Sondas en el cerebro en el autismo y el uso de resonancia magnética funcional de imágenes por tensor de difusión

Resumen

Las técnicas de neuroimagen, como la resonancia magnética funcional y de imagen con tensor de difusión se han convertido en cada vez más útil en la caracterización de los déficits cognitivos y neurales en el autismo. Un examen de la conectividad cerebral en el autismo a nivel de red, junto con las adaptaciones para la digitalización de los niños con discapacidades del desarrollo se presenta.

Resumen

Las teorías emergentes sugieren que el cerebro no funciona como una unidad cohesiva en el autismo, y esta discordancia se refleja en los síntomas del comportamiento mostrado por las personas con autismo. Mientras que los resultados estructurales de neuroimagen han proporcionado algunos datos sobre anomalías en el cerebro en el autismo, la consistencia de estos hallazgos es cuestionable. Neuroimagen funcional, en cambio, ha sido más fructífera en este sentido porque el autismo es un trastorno de procesamiento de dinámica y permite el examen de la comunicación entre redes corticales, que parece ser que el problema fundamental se produce en el autismo. Conectividad funcional se define como la correlación temporal de events1 neurológicos separados espacialmente. Los resultados de varios estudios de fMRI recientes han apoyado la idea de que es más débil la coordinación entre las diferentes partes del cerebro que deberían trabajar juntos para llevar a cabo los complejos problemas sociales o lenguaje ^2,3,4,5,6. Uno de los misterios del autismo es la coexistencia de déficit en varios ámbitos, junto con relativamente intactos, a veces mayor, las capacidades. Esa manifestación compleja de autismo ha solicitado un examen global y completo de la enfermedad a nivel neural. Un relato convincente reciente del funcionamiento del cerebro en el autismo, la teoría underconnectivity cortical, ^2,7 proporciona un marco integrador de las bases neurobiológicas del autismo. La teoría underconnectivity cortical del autismo sugiere que todos los idiomas, la función social o psicológica que depende de la integración de múltiples regiones del cerebro es sensible a las perturbaciones a medida que aumenta la demanda de procesamiento. En el autismo, el bajo funcionamiento de los circuitos de integración en el cerebro puede causar underconnectivity generalizada. En otras palabras, las personas con autismo puede interpretar la información de una manera gradual, a expensas del conjunto. Desde underconnectivity cortical entre las regiones del cerebro, especialmente la corteza frontal y más áreas posteriores ^3,6, ahora ha sido relativamente bien establecido, podemos empezar a entender mejor la conectividad cerebral como un componente crítico del autismo sintomatología.

Un siguiente paso lógico en este sentido es el de examinar las conexiones anatómicas que pueden mediar en las conexiones funcionales mencionados anteriormente. Difusión Tensor Imaging (DTI) es una técnica de neuroimagen relativamente nueva que ayuda a investigar la difusión de agua en el cerebro para inferir la integridad de las fibras de materia blanca. En esta técnica, la difusión del agua en el cerebro se examinó en varias direcciones, el uso de gradientes de difusión. Mientras que la conectividad funcional proporciona información sobre la sincronización de la activación del cerebro a través de diferentes áreas del cerebro durante una tarea o durante el descanso, DTI ayuda a entender la organización subyacente axonal que puede facilitar la comunicación cruzada entre las áreas del cerebro. En este artículo se describen estas técnicas como una herramienta valiosa en la comprensión del cerebro en el autismo y los desafíos involucrados en esta línea de investigación.

Protocolo

1. Técnicas especiales para la exploración de Individuos con Discapacidades del Desarrollo:

Mientras que la neuroimagen en sí es una técnica compleja, por la resonancia magnética para escanear la población infantil y las personas con trastornos del desarrollo pueden ser los principales problemas muy challenging.The son: 1) el movimiento de la cabeza: las personas con trastornos, especialmente los niños, pueden tener dificultades para mantener aún en el escáner de fMRI a través de una sesión de exploración. Esto podría resultar en movimiento de la cabeza que a su vez puede afectar la calidad de los datos, 2) Los niños con autismo tienen extrema sensibilidad sensorial y puede ser molestado por factores tales como el ruido del escáner, estar en el espacio cerrado, temperatura, etc, y 3 ) La ansiedad y la va adaptando a un nuevo ambiente puede ser difícil para las personas con autismo. Un cambio en su rutina pueden causar problemas si no se preparan bien. Por lo tanto, los procedimientos innovadores, con una cuidadosa preparación son necesarios para lograr un buen rendimiento, y para mejorar la calidad de los datos recogidos. Incorporamos valiosos conocimientos obtenidos de la teoría y la práctica para preparar a un participante de una resonancia magnética, para hacer el experimento y el proceso de digitalización agradable para los participantes y para procesar los datos recogidos, algunos de los cuales son:

1. Las historias sociales. Las historias sociales son cortas, relatos directos de uso frecuente para explicar situaciones nuevas y confusas para los niños con autism8. Usamos las historias sociales, escrito desde la perspectiva de la persona con autismo, para ilustrar y describir verbalmente cada paso de nuestro proceso de estudio. En cada elemento de la historia, tanto descriptionsare verbal y pictórica proporcionada. Bajo el título "de mi sesión de resonancia magnética", que proporcionan la historia de los participantes antes de su día de exploración para que puedan familiarizarse con el proceso de digitalización. El objetivo de la historia es para aumentar la comprensión de la persona del procedimiento, y para que él / ella sea mucho más cómoda en una situación nueva.
2. Grabación de CD de los sonidos del escáner. Durante una sesión de exploración, el escáner de resonancia magnética produce ruidos constantemente y esto puede ser desagradable para algunas personas con autismo. Con el fin de aclimatar el participantsto el ruido del escáner, que enviará a los participantes (antes del día de exploración) una grabación de los sonidos emitidos por el escáner.
3. Escáner MRI se burlan. Simulamos una sesión de resonancia magnética con el participante con un escáner simulado, construido a partir de un escáner descarta Phillips MRI. Esto proporciona una aproximación realista de la sesión de exploración actual. El uso de este escáner simulado, ubicado en el Departamento de Optometría de la UAB, permite al participante para que se acostumbren al ambiente del escáner.
4. Recorrido por el escáner de resonancia magnética antes de la digitalización. Antes de comenzar la resonancia magnética, el participante cuenta con la oportunidad de ver el escáner e incluso llegar a la superficie del escáner brevemente. Por lo general, esto ayuda a aliviar el miedo y la ansiedad, así como proporcionar a los investigadores información sobre el comportamiento con respecto a la reacción de los participantes para el escáner. Estas reacciones suelen proporcionar valiosa, aunque intuitiva y cualitativa, la información de si el participante es probable puede completar el scan.Before todo el participante entra en el escáner, él / ella deja todas sus pertenencias en un vestuario y también se comprueba por el metal con un detector de metales.
5. Haciendo que el escáner de resonancia magnética a los niños. Para todos nuestros análisis, se utiliza el 3.0 Tesla Siemens Allegra escáner de resonancia magnética situada en la UAB Civitan Centro Internacional de Investigación. Este es un escáner de la cabeza-sólo por lo que es menos intimidante para los participantes. Con el fin de hacer que el entorno escáner como favorable a los niños como sea posible (para la población pediátrica), el escáner puede ser decorado con pegatinas fácilmente extraíble de animales, personajes de dibujos animados, etc Además, proporcionamos mantas de colores a los participantes para evitar que caliente en el escáner. Para los niños con autismo que a menudo tienen intereses especiales (por ejemplo, los trenes), estos intereses pueden ser tenidos en cuenta al decorar el escáner.
6. El uso de películas o dibujos animados: La anatomía y la adquisición de DTI imagen no requiere que el participante para realizar una tarea en el escáner. Durante estas exploraciones, los participantes tienen la opción de ver unos minutos de su película favorita o una serie de dibujos animados. Además de proporcionar un bienvenido descanso de las tareas, esto ayuda a hacer el proceso de exploración más agradable para el participante.

2. El uso de software y dispositivos de presentación de estímulo botón de respuesta para comunicarse con el escáner:

1. Las tareas experimentales se programan con E-Prime (Herramientas de Software Psicología, Pittsburgh, PA) de software de estímulo presentación. Antes de la sesión de exploración, el participante practica versiones más cortas de las tareas en una computadora portátil de manera que estén familiarizados con lo que se ve en el escáner y los botones que se les requerirá a la prensa.
2. El tpide se cargan en el sistema de imágenes integrado funcional (IFIS, Invivo Corporation, Orlando, FL), y se sincronizan con el paradigma de la exploración. El sistema ayuda a IFIS proyecto de los estímulos visuales en una pantalla detrás de la participante, mientras que en el escáner, que las opiniones de los participantes a través de un espejo unido a la bobina de la cabeza.
3. Dos monitores en la sala de control permitirá a los investigadores para seleccionar las tareas experimentales o películas presentadas durante el análisis, seguimiento y respuestas de los participantes (incluido el tiempo de respuesta y precisión en la performance).
4. Los participantes llevan auriculares compatibles resonancia magnética que les permite escuchar el audio, escuchar las instrucciones de los investigadores, así como reducir el ruido molesto del escáner. Además de los auriculares, tapones para los oídos se proporcionan para reducir aún más el ruido de la máquina.
5. Una fibra óptica dispositivo de respuesta botón adjunto a cada lado permite al participante para responder a las preguntas de tareas. El sistema de registros IFIS estas respuestas, así como el tiempo de cada respuesta en relación con el tiempo de exploración.
6. Una situación de emergencia "bola de compresión" se le da al participante en caso de que él / ella no quiere continuar el recorrido. Al pulsar esta bola se hacen sonar una alarma en la sala de control provocó que los investigadores para llegar a la participante de inmediato.

3. El uso de estímulos visuales estáticos y dinámicos para obtener respuestas del cerebro en los participantes con autismo:

Mientras que un diseño experimental excelente es fundamental para cualquier estudio científico, logrando un acorde con los participantes pueden tener un impacto significativo en los datos adquiridos, especialmente en la neuroimagen. Los estímulos deben estar en el nivel de comprensión del participante, y el experimento debe ser corto, preciso y agradable. Si la atención adecuada, no se le da a estos elementos, la calidad de los datos puede verse afectada negativamente. Se presta especial atención a tratar de hacer las tareas experimentales desafiante y divertida mediante la creación de estímulos innovadores.

1. Dinámica estímulos visuales, tales como videos que muestran la interacción social se utilizan para obtener respuestas de los participantes en la atribución de estados mentales. Además de ser corto y agradable, estos estímulos son rebanadas del mundo social real y proporcionar un espacio adecuado para investigar las respuestas del cerebro asociadas con la cognición social.
2. Estática estímulos visuales, como los caracteres de palo cifra mostrar diferentes posturas del cuerpo también se utilizan para estudiar la cognición social. Estos estímulos son útiles en el estudio de las emociones mediante el fomento de los participantes para deducir los sentimientos de su lenguaje corporal.
3. Estática estímulos visuales como viñetas de cómic que involucran a varios personajes que representan situaciones sociales también se utilizan. Estos estímulos incluyen atribuciones sobre la base de la física tradicional y la psicología popular.
4. Para los estudios que analizan el procesamiento del lenguaje, utilizamos principalmente tareas que implican comprensión de frases, léxico toma de decisiones y el procesamiento del discurso.
5. Aunque la duración de cada experimento es diferente de otra, tratamos de mantener todos los experimentos menos de 10 minutos. Además, también tratamos de sándwich de nuestra DTI exploración y las exploraciones anatómicas entre experimentos para dar a los participantes algo de tiempo libre / en reposo. Hemos encontrado un éxito razonable con esta estrategia. En una sesión de análisis, tratamos de incluir 2-3 tareas tomando el tiempo total empleado en el imán de unos 30-40 minutos. En la figura 1 un diagrama de flujo que representa el protocolo de estudio.

4. Adquisición de Datos, Control de almacenamiento, análisis y Calidad:

Adquisición de Datos:

1. La resonancia magnética funcional y de datos DTI se recogen en una sola sesión por participante con un 3,0 Tesla Siemens Allegra sólo la cabeza-Scanner (Siemens Medical Inc., Erlangen, Alemania), ubicado en la Civitan Centro Internacional de Investigación de la Universidad de Alabama en Birmingham.
2. La sesión comienza con la exploración de alta resolución T1 analiza en busca de imágenes estructurales. Estos se adquieren mediante un trozo de 160 MPRAGE 3D (magnetización preparado eco de gradiente rápido) de exploración de volumen con TR (tiempo de repetición) = 200 ms, TE (Tiempo del eco) = 3,34 ms, ángulo de inclinación = 12 grados, FOV (campo visual) = 25,6 cm, 256 x 256 tamaño de la matriz, y 1 mm de espesor tajada. Esta adquisición tiene una duración aproximada de 8 minutos y los datos obtenidos proporcionan información anatómica sobre el cerebro de cada participante.
3. Las exploraciones anatómicas son seguidos por las exploraciones funcionales. Para obtener imágenes funcionales, se utiliza una secuencia de pulsos de un solo tiro de gradiente recordó eco-planar con TR = 1000 ms, TE = 30 ms, ángulo de inclinación = 60 grados, FOV = 24 cm, y la matriz = 64 x 64. Adquirimos diecisiete adyacentes cortes oblicuos axial en una secuencia intercalada con 5 mm grosor de corte, una brecha de corte mm, un campo de visión de 24 cm, y una matriz de 64 X 64, lo que resulta en una resolución en el plano de 3,75 x 3,75 x 5 mm.
4. Dependiendo de la duración de un experimento de resonancia magnética funcional, dos o tres experimentos se incluyen en un 60-75 minnutos de exploración sesión.
5. Las imágenes se adquieren DTI con un solo tiro, spin-echo, el EPI (Echoplanar Imaging) de secuencia con 46 direcciones ortogonales. Una difusión ponderada, de un solo tiro, spin-eco, eco-planar secuencia de imágenes se utiliza con TR = 7000 ms, TE = 90 ms, ancho de banda = 2790 Hz tamaño / voxel, FOV = 220 mm, y la matriz = 128x 128. Rodajas gruesas veintisiete de 3 mm son imágenes (sin espacio rebanada), sin la difusión de ponderación A (b = 0s/mm2) y con la difusión de ponderación A (b = 1000s/mm2) gradientes aplicados en 46 direcciones ortogonales.

Almacenamiento de datos y análisis de datos:

1. Los datos de neuroimagen adquirido de una sesión de MRI se transfieren a una red de pared pasar computadora protegida en el Hospital Universitario de acuerdo con la Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA).
2. La resonancia magnética y la DTI datos de este servidor se transfieren al servidor del laboratorio informático centralizado (neuronas), y anónimos antes de ponerlos a disposición de los análisis de datos. El servidor de la neurona contiene todos los programas de análisis de imagen, así como los scripts generados en la casa para hacer los cálculos específicos de nuestros experimentos.
3. El cluster de ordenadores emplea tres nodos, cada uno con un procesador quad-core, lo que permite un procesamiento más rápido y en paralelo de varios conjuntos de datos. Además, dado que los datos de diferentes estudios residir en un lugar común, que hace que sea más fácil de organizar los datos para el metanálisis y para hacer inferencias generales.
4. Los datos de la fMRI se pre-y post-procesado, y estadísticamente analizados usando SPM8 (Statistical Parametric Mapping, Bienvenido Departamento de Neurología Cognitiva, Londres, Reino Unido). Además, otros programas de software, tales como el análisis de neuroimágenes funcionales (AFNI), fMRIB Software Library (FSL), y MRICron se utilizan también para otros análisis.
5. Las imágenes de DTI se pre-y post-procesado, y estadísticamente analizados usando FSL.

Control de calidad:

1. Ajustes temporales y espaciales se realizan a los datos de la fMRI con pasos de preprocesamiento, como la corrección de parte de tiempo, la corrección de movimiento, la realineación, normalización espacial y suavizado espacial.
2. Relación señal a ruido (SNR) se calcula tomando la relación entre la variabilidad relacionada con las tareas y la variabilidad no relacionados con la tarea. Ruido (no de tareas relacionadas con la variabilidad) puede incluir cualquier cosa de ruido térmico a la cabeza de efectos de movimiento. Por tanto el cálculo de la SNR para obtener una proporción relativamente alta (> 0,8) y mediante el control de los artefactos, podemos estar seguros de que las imágenes cumplen con los estándares de calidad estrictos.
3. Señal a ruido temporal (TSNR) es la relación señal ruido sobre todo el curso del experimento y se define matemáticamente por la relación de la intensidad de la señal significa que la variación de la señal a través del tiempo. La media y desviación estándar se toman en cada voxel y si la relación existente en el cerebro está en un umbral aceptable, las imágenes se pueden utilizar para otros análisis.
4. Siempre es una buena idea para examinar los datos de los artefactos en cada paso de preprocesamiento y análisis. Por ejemplo, el examen de las imágenes en bruto de energía de radiofrecuencia (RF) artefactos o la evaluación de los artefactos de movimiento en los datos de preprocesado. Una de las medidas preventivas para el control de los artefactos está a la pantalla temas de metal dentro o alrededor de la cabeza, como los frenos o un retenedor permanente, para limitar la cantidad de caída de señal de salida.
5. Si un conjunto de datos tiene mucho ruido, incluso después de los procedimientos de corrección de movimiento, y no cumple con nuestros estándares de calidad de datos, ese conjunto de datos es generalmente excluidos de los análisis.

5. Examinar el cerebro en el autismo a nivel de red: fMRI basado en la investigación de la conectividad funcional y DTI basada en el examen de la conectividad anatómica:

Conectividad funcional:

Conectividad funcional se refiere a la sincronización de la activación cerebral en las distintas regiones en el cerebro. La correlación de la evolución en el tiempo de activación a través de las áreas del cerebro se toma como evidencia de la comunicación o la conectividad entre las regiones. Los pasos a seguir en este análisis son los siguientes:

1. Las regiones de interés (ROI) se identifican, ya sea funcional (basado en la respuesta de activación para las tareas) o anatómico (basado en el atlas del cerebro estandarizado). Estas regiones de interés se definen ya sea esférica con un radio que abarca la activación o que están definidos en su forma original.
2. La radio especificado o forma real, junto con las coordenadas MNI, se incorpora la creación de un archivo de retorno de la inversión para todos los ROIs con una presencia en la casa script.The de superposición entre las localidades de estas regiones de interés es investigar y corregir.
3. Para cada retorno de la inversión, la señal se extrae de la evolución en el tiempo del experimento de los datos de cada participante individual.
4. Para cada participante, el curso de la señal promedio de tiempo para cada ROI se correlaciona con todas las regiones de interés de otra índole resultantes de una matriz de correlación. La correlaciónLos valores se convierten a puntuaciones z de Fisher "para más análisis estadísticos para hacer individual, de grupo, y entre las inferencias a nivel de grupo.

Conectividad anatómica (DTI):

Con el fin de examinar la integridad de la materia blanca en el cerebro, las imágenes de tensor de difusión son analizados mediante el programa de Biblioteca fMRIB (FSL) ^9. A continuación se muestran los pasos principales:

1. El primer paso en este análisis consiste en pre-procesamiento, incluida la extracción del cráneo y la corrección de corrientes parásitas. Cráneo stripping se realiza mediante la herramienta de extracción del cerebro (BET) para retirar cualquier tejido no parenquimatosas. Cuando los altos gradientes de difusión son la intensidad de conmutación rápida, artefactos de corte y estiramiento se producen, que son diferentes para cada dirección del gradiente. Estas distorsiones se corrigen mediante la corrección de corrientes parásitas FSL, que registra las imágenes de la difusión de una imagen de referencia sin gradiente de difusión aplicada.
2. Tensores de difusión y fraccionario valores de anisotropía (FA), un índice de difusión del agua a lo largo de los axones, se calculan a nivel de voxel mediante el uso de herramientas de difusión de FSL.
3. Diferencias de grupo en un nivel voxel por voxel se examinan con la base del Tracto-Estadística Espacial (TBSS) ^10. En esta técnica, todas las imágenes de difusión son los primeros alineados en un espacio común con el registro no lineal.
4. Un esqueleto FA de todos los tractos de sustancia blanca importantes de todos los participantes se ha creado. La difusión de imágenes individuales de todos los participantes son luego registrados en este esqueleto del tracto FA.
5. Áreas a lo largo de este esqueleto de las imágenes de los participantes con autismo en comparación voxel por voxel en las mismas zonas de los participantes de control mediante pruebas t-. Voxels con diferentes valores de FA se aíslan como un retorno de la inversión grande y los valores de FA media calculada.

6. Los resultados representativos:

Los resultados primarios que salen de nuestros estudios se refieren a la respuesta neural debilitado en los participantes con autismo (en términos de activación, el cambio en la intensidad de la señal, y en la conectividad funcional) y la posible utilización de la vía cortical alterado en el cumplimiento de las tareas cognitivas y sociales. Por ejemplo, las regiones centrales encontró que la mediación de una función (por ejemplo posterior del surco temporal superior en la unión temporoparietal para inferir las intenciones de los demás, ver Figura 2) parecen menores de responder en el autismo, en comparación con los participantes de control típicas. Además, la región central parece desunidas funcionalmente con otros nodos, especialmente los más espacialmente distantes (figura 3). Con DPT, también encontramos una base anatómica de estos resultados (ver Figura 4), proporcionando una completa red de nivel de imagen de la organización del cerebro en el autismo.

Figura 1. Diagrama de flujo que representa los métodos y procedimientos.

Figura 2: A la activación) aumentó en una tarea típica del lenguaje, tales como comprensión de oraciones (giro frontal inferior izquierdo, posterior izquierdo y el surco temporal superior), B) Mayor bilateral posterior activación del surco temporal superior en los participantes neurotípica en la atribución de estados mentales a otros (FWE corregido umbral de p <0,05).

Figura 3. Se ha reducido significativamente la conectividad funcional (sincronización de la activación cerebral) entre las regiones frontal y temporal en una tarea de la cognición social en los participantes con autismo (p <0,05). LSTG: circunvolución temporal superior izquierda, RSTG: derecho de la circunvolución temporal superior, RIFG: circunvolución frontal inferior derecho, retorno de la inversión: la región de interés, la FCA: la conectividad funcional.

Figura 4. DTI resultados tractografía mostrando un paquete importa fibra blanca procedente del lóbulo temporal a la unión temporoparietal. El punto de partida inicial para tractografía fue un retorno de la inversión identificados por TBSS con un valor FA significativamente menor en los adultos jóvenes con autismo, en comparación con emparejados por edad a los participantes de control típicas.

Discusión

Los métodos y procedimientos descritos en este documento se basan en los principios básicos de la neurociencia cognitiva y de neuroimagen. En conjunto, estos métodos proporcionan un marco de peso para evaluar el funcionamiento del cerebro a nivel de sistemas en los niños, adultos y en personas con trastornos. Estudios basados ​​en estos métodos han sido especialmente influyentes en la caracterización del funcionamiento del cerebro discordantes en las personas con autismo.

Aunque la...