Probing the Brain in Autismo Utilizzando fMRI e imaging del tensore di diffusione

Riepilogo

Tecniche di neuroimaging, come la risonanza magnetica funzionale e di imaging del tensore di diffusione sono diventati sempre più utili per caratterizzare il deficit cognitivi e neurali nell'autismo. Un esame della connettività cerebrale nell'autismo a livello di rete con gli adattamenti per la scansione dei bambini con disabilità dello sviluppo è presentato.

Abstract

Le teorie emergenti suggeriscono che il cervello non funziona come un'unità coesa nell'autismo, e questa discordanza si riflette nei sintomi comportamentali presentato dalle persone con autismo. Mentre i risultati di neuroimaging strutturale hanno fornito alcuni spunti anomalie cerebrali in autismo, la coerenza di questi risultati è discutibile. Neuroimaging funzionale, invece, è stata più fruttuosa in questo senso, perché l'autismo è un disturbo di elaborazione dinamica e permette l'esame di comunicazione tra reti corticali, che sembra essere il problema di fondo in cui si verifica nell'autismo. Connettività funzionale è definita come la correlazione temporale spazialmente separati events1 neurologici. I risultati di una serie di studi fMRI recenti hanno sostenuto l'idea che ci sia più debole coordinamento tra le diverse parti del cervello che dovrebbero lavorare insieme per realizzare complessi problemi sociali o la lingua ^2,3,4,5,6. Uno dei misteri dell'autismo è la coesistenza di deficit in diversi settori con relativamente intatte, a volte avanzata, abilità. Tale complessa manifestazione di autismo richiede un esame globale e completo della malattia a livello neurale. Un resoconto avvincente recente del funzionamento del cervello nell'autismo, la teoria underconnectivity corticale, ^2,7 fornisce un quadro per l'integrazione delle basi neurobiologiche dell'autismo. La teoria underconnectivity corticale di autismo suggerisce che ogni linguaggio, funzione sociale o psicologico che dipende l'integrazione di aree cerebrali multiple è suscettibile di rottura con l'aumentare della domanda di trattamento. Nell'autismo, il underfunctioning dei circuiti di integrazione nel cervello può causare underconnectivity diffuso. In altre parole, le persone con autismo possono interpretare le informazioni in modo frammentario, a scapito del tutto. Dal underconnectivity tra le regioni corticali del cervello, in particolare la corteccia frontale e più aree posteriori ^3,6, è stata relativamente ben definito, possiamo cominciare a capire meglio la connettività cervello come una componente critica di autismo sintomatologia.

Un passo logico successivo in questa direzione è quello di esaminare le connessioni anatomiche che possono mediare le connessioni funzionali di cui sopra. Imaging del tensore di diffusione (DTI) è una tecnica di neuroimaging relativamente nuovo che aiuta a sondare la diffusione di acqua nel cervello per dedurre l'integrità delle fibre di sostanza bianca. In questa tecnica, diffusione dell'acqua nel cervello viene esaminato in diverse direzioni utilizzando gradienti di diffusione. Mentre la connettività funzionale fornisce informazioni sulla sincronizzazione di attivazione cerebrale in diverse aree cerebrali durante un compito o durante il riposo, DTI aiuta a comprendere l'organizzazione di base assonale che possono facilitare il cross-talk tra le aree del cervello. Questo documento descrive queste tecniche come strumenti preziosi per la comprensione del cervello nell'autismo e le sfide coinvolti in questa linea di ricerca.

Protocollo

1. Tecniche speciali per la scansione Gli individui con disabilità dello sviluppo:

Mentre il neuroimaging è di per sé una tecnica complessa, utilizzando la risonanza magnetica per eseguire la scansione della popolazione pediatrica e le persone con disturbi dello sviluppo possono essere i principali problemi estremamente challenging.The sono: 1) il movimento Testa: le persone con disturbi, soprattutto bambini, potrebbero avere difficoltà a tenere ancora in lo scanner fMRI per tutta la sessione di scansione. Questo potrebbe tradursi in moto la testa che a loro volta possono influenzare la qualità dei dati, 2) I bambini con autismo hanno estrema sensibilità sensoriale e può essere disturbato da fattori, come il rumore dello scanner, essendo in spazio chiuso, la temperatura e così via; e 3 ) Ansia e ottenere regolato un nuovo ambiente può essere difficile per le persone con autismo. Un cambiamento nelle loro routine può porre dei problemi se non preparata bene. Pertanto, procedure innovative con accurati preparativi sono necessari per ottenere una buona resa, e per migliorare la qualità dei dati raccolti. Incorporiamo preziose acquisite teoria e pratica per preparare un partecipante per una risonanza magnetica, per rendere il processo di scansione sperimentare e divertente per il partecipante, e per elaborare i dati raccolti, alcuni dei quali sono:

1. Storie sociali. Sociali sono brevi racconti, storie diretto spesso usato per spiegare situazioni nuove e di confusione per i bambini con autism8. Noi usiamo storie sociali, scritta dal punto di vista della persona con autismo, per illustrare e descrivere verbalmente ogni fase del nostro processo di studio. Ad ogni elemento della storia, sia descriptionsare verbale e pittorico forniti. Dal titolo "la mia sessione di risonanza magnetica", forniamo la storia al partecipante prima della loro giornata di scansione in modo che possano acquisire familiarità con il processo di scansione. L'obiettivo della storia è di aumentare la comprensione dell'individuo della procedura, e fare lui / lei più a suo agio in una situazione nuova.
2. La registrazione di CD di Suoni scanner. Durante una sessione di scansione, lo scanner MRI produce rumori forti costantemente e questo può essere avversivi per alcuni individui con autismo. Al fine di acclimatare il participantsto il rumore dello scanner, inviamo i partecipanti (prima del giorno scansione) una registrazione dei suoni emessi dallo scanner.
3. Mock scanner MRI. Simuliamo una sessione di scansione di risonanza magnetica con il partecipante utilizzando uno scanner finto, costruito su una scartato Phillips scanner MRI. Questo fornisce una approssimazione realistica della sessione di scansione vera e propria. L'utilizzo di questo scanner finta, che si trova presso il Dipartimento di Optometria, UAB, permette al partecipante di abituarsi all'ambiente scanner.
4. Tour dello scanner MRI prima della scansione. Prima di iniziare la risonanza magnetica, il partecipante viene fornita l'opportunità di vedere lo scanner e persino ottenere sul piano dello scanner brevemente. Di solito, questo aiuta ad alleviare la paura e l'ansia, oltre a fornire ai ricercatori le informazioni comportamentali per quanto riguarda la reazione dei partecipanti allo scanner. Tali reazioni spesso forniscono preziose, anche se intuitivo e qualitativo, le informazioni dal fatto che il partecipante può probabile completare l'scan.Before tutto il partecipante entra nella scanner, lui / lei lascia tutti i suoi averi in uno spogliatoio e viene verificata anche per il metallo con un metal detector.
5. Fare dello scanner MRI a misura di bambino. Per tutte le nostre scansioni, usiamo la Siemens 3,0 Tesla Allegra scanner MRI trova al Civitan UAB Research Center. Questa è una testa di solo scanner rendendolo meno intimidatorio per i partecipanti. Al fine di rendere l'ambiente scanner come misura di bambino possibile (per la popolazione pediatrica), lo scanner può essere decorata con adesivi facilmente rimovibili di animali, personaggi dei cartoni animati, ecc Inoltre, forniamo coperte colorate ai partecipanti di tenerle caldo nello scanner. Per i bambini con autismo che spesso hanno interessi particolari (ad esempio, treni), tali interessi possono essere presi in considerazione allo scopo di decorare lo scanner.
6. L'uso di film o cartoni animati: Il anatomica e acquisizione delle immagini DTI non richiedono ai partecipanti di svolgere un compito nello scanner. Nel corso di queste scansioni, i partecipanti viene data la possibilità di vedere alcuni minuti del loro film preferito o serie di cartoni animati. Oltre a fornire una pausa dai compiti, questo contribuisce a rendere il processo di scansione più piacevole per il partecipante.

2. Uso del software Stimolo Presentazione e dispositivi di risposta per comunicare con lo scanner:

1. I compiti sperimentali sono programmati con E-Prime (Software Tools Psicologia, Pittsburgh, PA) presentazione del software stimolo. Prima della sessione di scansione, il partecipante pratiche versioni più corte delle attività su un computer portatile in modo che siano familiarità con ciò che vedranno nello scanner e quali tasti saranno tenuti da premere.
2. La tchiede vengono caricati sul sistema integrato di imaging funzionale (IFIS, Invivo Corporation, Orlando, FL), e sono sincronizzati con il paradigma di scansione. Il sistema IFIS aiuta il progetto stimoli visivi su uno schermo dietro il partecipante, mentre nello scanner, che le opinioni dei partecipanti attraverso uno specchio attaccato alla bobina testa.
3. Due monitor nella sala di controllo permettono ai ricercatori di selezionare le attività sperimentali o film presentati durante la scansione, e monitorare le risposte dei partecipanti (compreso il tempo di risposta e accuratezza delle prestazioni).
4. I partecipanti indossano MRI cuffie compatibili che consentono loro di ascoltare l'audio, ascoltare le istruzioni dei ricercatori ', oltre a ridurre il rumore invadente dello scanner. Oltre alle cuffie, auricolari sono forniti per ridurre ulteriormente il rumore dello scanner.
5. Una fibra ottica dispositivo risposta pulsante allegato ad ogni mano permette al partecipante di rispondere alle domande compito. Il sistema registra IFIS queste risposte, così come i tempi di ogni risposta in collaborazione con i tempi di scansione.
6. Una "palla spremere" emergenza è data al partecipante nel caso in cui lui / lei non vuole continuare la scansione. Premendo questa palla farà scattare un allarme nella sala di controllo che richiede ai ricercatori di ottenere al partecipante immediatamente.

3. Uso di stimoli visivi statici e dinamici per ottenere risposte del cervello a partecipanti con autismo:

Mentre un ottimo design sperimentale è fondamentale per ogni studio scientifico, colpendo un accordo con i partecipanti possono avere un impatto significativo sui dati acquisiti, soprattutto in neuroimaging. Gli stimoli devono essere al livello di comprensione del partecipante, e l'esperimento dovrebbe essere breve, preciso e divertente. Se l'attenzione adeguata non è dato a questi elementi, la qualità dei dati può essere influenzato negativamente. Particolare cura viene posta per cercare di rendere l'attività sperimentale impegnativo e divertente, creando stimoli innovativi.

1. Dinamica stimoli visivi, come i video che raffigurano l'interazione sociale sono usati per suscitare le risposte dei partecipanti sulla attribuzione dello stato mentale. Oltre ad essere breve e piacevole, questi stimoli sono fette del mondo sociale reale e fornire un'arena appropriata per studiare le risposte cerebrali associati con cognizione sociale.
2. Statico stimoli visivi, come i caratteri figura stilizzata visualizzazione diverse posizioni del corpo sono utilizzate anche per lo studio della cognizione sociale. Questi stimoli sono utili per studiare le emozioni, incoraggiando i partecipanti a dedurre sentimenti dal linguaggio del corpo.
3. Statico stimoli visivi come vignette dei fumetti che coinvolgono più personaggi che raffigurano situazioni sociali sono anche utilizzati. Questi stimoli comporta attribuzione basato sulla fisica folk e psicologia del senso comune.
4. Per studi che hanno esaminato l'elaborazione del linguaggio, si usano principalmente le attività che coinvolgono la comprensione frase, lessicale processo decisionale, e l'elaborazione discorso.
5. Sebbene la lunghezza di ogni esperimento si differenzia da un altro, cerchiamo di mantenere ogni esperimento meno di 10 minuti. Inoltre, cerchiamo anche di panino nostro DTI scansione e scansioni anatomiche tra esperimenti per dare al partecipante qualche libero / tempo di riposo. Abbiamo trovato discreto successo con questa strategia. In una sessione di scansione, cerchiamo di comprendere 2-3 compiti il ​​tempo totale speso nel magnete a circa 30-40 minuti. Vedere la Figura 1 per un diagramma di flusso che rappresenta il protocollo di studio.

4. Acquisizione dati, controllo di archiviazione, analisi, e di qualità:

Acquisizione Dati:

1. Risonanza magnetica funzionale e DTI dati sono raccolti in una singola sessione per ogni partecipante con un Siemens 3,0 Tesla Allegra limitatamente alla testa dello scanner (Siemens Medical Inc., Erlangen, Germania), ospitato nel internazionale Civitan Research Center, University of Alabama a Birmingham.
2. La sessione inizia con la scansione ad alta risoluzione T1 pesate scansioni per l'imaging strutturale. Questi sono acquisiti utilizzando un 160-fetta MPRAGE 3D (magnetizzazione Echo Preparata Gradient rapida) scansione volume con TR (tempo di ripetizione) = 200 ms, TE (tempo di eco) = 3.34 ms, angolo di capovolgere = 12 °, FOV (Field of View) = 25,6 centimetri, 256 X 256 dimensione della matrice, e 1 fetta di spessore mm. Questa acquisizione dura circa 8 minuti e i dati acquisiti forniscono informazioni anatomiche nel cervello di ogni partecipante.
3. Le scansioni anatomiche sono seguiti da scansioni funzionali. Per acquisire immagini funzionali, si usa un unico piano sequenza di impulsi gradiente-ha ricordato eco-planare con TR = 1000 ms, TE = 30 ms, angolo di capovolgere = 60 gradi, FOV = 24 cm, e la matrice = 64 x 64. Noi acquisiamo diciassette adiacente fette oblique assiali in una sequenza interleaved con 5 mm di spessore fetta, 1 fetta divario mm, 24 cm FOV, e una X 64 64 matrice, con conseguente risoluzione in piano di 3,75 X 3,75 X 5 mm.
4. A seconda della lunghezza di un esperimento di risonanza magnetica funzionale, due o tre esperimenti sono inclusi in un 60-75 minutes scansione sessione.
5. Le immagini DTI vengono acquisite utilizzando un colpo singolo, spin-echo, EPI (Echoplanar Imaging) sequenza con 46 direzioni ortogonali. Una diffusione ponderato, a colpo singolo, spin-echo, echo-planare sequenza di immagini viene utilizzato con TR = 7000 ms, TE = 90 ms, dimensioni larghezza di banda = 2790 Hz / voxel, FOV = 220 mm, e la matrice = 128x 128. Fette spesse ventisette 3-mm sono ripreso (senza gap fetta) senza diffusione ponderazione (b = 0s/mm2) e con la diffusione ponderazione (b = 1000s/mm2) gradienti applicati in 46 direzioni ortogonali.

Data Storage e analisi dei dati:

1. I dati di neuroimaging acquisiti da una sessione di risonanza magnetica vengono trasferiti ad una rete di computer di passare muro protetto presso l'Ospedale Universitario in linea con l'Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA).
2. I dati MRI e DTI da questo server vengono trasferiti al computer server centrale del laboratorio (neurone), e anonimi prima che sia reso disponibile per l'analisi dei dati. Il server neurone ospita tutti i programmi di analisi d'immagine, così come l'in-house script generati per fare i calcoli specifici per i nostri esperimenti.
3. Il cluster di computer impiega 3 nodi, ciascuno con un processore quad-core, consentendo l'elaborazione più veloce e in parallelo di più set di dati. Inoltre, poiché i dati provenienti da studi differenti risiedere in un luogo comune, rende più facile organizzare i dati per la meta-analisi e di fare inferenze generale.
4. I dati fMRI sono pre-e post-elaborazione, e statisticamente analizzati utilizzando SPM8 (Statistical Parametric Mapping; Wellcome Department of Cognitive Neurology, Londra, UK). Inoltre, altri programmi software, come ad esempio l'analisi di neuroimmagini funzionali (AFNI), fMRIB Software Library (FSL), e MRICron sono utilizzati anche per altre analisi.
5. Le immagini DTI sono pre-e post-elaborazione, e statisticamente analizzati utilizzando FSL.

Controllo Qualità:

1. Regolazione temporale e spaziale sono fatto per i dati fMRI con passi di pre-elaborazione, come la correzione fetta tempi, il movimento di correzione, il riallineamento, la normalizzazione spaziale, e levigante spaziale.
2. Rapporto segnale rumore (SNR) è calcolato sulla base del rapporto tra l'attività correlate variabilità e la non-task variabilità correlati. Rumore (non-task variabilità correlate) possono includere qualsiasi cosa, da rumore termico di testa effetti di movimento. Sia il calcolo del SNR di ottenere un rapporto relativamente più elevato (> 0,8) e controllando per i manufatti, si può fare in modo che le immagini soddisfare rigorosi standard di qualità.
3. Segnale temporale di rumore (tSNR) è l'SNR durante l'intero corso della sperimentazione ed è matematicamente definita dal rapporto tra intensità del segnale significa per la variazione del segnale nel tempo. La media e deviazione standard sono prese in ogni voxel e se il rapporto all'interno del cervello è a una soglia accettabile, le immagini possono essere utilizzati per ulteriori analisi.
4. E 'sempre una buona idea per esaminare i dati per manufatti in ogni fase di pre-elaborazione e analisi. Per esempio, esaminando le immagini prima per Radio Frequenza (RF) o artefatti valutare artefatti da movimento nei dati pre-elaborato. Una misura preventiva per il controllo di artefatti sia per lo screening per i soggetti in metallo o intorno alla testa, come parentesi o un fermo permanente, per limitare la quantità di perdita di segnale fuori.
5. Se un dataset è troppo rumore, anche dopo procedure di correzione del movimento, e non soddisfa i nostri standard di qualità dei dati, set di dati che di solito esclusi da ulteriori analisi.

5. Esaminando il cervello nell'autismo ad un livello di rete: fMRI basato Indagine di connettività funzionale e DTI-based Esame di connettività anatomica:

Connettività funzionale:

Connettività funzionale si riferisce alla sincronizzazione di attivazione cerebrale nelle varie regioni del cervello. La correlazione tra l'andamento nel tempo di attivazione in tutte le aree del cervello è preso come prova della comunicazione o la connettività tra le regioni. I passi necessari per questa analisi sono i seguenti:

1. Regioni di interesse (ROI) sono identificate, sia funzionalmente (in base alla risposta di attivazione per le attività) o anatomicamente (basato sugli atlanti cerebrali standardizzati). Queste ROI sono definiti sia sferica con un raggio che comprende l'attivazione O sono definiti nella loro forma originale.
2. Il raggio specificato o forma attuale, con le coordinate MNI, è incorporato per creare un file di ROI per tutti ROI utilizzando un in-house presenza script.The di sovrapposizione tra le sedi di queste ROI è indagato e corretto.
3. Per ogni ROI, il segnale viene estratto dal corso del tempo l'esperimento di dati di ogni singolo partecipante è.
4. Per ogni partecipante, la media andamento temporale del segnale per ogni ROI è correlata con tutte le altre ROI risultante in una matrice di correlazione. La correlazionevalori vengono poi convertiti in punteggi z di Fisher 'per ulteriori analisi statistiche per rendere individuale, di gruppo, e tra inferenze livello di gruppo.

Connettività anatomica (DTI):

Al fine di esaminare l'integrità della sostanza bianca in tutto il cervello, le immagini del tensore di diffusione vengono analizzati utilizzando fMRIB Software Library (FSL) ^9. Di seguito sono elencate le fasi principali coinvolti:

1. Il primo passo in questa analisi si pre-elaborazione, tra cui cranio nudo e correzione correnti parassite. Cranio stripping viene fatto usando Strumento di estrazione del cervello (BET) per rimuovere eventuali non tessuto parenchimale. Quando gradienti di diffusione ad alta intensità sono in rapida commutazione, manufatti di taglio e tratto sono prodotti che sono diversi per ogni direzione del gradiente. Queste distorsioni sono corretti utilizzando la correzione correnti parassite FSL, che registra le immagini diffusione di un'immagine di riferimento, senza gradiente di diffusione applicata.
2. Tensori diffusione e anisotropia frazionaria (FA), i valori, un indice di diffusione dell'acqua lungo gli assoni, vengono poi calcolati a livello voxel utilizzando degli strumenti di diffusione di FSL.
3. Le differenze di gruppo in un voxel-by-voxel livello sono esaminati usando statistica spaziale tratto-Based (TBSS) ^10. In questa tecnica, tutte le immagini vengono prima diffusione allineati in uno spazio comune con registrazione non lineare.
4. Uno scheletro FA di tutti i tratti principali della sostanza bianca di tutti i partecipanti è stato creato. Diffusione delle immagini individuali di tutti i partecipanti sono poi registrati per questo scheletro tratto FA.
5. Aree lungo questo scheletro dalle immagini dei partecipanti con autismo sono confrontati voxel-by-voxel per le stesse aree da parte dei partecipanti controllo mediante t-test. Voxel con diversi valori di FA sono poi isolato come un ROI di grandi dimensioni ed i valori FA medio calcolato.

6. Rappresentante dei risultati:

I risultati principali che emergono dal nostro studio riguardano indebolito risposta neurale nei partecipanti affetti da autismo (in termini di attivazione, variazione di intensità del segnale, e nella connettività funzionale) e l'eventuale uso di alterato percorso corticale nello svolgere determinati compiti cognitivi e sociali. Per esempio, regioni centrali risulta essere una funzione di mediazione (per esempio solco temporale superiore posteriore a livello della giunzione temporo nel dedurre le intenzioni degli altri, vedi figura 2) sembrano sotto-rispondere in autismo, rispetto al gruppo di controllo tipici. Inoltre, la regione del nucleo sembra underconnected funzionalmente con altri nodi, soprattutto quelli spazialmente lontani (figura 3). Con DTI, troviamo anche qualche base anatomica di questi risultati (vedi figura 4), fornendo un approccio globale, a livello di rete un'immagine di organizzazione cerebrale nell'autismo.

Figura 1. Flow-chart raffiguranti i metodi e le procedure.

Figura 2: A) attivazione è aumentato in un compito linguaggio tipico, come la comprensione frase (giro frontale inferiore sinistro e posteriore sinistro solco temporale superiore), B) Aumento bilaterale posteriore superiore attivazione temporale solchi nei partecipanti neurotipici durante attribuzione di stati mentali degli altri (FWE corretta soglia di p <0,05).

Figura 3. Significativamente ridotto connettività funzionale (sincronizzazione di attivazione del cervello) fra le regioni frontali e temporali in un compito cognizione sociale nei soggetti con autismo (p <0,05). LSTG: giro temporale superiore sinistro, RSTG: giro temporale superiore destro, RIFG: a destra giro frontale inferiore, il ROI: Region of Interest, FCA: connettività funzionale.

Figura 4. DTI risultati trattografia mostra un fascio di fibre materia bianca che procede dal lobo temporale fino al bivio temporoparietale. Il punto iniziale di partenza per trattografia era un ROI identificato da TBSS come aventi un valore di FA significativamente minore nei giovani adulti con autismo rispetto alla stessa età dei partecipanti controllo tipici.

Discussione

I metodi e le procedure descritte in questo documento si fondano sui principi fondamentali delle neuroscienze cognitive e di neuroimaging. Presi insieme, questi metodi fornire un quadro convincente per la valutazione del funzionamento del cervello a livello di sistemi in bambini, adulti, e nelle persone con disturbi. Gli studi fondati questi metodi sono stati particolarmente influenti nel caratterizzare il funzionamento discordanti cervello in individui con autismo.

Sebbene le tecniche qui p...