Sondando o cérebro no autismo utilizando fMRI e Difusão Tensor Imagem

Resumo

Técnicas de neuroimagem, como a ressonância magnética funcional e Tensor de Difusão de imagens tornaram-se cada vez mais útil na caracterização dos déficits cognitivos e neural no autismo. Um exame de conectividade do cérebro no autismo a um nível de rede, juntamente com adaptações para a digitalização de crianças com deficiências de desenvolvimento é apresentado.

Resumo

Teorias emergentes sugerem que o cérebro não funciona como uma unidade coesa no autismo, e esta discordância é refletida nos sintomas comportamentais apresentados pelos indivíduos com autismo. Enquanto achados de neuroimagem estrutural têm fornecido alguns insights sobre anormalidades cerebrais no autismo, a consistência de tais descobertas é questionável. Neuroimagem funcional, por outro lado, tem sido mais útil a esse respeito, porque o autismo é um distúrbio de processamento dinâmico e permite o exame de comunicação entre redes corticais, o que parece ser o lugar onde ocorre o problema subjacente no autismo. Conectividade funcional é definido como a correlação temporal dos espacialmente separados eventos1 neurológicos. Resultados de uma série de estudos fMRI recentes têm apoiado a idéia de que é mais fraca coordenação entre as diferentes partes do cérebro que deveria estar trabalhando em conjunto para realizar complexos problemas sociais ou linguagem ^2,3,4,5,6. Um dos mistérios do autismo é a coexistência de déficits em vários domínios, juntamente com relativamente intacta, às vezes maior, habilidades. Manifestação de autismo complexos, solicita um exame global e abrangente da doença no nível neural. Um relato convincente recente do funcionamento do cérebro no autismo, a teoria underconnectivity cortical, ^2,7 fornece uma estrutura de integração para as bases neurobiológicas do autismo. A teoria do autismo underconnectivity cortical sugere que qualquer linguagem, a função social, ou psicológica que depende da integração de múltiplas regiões cerebrais é suscetível ao rompimento com o aumento da demanda de processamento. No autismo, o funcionamento deficiente do circuito integrador no cérebro pode causar underconnectivity generalizada. Em outras palavras, as pessoas com autismo podem interpretar as informações de forma fragmentada, em detrimento do todo. Desde underconnectivity cortical entre as regiões do cérebro, especialmente o córtex frontal e áreas mais posterior ^3,6, já foi relativamente bem estabelecida, podemos começar a entender melhor conectividade do cérebro como um componente crítico de autismo sintomatologia.

Um próximo passo lógico nesse sentido é examinar as conexões anatômicas que podem mediar as conexões funcionais referidos acima. Difusão Tensor Imaging (DTI) é uma técnica de neuroimagem relativamente nova que ajuda a sondar a difusão da água no cérebro para inferir a integridade das fibras de substância branca. Nesta técnica, a difusão de água no cérebro é examinado em várias direções utilizando gradientes de difusão. Enquanto a conectividade funcional fornece informações sobre a sincronização de ativação cerebral em diferentes áreas do cérebro durante uma tarefa ou durante o repouso, DTI ajuda a compreender a organização subjacente axonal que podem facilitar o cross-talk entre as áreas do cérebro. Este artigo irá descrever estas técnicas como ferramentas valiosas para a compreensão do cérebro no autismo e os desafios envolvidos nessa linha de pesquisa.

Protocolo

1. Técnicas especiais para digitalização Indivíduos com deficiência de desenvolvimento:

Enquanto neuroimagem em si é uma técnica complexa, usando ressonância magnética para verificar a população pediátrica e pessoas com distúrbios do desenvolvimento pode ser extremamente challenging.The principais problemas são: 1) o movimento da cabeça: as pessoas com transtornos, especialmente crianças, podem ter dificuldade para manter ainda em o scanner fMRI durante uma sessão de digitalização. Isso pode resultar em movimento da cabeça que por sua vez pode afetar a qualidade dos dados; 2) Crianças com autismo têm extrema sensibilidade sensorial e podem ser incomodado por diversos fatores, tais como o ruído scanner, estando em espaço fechado, a temperatura e assim por diante, e 3 ) Ansiedade e ficando ajustado a um novo ambiente pode ser difícil para as pessoas com autismo. Uma mudança na sua rotina pode causar problemas se não for bem preparado. Portanto, procedimentos inovadores com preparativos cuidadosos são necessários para alcançar um bom rendimento, e para melhorar a qualidade dos dados coletados. Incorporamos informações valiosas adquirida com teoria e prática de preparar o participante para uma ressonância magnética, para fazer o experimento e processo de digitalização agradável para o participante e para processar os dados coletados, alguns dos quais são:

1. Histórias Social. Sociais histórias são curtas, histórias directa usada muitas vezes para explicar situações novas e confuso para as crianças com autism8. Nós usamos histórias social, escrito a partir da perspectiva do indivíduo com autismo, para ilustrar e descrever verbalmente cada passo do nosso processo de estudo. Em cada item na história, tanto descriptionsare verbal e pictórica fornecido. Intitulado "sobre a minha sessão de ressonância magnética", nós fornecemos a história para o participante à frente de seu dia scan para que eles possam se familiarizar com o processo de digitalização. O objetivo da história é para aumentar a compreensão do indivíduo sobre o procedimento, e fazer ele / ela mais confortável em uma situação nova.
2. CD de gravação dos Sons Scanner. Durante uma sessão de digitalização, o scanner de ressonância magnética produz ruídos altos constantemente e isso pode ser aversivo para alguns indivíduos com autismo. , A fim de aclimatar o participantsto o ruído scanner, enviamos os participantes (antes do dia scan) uma gravação dos sons feita pelo scanner.
3. Mock Scanner MRI. Simulamos uma sessão de ressonância magnética com o participante usando um scanner mock, construído a partir de um scanner de ressonância magnética descartados Phillips. Isso proporciona uma aproximação realista da sessão de digitalização real. O uso deste scanner mock, localizado no Departamento de Optometria, UAB, permite que o participante para se acostumar com o ambiente scanner.
4. Turnê pelo Scanner MRI antes da digitalização. Antes do início do exame de ressonância magnética, o participante é fornecido com uma oportunidade para ver o scanner e até mesmo obter na mesa do scanner brevemente. Normalmente, isso ajuda a aliviar o medo ea ansiedade, assim como fornecer os pesquisadores com informações comportamentais sobre a reação do participante para o scanner. Tais reações freqüentemente fornecem valiosas, embora intuitiva e qualitativa da informação, se o participante pode provavelmente concluir o scan.Before todo o participante vai para o scanner, ele / ela deixa todos os seus pertences em um vestiário e também é verificado para o metal usando um detector de metais.
5. Fazendo o Scanner MRI criança-friendly. Para todos os nossos scans, usamos a Siemens 3,0 Tesla Allegra MRI Scanner localizado no Civitan UAB International Research Center. Este é um scanner de cabeça só tornando-o menos intimidante para os participantes. A fim de tornar o ambiente scanner como criança-amigável quanto possível (para a população pediátrica), o scanner pode ser decorado com adesivos de fácil remoção de animais, personagens de desenhos animados, etc Além disso, nós fornecemos cobertores coloridos aos participantes para mantê-los quente no scanner. Para crianças com autismo, que muitas vezes têm interesses especiais (por exemplo, os trens), tais interesses podem ser tidos em conta enquanto o scanner de decoração.
6. Uso de filmes ou desenhos animados: O anatômicas e DTI aquisição de imagem não exigem que o participante para executar uma tarefa no scanner. Durante esses exames, os participantes têm a opção de assistir a alguns minutos de seu filme favorito ou a série de desenho animado. Além de fornecer uma pausa bem-vinda as tarefas, isso ajuda a tornar o processo de digitalização mais agradável para o participante.

2. Uso de Software de estímulo Apresentação e dispositivos de resposta de botão para comunicar com o Scanner:

1. Experimental as tarefas são programadas usando E-Prime (Tools Software Psicologia, Pittsburgh, PA) software apresentação do estímulo. Antes da sessão de digitalização, o participante práticas versões mais curtas das tarefas em um computador laptop, para que eles estejam familiarizados com o que eles vão ver no scanner e quais os botões, eles serão obrigados a pressionar.
2. O tpede são carregados no sistema integrado de imagem funcional (IFIS, Invivo Corporation, Orlando, FL), e são sincronizadas com o paradigma de digitalização. O sistema IFIS ajuda a projetar os estímulos visuais em uma tela atrás do participante, enquanto no scanner, que as opiniões dos participantes através de um espelho preso à bobina de cabeça.
3. Dois monitores na sala de controle permitem que os pesquisadores para selecionar as tarefas experimentais ou filmes apresentados durante a verificação, e monitorar as respostas dos participantes (incluindo o tempo de resposta e precisão de desempenho).
4. Os participantes usam fones de ouvido compatíveis com ressonância magnética que lhes permitem ouvir o áudio, ouvir as instruções dos pesquisadores, bem como reduzir o ruído importuno do scanner. Além dos fones de ouvido, tampões de ouvido são fornecidos para reduzir ainda mais o ruído do scanner.
5. Um dispositivo de resposta de fibra óptica botão ligado a cada lado permite que o participante para responder a perguntas tarefa. O sistema de registros IFIS essas respostas, bem como o timing de cada resposta em conjunto com o tempo de scan.
6. Uma emergência "bola squeeze" é entregue ao participante no caso de ele / ela não quiser continuar a varredura. Pressionando esta bola vai disparar um alarme na sala de controle levou os pesquisadores a chegar ao participante imediatamente.

3. Uso de Estática e Dinâmica estímulos visuais para obter respostas do cérebro em participantes com autismo:

Enquanto um excelente design experimental é fundamental para qualquer estudo científico, atingindo um acorde com os participantes podem ter um impacto significativo sobre os dados adquiridos, especialmente em neuroimagem. Os estímulos devem ser ao nível de compreensão dos participantes, eo experimento deve ser curta, precisa e agradável. Se a atenção adequada, não é dado a estes elementos, a qualidade dos dados pode ser afetado negativamente. Cuidado especial é tomado para tentar fazer as tarefas experimental desafiador e agradável, criando estímulos inovadores.

1. Dinâmica estímulos visuais, tais como vídeos mostrando a interação social são utilizados para obter as respostas dos participantes sobre a atribuição do estado mental. Além de ser curta e agradável, esses estímulos são fatias do mundo real social e proporcionar uma arena apropriada para investigar as respostas do cérebro associadas com a cognição social.
2. Estática estímulos visuais, como caracteres vara figura exibindo posturas corporais diferentes também são utilizados para estudar a cognição social. Estes estímulos são úteis para estudar as emoções, incentivando os participantes a inferir sentimentos da linguagem corporal.
3. Estática estímulos visuais, como vinhetas em quadrinhos que envolvem vários personagens que descrevem situações sociais também são utilizados. Estes estímulos envolvem atribuições com base na física popular e psicologia popular.
4. Para estudos que examinam o processamento da linguagem, que utilizam principalmente tarefas que envolvem a compreensão da frase, lexical de tomada de decisão e processamento de discurso.
5. Embora a duração de cada experimento difere da outra, vamos tentar manter todas as experiências menos de 10 minutos. Além disso, também tentamos o nosso sanduíche DTI scan e verifica anatômicas entre experimentos para dar o participante algum tempo livre / repouso. Encontramos razoável sucesso com esta estratégia. Em uma sessão de varredura, tentamos incluir 2-3 tarefas tomar o tempo total gasto no ímã para cerca de 30-40 minutos. Veja a Figura 1 para um fluxograma que descreve o protocolo do estudo.

4. Aquisição de Dados, Controle de Armazenamento, Análise de Qualidade e:

Aquisição de dados:

1. Ressonância magnética funcional e dados DTI são coletados em uma única sessão por participante usando um Siemens 3,0 Tesla Allegra cabeça somente Scanner (Siemens Medical Inc., Erlangen, Alemanha), alojado no Internacional Civitan Research Center, Universidade do Alabama em Birmingham.
2. A sessão começa com a digitalização de alta resolução T1 scans de imagem estrutural. Estes são adquiridas usando uma fatia 160-MPRAGE 3D (Magnetização gradiente eco Preparado rápida) scan volume com TR (tempo de repetição) = 200 ms, TE (tempo de eco) = 3.34 ms, ângulo de inclinação = 12 graus, FOV (Field of View) = 25,6 cm, 256 X 256 tamanho da matriz, e uma espessura de corte mm. Esta aquisição dura cerca de 8 minutos e os dados adquiridos fornecer informações anatômicas sobre o cérebro de cada participante.
3. Os exames anatômicos são seguidos por varreduras funcionais. Para adquirir imagens funcionais, usamos um único tiro seqüência de pulso gradiente-echo-planar lembrou com TR = 1000 ms, TE = 30ms, ângulo de inclinação = 60 graus, FOV = 24 cm, e matriz = 64 x 64. Nós adquirimos seventeen adjacentes oblíqua cortes axiais em uma seqüência intercalada com 5 a espessura do corte mm, uma lacuna fatia mm, uma 24 centímetros FOV, e uma matriz 64 x 64, resultando em uma resolução no plano de 3,75 X 3,75 X 5 mm.
4. Dependendo do comprimento de um experimento de ressonância magnética funcional, dois ou três experimentos são incluídos em um min 60-75utes digitalização sessão.
5. As imagens são adquiridas usando DTI um único tiro, spin-eco, EPI seqüência (Echoplanar Imaging) com 46 direções ortogonais. A difusão ponderado, tiro-único, spin-eco, eco-planar seqüência de imagens é utilizado com TR = 7000 ms, TE = 90 ms, largura de banda = 2790 Hz tamanho / voxel, FOV = 220 milímetros, e matriz = 128x 128. Vinte e sete de 3 mm de espessura são gravadas (sem gap fatia) sem difusão ponderação (b = 0s/mm2) e com difusão de ponderação (b = 1000s/mm2) gradientes aplicados em 46 direções ortogonais.

Armazenamento de Dados e Análise de Dados:

1. Os dados de neuroimagem adquiridos a partir de um exame de ressonância magnética são transferidos para uma passagem de rede de computadores parede protegida no Hospital Universitário de acordo com a Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA).
2. Os dados de MRI e DTI deste servidor são transferidos para o servidor do laboratório de computação centralizada (neurônio), e anónimos antes de ser disponibilizado para análise de dados. O servidor neurônio abriga todos os programas de análise de imagem, bem como os scripts gerados in-house para fazer os cálculos específicos para nossos experimentos.
3. O cluster computador utiliza 3 nós, cada um com um processador quad-core, permitindo um processamento mais rápido e paralelo de vários conjuntos de dados. Além disso, desde que os dados de diferentes estudos residem em um local comum, torna-se mais fácil de organizar os dados para meta-análises e fazer inferências globais.
4. Os dados fMRI são pré-e pós-processados ​​e analisados ​​estatisticamente usando SPM8 (Statistical Parametric Mapping, Wellcome Departamento de Neurologia Cognitiva, London, UK). Além disso, outros programas de software, tais como análise de neuroimagens funcionais (AFNI), fMRIB Software Library (FSL), e MRICron também são usadas para outras análises.
5. As imagens DTI são pré-e pós-processados ​​e analisados ​​estatisticamente usando FSL.

Controle de qualidade:

1. Ajustes temporais e espaciais são feitas para os dados de fMRI usando as etapas de pré-processamento, tais como correção de fatia de tempo, correção de movimento, de realinhamento, a normalização espacial e alisamento espacial.
2. Relação sinal-ruído (SNR) é calculada considerando a relação entre a variabilidade de tarefas relacionadas com a variabilidade ea tarefa não-relacionados. Ruído (tarefa não-variabilidade relacionados) pode incluir qualquer coisa de ruído térmico para os efeitos do movimento da cabeça. Tanto por cálculo do SNR para ganhar uma proporção relativamente mais elevada (> 0,8) e pelo controle de artefatos, podemos ter certeza de que as imagens atender aos padrões de qualidade rigorosos.
3. Temporal sinal-ruído (tSNR) é o SNR durante todo o curso do experimento e é matematicamente definido pela razão de intensidade de sinal significa para a variação do sinal ao longo do tempo. A média eo desvio padrão são tomadas em cada voxel e se a relação dentro do cérebro está em um limite aceitável, as imagens podem ser usados ​​para análises adicionais.
4. É sempre uma boa idéia para examinar os dados para artefatos em cada etapa de pré-processamento e análise. Por exemplo, examinando as imagens-prima para a Rádio Freqüência (RF) de artefatos ou avaliar artefatos de movimento nos dados pré-processados. Uma medida preventiva para o controle de artefatos é a tela de metal assuntos para dentro ou ao redor da cabeça, como chaves ou um retentor permanente, para limitar a quantidade de queda de sinal para fora.
5. Se um conjunto de dados tem muito barulho, mesmo após procedimentos de correção de movimento, e não atende aos nossos padrões de qualidade de dados, esse conjunto de dados é normalmente excluídos da análise posterior.

5. Examinando o cérebro no autismo em um Nível de Rede: fMRI baseados em Investigação de conectividade funcional e baseada em DTI Exame de Conectividade Anatômicos:

Conectividade funcional:

Conectividade funcional refere-se à sincronização de ativação cerebral em diferentes regiões no cérebro. A correlação do momento de ativação de todas as áreas do cérebro é tomado como prova da comunicação ou de conectividade entre as regiões. As etapas envolvidas nesta análise são os seguintes:

1. Regiões de interesse (ROIs) são identificados, ou funcionalmente (com base na resposta de ativação para tarefas) ou anatômica (baseado no atlas do cérebro padronizado). Estas ROIs são definidos ou esférica com um raio que englobaria a ativação ou eles são definidos em sua forma original.
2. O raio especificado ou forma real, juntamente com as coordenadas MNI, é incorporada para criar um arquivo de ROI para todos os ROIs usando um in-house script.The presença de sobreposição entre os locais desses ROIs é investigada e corrigida.
3. Para cada ROI, o sinal é extraído do curso de tempo do experimento a partir de dados de cada participante individual.
4. Para cada participante, o tempo médio do sinal para cada ROI está correlacionado com todos os ROIs outros, resultando em uma matriz de correlação. A correlaçãoOs valores são convertidos em escores z de Fisher "para mais análises estatísticas para fazer em grupo, individual, e entre inferências nível de grupo.

Conectividade anatômicas (DTI):

A fim de examinar a integridade da substância branca em todo o cérebro, as imagens do tensor de difusão são analisadas utilizando Software fMRIB Library (FSL) ^9. Abaixo estão os principais passos envolvidos:

1. O primeiro passo para esta análise envolve o pré-processamento, incluindo crânio stripping e correção de corrente parasita. Stripping crânio é feito usando a Ferramenta de Extração do Cérebro (BET) para remover todo o tecido não-parenquimatosas. Quando gradientes de difusão de alta intensidade são rapidamente mudou, artefatos de cisalhamento e estiramento são produzidas as quais são diferentes para cada direção do gradiente. Essas distorções são corrigidas usando a correção de FSL de corrente parasita que registra as imagens de difusão de uma imagem de referência, sem gradiente de difusão aplicada.
2. Tensores de difusão e fracionários anisotropia (FA) valores, um índice de difusão da água ao longo dos axônios, são então calculados no nível de voxel usando Toolbox FSL de Difusão.
3. Diferenças entre os grupos em um nível voxel-a-voxel são examinadas usando Trato-Based Estatística Espacial (TBSS) ^10. Nesta técnica, todas as imagens de difusão são os primeiros alinhados em um espaço comum, usando registro não-lineares.
4. Um esqueleto FA de todos os grandes tratos de substância branca de todos os participantes é criado. Imagens de difusão individuais de todos os participantes são, então, registrado este esqueleto trato FA.
5. Áreas ao longo deste esqueleto a partir das imagens dos participantes com autismo são comparados voxel-a-voxel para as mesmas áreas dos participantes controle usando t-testes. Voxels com valores variando FA são, então, isolado como um ROI grande e os valores de FA médios calculados.

6. Resultados representativos:

Os resultados primários emergentes de nossos estudos dizem respeito ao enfraquecimento resposta neural nos participantes com autismo (em termos de activação, alteração na intensidade do sinal, e em conectividade funcional) eo possível uso de rota cortical alterada em realizar tarefas cognitivas e sociais. Por exemplo, as regiões centrais encontrado para ser mediadora de uma função (por exemplo sulco temporal superior posterior na junção temporoparietal ao inferir as intenções dos outros, ver Figura 2) parecem menores de responder no autismo, em relação ao grupo de controle típico. Além disso, a região central parece underconnected funcionalmente com outros nós, especialmente os mais distantes espacialmente (figura 3). Com DTI, encontramos também algumas bases anatômicas a estas conclusões (ver Figura 4), fornecendo uma abrangente, imagem em nível de rede da organização do cérebro no autismo.

Figura 1. Fluxograma representando os métodos e procedimentos.

Figura 2: A ativação) Aumento em uma tarefa de linguagem típica, como a compreensão da frase (giro frontal inferior esquerdo, e deixou sulco temporal superior posterior); B) Aumento bilateral superior posterior ativação sulcos temporal em neurotypical participantes durante a atribuição de estados mentais aos outros (FWE corrigido limiar de p <0,05).

Figura 3. Significativamente reduzida conectividade funcional (sincronização de ativação cerebral) entre as regiões frontal e temporal em uma tarefa de cognição social em participantes com autismo (p <0,05). LSTG: giro temporal superior esquerdo, RSTG: giro superior direita temporal, RIFG: giro frontal inferior direito ROI: Região de interesse, FCA: conectividade funcional.

Figura 4. DTI resultados Tractography mostrando um feixe de fibras provenientes de substância branca do lobo temporal para a junção temporoparietal. O ponto inicial de partida para tractography foi um ROI identificado por TBSS como tendo um valor de FA significativamente menores em adultos jovens com autismo, quando comparado com a idade correspondente participantes de controle típico.

Discussão

Os métodos e procedimentos descritos neste artigo são baseadas em princípios básicos de neurociência cognitiva e de neuroimagem. Em conjunto, estes métodos fornecem um quadro atraente para avaliar o funcionamento do cérebro ao nível dos sistemas em crianças, adultos e em pessoas com distúrbios. Estudos fundamentada nestes métodos têm sido especialmente influente na caracterização do funcionamento do cérebro discordantes em indivíduos com autismo.

Embora as técnicas apresenta...