Зондирование мозга при аутизме Использование МРТ и тензора диффузии изображений

Общая цель следующего эксперимента заключается в изучении связей между областями мозга, которые имеют важное значение для социального познания при аутизме. С помощью функциональной МРТ и диффузионно-тензорной визуализации мозга детей и взрослых с аутизмом эта цель достигается путем разработки соответствующих экспериментов фМРТ с последующим набором участников с аутизмом. Участники должны быть надлежащим образом подготовлены к процедуре для получения качественных функциональных и структурных изображений мозга.

Функциональные эксперименты проводятся с участием испытуемого в МР-сканере во время выполнения заранее определенной задачи. Полученные МР-изображения создают относительно большой объем данных для каждого эксперимента. Полученные данные нейровизуализации передаются на компьютерный сервер лаборатории, затем проходят предварительную обработку и подвергаются статистическому анализу путем создания моделей.

Помимо базового анализа активации мозга, у участников с аутизмом и в контрольной группе исследуется функциональная и анатомическая связность с помощью FMRI. Полученные результаты демонстрируют снижение активации и более слабую функциональную связность в процессе социального познания у испытуемых с аутизмом. Кроме того, анализ данных DTI указывает на аномальную целостность белого вещества при аутизме.

Данный метод позволяет ответить на важные вопросы относительно организации и функционирования мозга при расстройствах аутистического спектра и, возможно, в будущем поможет выявить неврологический маркер аутизма. Значение этого метода распространяется на терапию аутизма, поскольку выявление нарушений связей между областями мозга может привести к разработке новых методов лечения, направленных на восстановление этих связей.

Таким образом, хотя данный метод может быть использован для исследования мозга при аутизме, он также применим в других целях, например, при изучении других нарушений нейропсихического развития, а также особенностей развития типичного мозга. Поскольку детям с аутизмом сложно привыкнуть к МРТ-сканеру из-за шума, к которому они чувствительны, а также из-за ограниченного, потенциально вызывающего клаустрофобию пространства, которое является для них новой средой, визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение для подготовки ребенка с аутизмом.

Проведение фМРТ-сканирования может быть затруднительным, так как многие люди с аутизмом обычно являются визуальными мыслителями. Эту процедуру продемонстрируют аспиранты из моей лаборатории: Донна Мурдо, Лорен Либро, Марк Пенник и Хизер Уодсворт. Перед включением в исследование потенциальные участники, а в случае с детьми — их семьи, должны быть предварительно проинформированы об исследовании по телефону.

Это также должно включать скрининг для подтверждения того, что участник соответствует критериям включения в исследование. При соответствии критериям потенциального участника следует пригласить на МРТ-сканирование на день и время, подходящие как для участника, так и для исследователей и центра визуализации. Отправьте субъекту копию социальной истории о процедуре МРТ-сканирования и запись шума сканера на CD-диске.

В случае с детьми эти материалы следует обсудить с родителями, чтобы они лучше понимали процедуры исследования до дня сканирования и чтобы испытуемый чувствовал себя более комфортно в условиях МРТ. Когда участник и его семья прибудут в центр визуализации, поприветствуйте их и ответьте на любые вопросы, которые могут возникнуть по поводу исследования и хода эксперимента. Затем ознакомьте их с документами IRB перед получением информированного согласия.

Затем отведите участника в тихое помещение для проведения нейропсихологического тестирования, включая определение уровня IQ, языковых способностей и ведущей руки. После этого предложите участнику выполнить сокращенные версии парадигм исследования на ноутбуке, чтобы он ознакомился с ходом экспериментов. По завершении всего тестирования и тренировок отведите участника к макету МРТ-сканера и проведите симуляцию процедуры МРТ-сканирования.

Еще одним подготовительным этапом является украшение МРТ-сканера в центре визуализации легкоудаляемыми наклейками и изображениями животных и мультяшных персонажей, чтобы сделать среду сканирования более дружелюбной для ребенка. Когда участник вернется в центр визуализации, предоставьте ему короткий перерыв, после чего попросите его заполнить анкету по безопасности МРТ. Перед входом в процедурный кабинет поместите все личные вещи в шкафчик, а затем проведите проверку тела на наличие металлических предметов.

После завершения скрининга сопроводите участника в процедурный кабинет, попросите его сесть на стол сканера, предоставьте беруши и наушники, после чего попросите испытуемого лечь на стол сканера. Затем технолог МРТ должен поместить многоканальную катушку для головы на голову участника и отрегулировать закрепленное зеркало так, чтобы были видны изображения, отображаемые на экране компьютера. Далее накройте участника одеялом и предоставьте кнопки отклика для левой и правой руки, которые будут использоваться во время выполнения заданий фМРТ.

Также поместите сигнальную грушу в зону досягаемости, чтобы испытуемый мог подать сигнал, если захочет покинуть сканер. Наконец, технолог МРТ задвинет стол в апертуру сканера и убедится, что испытуемому удобно, прежде чем приступить к сканированию. Технолог начинает сеанс сканирования с получения локализационных снимков, чтобы убедиться в правильном расположении головы участника.

Затем выполняется структурное сканирование с высоким разрешением, которое будет использоваться для совмещения (ко-регистрации) и нормализации. В ходе последующего анализа, чтобы поддерживать внимание испытуемого, исследователь может демонстрировать участнику видеоклип во время этого сканирования. Далее установите параметры визуализации, соответствующие используемому сканеру и импульсной последовательности.

Исследователю следует помочь технологу при определении срезов для функциональной визуализации. В данном случае в косой аксиальной плоскости назначаются 17 срезов толщиной 5 мм для обеспечения максимального охвата всего головного мозга. Теперь сообщите испытуемому через микрофон о начале эксперимента и дайте инструкции по выполнению предстоящего задания.

Также откройте на компьютере экспериментальную задачу, которая должна быть синхронизирована для запуска триггером от сканера. Когда участник будет готов приступить к выполнению экспериментальных задач, он или она должны нажать кнопку для начала эксперимента и сканирования; здесь представлены статические и динамические визуальные стимулы, а также слуховые стимулы, запрограммированные с помощью программного обеспечения ePrime. Обязательно контролируйте ответы участника по мере их записи и отображения на экране компьютера.

После первого эксперимента поговорите с участником, предоставьте обратную связь по выполнению задания и движению головы, а также подготовьте его к следующему этапу исследования. Когда все эксперименты фМРТ будут завершены, исследователь должен дать указание испытуемому просто лежать неподвижно около 12 минут во время проведения DTI-сканирования; для развлечения в это время можно снова показать фрагмент фильма. По окончании всего сканирования помогите участнику выйти из сканера и позвольте ему забрать вещи из шкафчика.

Затем сопроводите его или ее в тихое помещение для короткого сеанса дебрифинга. Во время дебрифинга расспросите участника о его самочувствии и поведении во время сканирования, получите отзыв об уровне сложности заданий, а также уточните, возникли ли какие-либо проблемы или опасения. Кроме того, обязательно поблагодарите испытуемого за участие в исследовании.

Тем временем специалист по МРТ должен загрузить все полученные данные МРТ и ДТИ в компьютерную сеть, защищенную в соответствии со стандартами HIPAA. Затем исследователь может войти в эту сеть с помощью пароля, чтобы получить доступ к данным и перенести их на исследовательский сервер. Перед началом анализа полученные данные должны быть анонимизированы путем удаления из заголовка изображений любой идентифицирующей информации, такой как имя и дата рождения.

Затем преобразуйте данные в формат изображений NIfTI для начала функциональной обработки. Как предварительную, так и последующую обработку данных можно выполнить с помощью такого программного обеспечения, как Statistical Parametric Mapping или SPM8. Функциональную связность для конкретной задачи следует измерять, сначала выделив области интереса (ROI) и извлекши временной ход сигнала фМРТ из каждой ROI для каждого участника.

Затем проведите корреляцию сигналов между одним ROI и другим. Анатомическую связность также можно изучить с помощью полученных данных DTI и программного обеспечения FSL. Предварительный анализ с использованием такого ПО позволяет исследовать диффузию воды в головном мозге и использовать ее в качестве индекса целостности белого вещества.

Дальнейший анализ может включать трактографию белого вещества, в ходе которой определяются данные об ориентации и структуре трактов. Здесь представлены репрезентативные функциональные карты с повышенной активацией, характерной для типичных языковых задач, таких как понимание предложений. Активация наблюдается в левой нижней лобной извилине и левой задней части верхней височной борозды; у нейротипичных участников при приписывании психических состояний может наблюдаться повышенная билатеральная активация задних отделов верхней височной борозды.

Для остальных карт применена поправка на семейную ошибку (FWE) с пороговым значением P менее 0,05. Здесь представлены данные задачи на социальное познание у участников с аутизмом, которые демонстрируют значительное снижение функциональной связности, что указывает на нарушение синхронизации активации мозга между фронтальными и темпоральными областями. Наконец, на этом рисунке показаны результаты DTI-трактографии, демонстрирующие пучок волокон белого вещества, идущий от височной доли к височно-теменному узлу.

Исходной точкой для трактографии служила область интереса (ROI), которая была определена с помощью пространственной статистики на основе тректрографии как имеющая значительно более низкое значение FA у молодых взрослых с аутизмом по сравнению с типичными участниками контрольной группы соответствующего возраста. Педиатрическая нейровизуализация может быть очень сложной, особенно при работе с детьми с аутизмом, но при достаточной практике и подготовке эти методы сканирования могут быть успешно реализованы. При проведении МРТ-сканирования любого участника, и особенно детей, важно обеспечить, чтобы пребывание в лаборатории оставило приятные и положительные впечатления.

Данные, полученные с помощью этой процедуры, могут быть использованы для решения вопросов в области нейронаук. Кроме того, при наличии соответствующих гипотез и проведении анализа эту информацию можно использовать для изучения не только мозга, но и взаимосвязи между мозгом и поведением. Не забывайте, что процесс МРТ-сканирования чрезвычайно чувствителен к движениям.

Кроме того, перед началом процедуры следует принять меры, чтобы участники извлекли все металлические предметы из карманов и сняли их с тела. После просмотра этого видео у вас должно появиться четкое понимание того, как успешно использовать методы нейровизуализации для исследования детей в целом и детей с нарушениями развития, такими как аутизм.