicy, a w przypadku osób nieletnich również ich rodziny, powinni zostać najpierw poinformowani o badaniu drogą telefoniczną.

Należy również przeprowadzić przesiew w celu upewnienia się, że uczestnik spełnia kryteria włączenia do badania. Jeśli kwalifikuje się, potencjalny uczestnik powinien zostać zaproszony na badanie MRI w dniu i godzinie odpowiedniej zarówno dla uczestnika, jak i dla badaczy oraz centrum obrazowania. Należy przesłać uczestnikowi kopię opowieści społecznej (social story) na temat procedury badania MRI oraz nagranie hałasu skanera na płycie CD.

W przypadku dzieci dokumenty te powinny zostać omówione z rodzicami, aby lepiej zapoznać ich z procedurami badania przed dniem skanowania oraz pomóc uczestnikowi poczuć się swobodniej w środowisku MRI. Po przybyciu uczestnika i jego rodziny do centrum obrazowania, należy ich powitać i odpowiedzieć na wszelkie pytania dotyczące badania oraz procedury eksperymentalnej. Następnie należy zapoznać ich z dokumentami IRB przed uzyskaniem świadomej zgody.

Następnie przeprowadź uczestnika do cichego pomieszczenia w celu przeprowadzenia testów neuropsychologicznych, obejmujących iloraz inteligencji, sprawność językową oraz preferencję ręki. Następnie poproś uczestnika o przećwiczenie skróconych wersji paradygmatów badawczych na laptopie, aby zapoznał się on z przebiegiem eksperymentów. Po zakończeniu wszystkich testów i ćwiczeń zaprowadź uczestnika do symulatora skanera MRI, aby zapewnić mu symulowane doświadczenie procedury obrazowania rezonansem magnetycznym.

Kolejnym krokiem przygotowawczym jest ozdobienie skanera MRI w centrum obrazowania łatwo usuwalnymi naklejkami oraz obrazkami zwierząt i postaci z bajek, aby środowisko skanowania było bardziej przyjazne dla dzieci. Po powrocie uczestnika do centrum obrazowania należy zapewnić mu krótką przerwę, a następnie poprosić o wypełnienie kwestionariusza bezpieczeństwa MR. Przed wejściem do pomieszczenia z urządzeniem należy umieścić wszystkie rzeczy osobiste w szafce, a następnie sprawdzić obecność metalowych przedmiotów na ciele.

Po zakończeniu przesiewu należy wprowadzić uczestnika do pomieszczenia z aparatem, poprosić go o zajęcie miejsca na stole skanera, przekazać zatyczki do uszu oraz słuchawki, a następnie poprosić badanego o położenie się na stole. Następnie technik MRI powinien umieścić wielokanałową cewkę głowową na głowie uczestnika i wyregulować dołączone lustro w taki sposób, aby widoczne były obrazy wyświetlane na ekranie komputera. Następnie należy przykryć uczestnika kocem i dostarczyć przyciski odpowiedzi dla lewej i prawej ręki, które będą wykorzystywane podczas zadań fMRI.

Należy również umieścić w zasięgu ręki gruszkę alarmową, aby badany mógł zasygnalizować chęć opuszczenia skanera. Na koniec technolog MRI wsunie stół do wnętrza gantry skanera i upewni się, że badany czuje się komfortowo przed rozpoczęciem badania. Technolog rozpoczyna sesję skanowania od wykonania obrazów lokalizacyjnych, aby upewnić się, że głowa uczestnika jest prawidłowo ustawiona.

Następnie wykonuje się skan strukturalny o wysokiej rozdzielczości, który zostanie wykorzystany do korejestracji i normalizacji. W celu utrzymania uwagi badanego podczas tego skanowania, badacz może wyświetlić uczestnikowi krótki film. Następnie należy ustawić parametry obrazowania odpowiednie dla używanego skanera i sekwencji impulsów.

Badacz powinien pomóc technikowi w zaplanowaniu przekrojów do obrazowania funkcjonalnego. W tym przypadku zaplanowano 17 przekrojów o grubości 5 mm w skośnej płaszczyźnie osiowej, aby zapewnić maksymalny zasięg całego mózgu. Teraz należy przemówić przez mikrofon, aby poinformować badanego o rozpoczęciu eksperymentu i przekazać instrukcje dotyczące zadania, które zostanie uruchomione.

Otwórz również zadanie eksperymentalne na komputerze, które powinno być zsynchronizowane tak, aby rozpoczynało się wraz z wyzwalaczem ze skanera. Uczestnik powinien nacisnąć przycisk w celu rozpoczęcia eksperymentu i skanowania, gdy będzie gotowy do rozpoczęcia zadań eksperymentalnych; widoczne tutaj bodźce wizualne statyczne i dynamiczne, a także bodźce słuchowe zostały zaprogramowane i są wyświetlane za pomocą oprogramowania ePrime. Należy monitorować odpowiedzi uczestnika w miarę ich rejestracji i wyświetlania na ekranie komputera.

Po pierwszym eksperymencie należy porozmawiać z uczestnikiem, przekazać mu informację zwrotną na temat wykonania zadania oraz ruchów głowy, a następnie przygotować go do kolejnego zaplanowanego eksperymentu. Po zakończeniu wszystkich eksperymentów fMRI badacz powinien poinstruować badanego, aby leżał nieruchomo przez około 12 minut podczas wykonywania skanu DTI; w tym czasie dla rozrywki można ponownie wyświetlić fragment filmu. Po zakończeniu wszystkich skanowań należy wyprowadzić uczestnika ze skanera i umożliwić mu odebranie rzeczy osobistych, które mogły zostać pozostawione w szafce.

Następnie poprowadź go lub ją do cichego pomieszczenia na krótką sesję podsumowującą. Podczas tej sesji zapytaj uczestnika o jego lub jej odczucia dotyczące przebiegu badania w skanerze, poproś o opinię na temat poziomu trudności zadań oraz zapytaj o wszelkie problemy lub wątpliwości, które mogły wystąpić. Pamiętaj również o podziękowaniu badanemu za udział w badaniu.

W międzyczasie technik MRI powinien przesłać wszystkie pozyskane dane MRI i DTI do sieci komputerowej chronionej zgodnie ze standardami HIPAA. Następnie badacz może zalogować się do tej sieci za pomocą hasła, aby uzyskać dostęp do danych i przenieść je na serwer badawczy. Przed przystąpieniem do analizy pozyskane dane należy zanonimizować poprzez usunięcie z nagłówka obrazów wszelkich informacji identyfikujących, takich jak imię i nazwisko oraz data urodzenia.

Następnie przekonwertuj dane do formatu obrazu NIfTI, aby rozpocząć przetwarzanie funkcjonalne. Zarówno wstępne, jak i końcowe przetwarzanie danych można przeprowadzić za pomocą oprogramowania takiego jak Statistical Parametric Mapping lub SPM8. Łączność funkcjonalna dla danego zadania powinna zostać następnie zmierzona poprzez uprzednie wyznaczenie obszarów zainteresowania (ROI) i wyekstrahowanie przebiegu czasowego sygnału fMRI z każdego ROI dla każdego uczestnika.

Następnie skoreluj sygnał z jednego ROI z drugim. Łączność anatomiczną można również zbadać, wykorzystując pozyskane dane DTI oraz oprogramowanie FSL. Analiza wstępna z użyciem takiego oprogramowania bada dyfuzję wody w mózgu i wykorzystuje ją jako wskaźnik integralności istoty białej.

Dalsza analiza może obejmować traktografię istoty białej, w której wnioskuje się o szczegółach dotyczących orientacji i struktury traktów. Tutaj widoczne są reprezentatywne mapy funkcjonalne z zwiększoną aktywacją, taką jak w typowym zadaniu językowym, np. podczas rozumienia zdań. Aktywacje pojawiają się w lewym zakręcie czołowym dolnym oraz lewej tylnej bruździe skroniowej górnej; u osób neurotypowych podczas przypisywania stanów mentalnych można zaobserwować zwiększoną obustronną aktywację tylnych bruzd skroniowych górnych.

W przypadku innych map, zostały one skorygowane pod kątem FWE z progiem wartości P mniejszej niż 0,05. Tutaj widzimy dane z zadania z zakresu poznania społecznego u uczestników z autyzmem, w których wykazano istotnie zmniejszoną łączność funkcjonalną, wskazującą na synchronizację aktywacji mózgu między obszarami czołowymi a skroniowymi. Na koniec, rycina ta przedstawia wyniki traktografii DTI, pokazujące pęczek włókien istoty białej biegnący z płata skroniowego do skroniowo-ciemieniowego złącza.

Wstępnym punktem wyjścia dla traktografii był obszar ROI zidentyfikowany za pomocą statystyki przestrzennej opartej na traktach, w którym wykazano istotnie niższą wartość FA u młodych dorosłych z autyzmem w porównaniu z dopasowanymi wiekowo uczestnikami z grupy kontrolnej. Neuroobrazowanie pediatryczne może być bardzo trudne, szczególnie w przypadku dzieci z autyzmem, jednak przy odpowiedniej praktyce i przygotowaniu techniki skanowania te można przeprowadzić z sukcesem. Podczas wykonywania badań MRI u dowolnego uczestnika, a w szczególności u dzieci, ważne jest, aby upewnić się, że doświadczenie w laboratorium było przyjemne i pozytywne.

Dane pozyskane zgodnie z tą procedurą mogą posłużyć do odpowiedzi na pytania z zakresu neuronauki. Ponadto, przy zastosowaniu odpowiednich hipotez i analiz, informacje te pozwalają poznać nie tylko budowę mózgu, ale także relację między mózgiem a zachowaniem. Należy pamiętać, że proces obrazowania MRI jest niezwykle wrażliwy na ruch.

Ponadto przed przystąpieniem do procedury należy podjąć środki ostrożności w celu usunięcia wszystkich metalowych przedmiotów z kieszeni i z ciała uczestników. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak skutecznie wykorzystać neuroobrazowanie do badania dzieci w ogóle, a także dzieci z zaburzeniami rozwojowymi, takimi jak autyzm.