Зондирование мозга при аутизме Использование МРТ и тензора диффузии изображений

Резюме

Сканирование мозга методы, такие как функциональная МРТ и тензора диффузии изображений становятся все более полезными для характеристики когнитивных и нейронных дефицита при аутизме. Обследование головного мозга при аутизме связи на сетевом уровне, а также приспособления для сканирования детей с отклонениями в развитии представлен.

Аннотация

Newly emerging theories suggest that the brain does not function as a cohesive unit in autism, and this discordance is reflected in the behavioral symptoms displayed by individuals with autism. While structural neuroimaging findings have provided some insights into brain abnormalities in autism, the consistency of such findings is questionable. Functional neuroimaging, on the other hand, has been more fruitful in this regard because autism is a disorder of dynamic processing and allows examination of communication between cortical networks, which appears to be where the underlying problem occurs in autism. Functional connectivity is defined as the temporal correlation of spatially separate neurological events1. Findings from a number of recent fMRI studies have supported the idea that there is weaker coordination between different parts of the brain that should be working together to accomplish complex social or language problems^2,3,4,5,6. One of the mysteries of autism is the coexistence of deficits in several domains along with relatively intact, sometimes enhanced, abilities. Such complex manifestation of autism calls for a global and comprehensive examination of the disorder at the neural level. A compelling recent account of the brain functioning in autism, the cortical underconnectivity theory,^2,7 provides an integrating framework for the neurobiological bases of autism. The cortical underconnectivity theory of autism suggests that any language, social, or psychological function that is dependent on the integration of multiple brain regions is susceptible to disruption as the processing demand increases. In autism, the underfunctioning of integrative circuitry in the brain may cause widespread underconnectivity. In other words, people with autism may interpret information in a piecemeal fashion at the expense of the whole. Since cortical underconnectivity among brain regions, especially the frontal cortex and more posterior areas ^3,6, has now been relatively well established, we can begin to further understand brain connectivity as a critical component of autism symptomatology.

A logical next step in this direction is to examine the anatomical connections that may mediate the functional connections mentioned above. Diffusion Tensor Imaging (DTI) is a relatively novel neuroimaging technique that helps probe the diffusion of water in the brain to infer the integrity of white matter fibers. In this technique, water diffusion in the brain is examined in several directions using diffusion gradients. While functional connectivity provides information about the synchronization of brain activation across different brain areas during a task or during rest, DTI helps in understanding the underlying axonal organization which may facilitate the cross-talk among brain areas. This paper will describe these techniques as valuable tools in understanding the brain in autism and the challenges involved in this line of research.

протокол

1. Специальные техники для сканирования лиц с отклонениями в развитии:

Хотя нейровизуализации сама сложная техника, с помощью МРТ для сканирования детского населения и людей с отклонениями в развитии могут быть чрезвычайно challenging.The Основными проблемами являются: 1) руководитель движения: людей с расстройствами, особенно дети, могут найти его трудно усидеть на месте в МРТ сканера всей сканирования сессии. Это может привести к голове движение, которое в свою очередь может повлиять на качество данных, 2) Дети с аутизмом имеют большие сенсорные чувствительность и может быть обеспокоен такими факторами, как сканер шума, находясь в замкнутом пространстве, температура и так далее, и 3 ) Тревога и получение доводят до новых условиях может быть трудным для людей с аутизмом. Изменения в их рутина может создавать проблемы, если не готовы хорошо. Таким образом, инновационные процедуры при тщательном препараты, необходимые для достижения хорошего урожая, а также улучшить качество собираемых данных. Мы включать ценную информацию, накопленного в теории и практике подготовки участников для МРТ, чтобы экспериментировать и процесс сканирования приятным для участников, и для обработки собранных данных, некоторые из которых являются:

1. Социальной истории. Социальная историй короткие, прямые истории часто используется для объяснения нового и запутанной ситуации, чтобы дети с autism8. Мы используем социальной истории, написанные с точки зрения человека с аутизмом, чтобы проиллюстрировать и словесно описывать каждый шаг нашего учебного процесса. На каждый элемент в историю, как словесные и изобразительные descriptionsare предусмотрено. Названный "о моем МРТ сессии", мы предоставляем историю участник впереди своих сканирования день, чтобы они могли ознакомиться с процессом сканирования. Цель этой истории заключается в расширении понимания индивида процедуры, и, чтобы заставить его / ее более комфортно в новой ситуации.
2. Запись CD Сканер звуки. Во время сканирования сессии МРТ сканер производит громкий шум постоянно, и это может быть неприятным для некоторых людей, страдающих аутизмом. Для того, чтобы акклиматизироваться participantsto сканер шума, мы посылаем участников (до сканирования день) записи звуки, издаваемые сканера.
3. Мок МРТ сканера. Мы моделируем МРТ сеанс сканирования с использованием участником макет сканер, построенный из отбрасываются сканер Филлипс МРТ. Это обеспечивает реалистичную приближение фактического сессии сканирования. Использование данного макета сканер, расположенный на кафедре оптометрии, UAB, позволяет участнику, чтобы привыкнуть к сканеру окружающей среды.
4. Тур МРТ сканера перед сканированием. Перед началом МРТ, участник обеспечивается возможность увидеть сканер и даже получить на сканера кратко. Как правило, это помогает облегчить страх и беспокойство, а также предоставить исследователям информацию о поведенческой реакции участника к сканеру. Такие реакции часто дают ценные, хотя интуитивно и качественные, информация о том, участник может, вероятно завершить весь scan.Before участник переходит в сканер, он / она оставляет все свои вещи в раздевалке, а также проверяются на металл использованием металлодетектор.
5. Создание МРТ сканера для детей. Для всех наших сканирования, мы используем Siemens 3,0 Тесла Allegra МРТ сканера расположена в ЗАО Civitan Международного научно-исследовательского центра. Это голова только сканер делает его менее пугающим для участников. Для того, чтобы сканер окружающей среды, доброжелательного отношения к ребенку, как это возможно (для детского населения), сканер может быть украшен легкосъемные наклейки животных, героев мультфильмов и т.д. Кроме того, мы предлагаем красочные одеяла участников, чтобы держать их тепло сканера. Для детей с аутизмом, которые часто имеют особые интересы (например, поезда), такие интересы могут быть приняты во внимание при оформлении сканера.
6. Использование фильмы или мультфильмы: анатомические и DTI получения изображений не требует участника выполнять задачи в сканер. Во время такого сканирования, участникам предоставляется возможность смотреть несколько минут из их любимых фильмов или мультфильмов. В дополнение к предоставлению отдохнуть от задач, это помогает сделать процесс сканирования более приятным для участников.

2. Использование Стимул Software Презентация и устройства Кнопка ответа на Общайтесь с Сканер:

1. Экспериментальных задач программируются с помощью E-премьер (психология Программные средства, Питтсбург, Пенсильвания) программное обеспечение стимулов презентации. Перед сканированием сессии, участник практика короткой версии задачи на портативном компьютере, так что они знакомы с тем, что они увидят в сканер и какие кнопки они будут необходимы для прессы.
2. Тспрашивает загружаются на комплексной функциональной системы Imaging (МФУ, Invivo корпорации, Орландо, штат Флорида), и синхронизируются с сканирования парадигмы. Система помогает МФУ проекта зрительные стимулы на экране за участника, а в сканер, который участник взгляды через зеркало придает голове катушку.
3. Двух мониторов в диспетчерской позволит исследователям, чтобы выбрать экспериментальных задач или фильмов, представленных в ходе проверки, и контролировать ответы участников (в том числе время отклика и производительность точности).
4. Участники носят МРТ совместимые наушники, что позволяет им слышать звук, слушать инструкции исследователей, а также снизить навязчивый шум сканера. В дополнение к наушники, затычки для ушей предназначены для дальнейшего снижения шумов сканера.
5. Волоконно-оптических устройств ответ кнопки прилагается к каждой руке позволяет участнику реагировать на задачи вопросов. Система МФУ записи этих ответов, а также сроки осуществления каждого ответа в сочетании с сканирования времени.
6. Чрезвычайной ситуации "сжать мяч" отдается участнику, если он / она не хочет, чтобы продолжить сканирование. Нажатие этой мяч отправится сигнализации в диспетчерской побудило исследователей, чтобы добраться до участника немедленно.

3. Использование статических и динамических визуальных стимулов, чтобы вызвать мозга Ответы на участников с аутизмом:

Хотя отличные опытно-конструкторских имеет решающее значение для любого научного исследования, поражая аккорд с участниками могут иметь значительное влияние на данные, полученные, в частности в нейровизуализации. Стимулы должны быть на уровне понимания участника и эксперимент должны быть краткими, точными и приятным. Если должного внимания не уделяется этих элементов, качество данных может оказать негативное воздействие. Особое внимание уделяется, чтобы попытаться сделать экспериментальных задач сложным и приятным путем создания инновационных стимулов.

1. Динамические визуальные стимулы, такие как видео изображением социального взаимодействия используются для выявления ответы участников на психическое состояние атрибуции. В дополнение к коротким и приятным, эти стимулы ломтиками реальный социальный мир и обеспечить соответствующую арену для исследования мозга реакции, связанные с социального познания.
2. Статические визуальные стимулы, такие как фигурку символа отображения различных поз тела используются также для изучения социального познания. Эти стимулы помогают в изучении эмоций, поощряя участников вывести ощущения от языка тела.
3. Статические визуальные стимулы, как комические эпизоды полосы, которые включают несколько символов изображением социальных ситуациях также используются. Эти стимулы включают полномочия на основе народной физики и народной психологии.
4. Для исследований по изучению языка обработки, в основном мы используем задач, связанных с предложением понимания, лексического принятия решений, и дискурса обработки.
5. Хотя длина каждого эксперимента отличается от другого, мы стараемся, чтобы каждый эксперимент менее 10 минут. Кроме того, мы также стараемся, чтобы наши сэндвич DTI сканирование и сканирование в Анатомические между экспериментами, чтобы дать немного свободного участника / отдыха время. Мы нашли разумное успеха с этой стратегией. В одном сканировании сессии, мы стараемся включить 2-3 задач, в результате чего общее время, проведенное в магнит примерно 30-40 минут. См. рисунок 1 для блок-схема изображением протоколу исследования.

4. Сбора данных, хранения, анализа, и контроля качества:

Сбор данных:

1. Функциональная МРТ и DTI данные, собранные в одной сессии на каждого участника использованием Siemens 3,0 Тесла Allegra голову только сканер (Siemens Medical Inc, Эрланген, Германия) размещается в Civitan Международный научно-исследовательский центр, Университет штата Алабама в Бирмингеме.
2. Сканирования сессия начинается с высокой разрешающей способностью Т1-взвешенных сканирует на наличие структурных построений. Это, приобретенный с помощью 160-ломтик 3D MPRAGE (намагниченности Подготовлено Быстрое Эхо Градиент) объем сканирования с TR (Время повторения) = 200 мсек, TE (Время эхо) = 3,34 мс, флип угол = 12 градусов, FOV (поле зрения) = 25,6 см, 256 х 256 размер матрицы, и 1 мм толщины среза. Это приобретение длится около 8 минут, и данные, полученные обеспечивают анатомическую информацию о мозге каждого участника.
3. Анатомических сканирует следуют функциональных проверок. Для получения функциональных изображений, мы используем однократного градиентного напомнил эхо-плоской последовательности импульсов с TR = 1000 мсек, TE = 30 мс, флип угол = 60 градусов, FOV = 24 см, а матрица = 64 х 64. Мы приобретаем семнадцать смежных косых аксиальных срезов в чередуются последовательности с 5 мм толщина среза, 1 мм срез пробел, 24 см FOV, и 64 X 64 матрицы, в результате чего в плоскости разрешением 3,75 х 3,75 х 5 мм.
4. В зависимости от длины функциональной МРТ эксперимент, двух или трех экспериментов, включенных в 60-75 минУтес сканирования сессии.
5. DTI Изображения получены с помощью одного выстрела, спин-эхо, EPI (Echoplanar Imaging) последовательность с 46 ортогональным направлениям. Диффузии взвешенный, однократно, спин-эхо, эхо-планарной томографии последовательность используется с TR = 7000 мсек, TE = 90 мс, пропускная способность = 2790 Гц / воксела, FOV = 220 мм, а размер матрицы = 128x 128. Двадцать семь 3-мм срезы образ (не ломтик разрыв) без диффузионно-весовой (б = 0s/mm2) и диффузионно-весовой (б = 1000s/mm2) градиенты применяются в 46 ортогональным направлениям.

Хранение данных и анализа данных:

1. Приобрел нейровизуализации данных МРТ сессии передаются пройти стену защищенных компьютерных сетей в университетской больнице в соответствии с данных медицинского страхования и Акт об ответственности (HIPAA).
2. МРТ и DTI данных с сервера передаются на центральный сервер компьютера лаборатории (нейрон) и анонимных, пока еще не доступны для анализа данных. Сервер нейрона домов всех программ анализа изображений, а также внутренние скрипты порожденных делать вычисления, характерные для наших экспериментов.
3. Вычислительном кластере работают 3 узла, каждый из четырехъядерных процессоров, что позволяет быстрее и параллельную обработку нескольких наборов данных. Кроме того, поскольку данные из различных исследований проживать в общедоступное место, это облегчает для организации данных для мета-анализов и делать всеобъемлющие выводы.
4. МРТ данные пред-и пост-обработки и статистически проанализированы с помощью SPM8 (статистические карты Параметрический; Wellcome Департамента когнитивной неврологии, Лондон, Великобритания). Кроме того, другие программы, такие как анализ функциональных NeuroImages (AFNI), fMRIB Software Library (FSL), а MRICron также используются для других анализов.
5. DTI изображения пред-и пост-обработки и статистически проанализированы с помощью FSL.

Контроль качества:

1. Временные и пространственные корректировки делаются для МРТ предварительной обработки данных с помощью шагов, таких как срез времени коррекции, коррекции движения, реорганизации пространственных нормализации, и пространственного сглаживания.
2. Сигнал-шум (SNR) рассчитывается на основе соотношения между задачей связанных изменчивости и не-задачи, связанной изменчивости. Шум (без задачи, связанной изменчивость) может включать в себя что-нибудь от теплового шума, чтобы возглавить движение эффектов. По обе расчете SNR, чтобы получить относительно высокое соотношение (> 0,8), а также контроль за артефактами, мы можем убедиться, что изображения соответствуют строгим стандартам качества.
3. Временные отношения сигнал-шум (TSNR) является SNR на всем протяжении эксперимента и математически определяется отношением средней интенсивности сигнала на изменение сигнала с течением времени. Среднее значение и стандартное отклонение, принимаются на каждом воксела и если соотношение в пределах мозга находится на приемлемом порог, изображения могут быть использованы для дальнейшего анализа.
4. Это всегда хорошая идея, чтобы изучить данные для артефактов на каждом шагу предварительной обработки и анализа. Например, рассматривая сырые изображения для радиочастотной (RF) артефакты или оценки артефактов движения в предварительной обработке данных. Один профилактической мерой контроля за артефактов на экране темы для металла в пределах и вокруг головы, таких как скобки или постоянного фиксатор, чтобы ограничить количество сигнала выпадают.
5. Если набор данных имеет слишком много шума, даже после процедуры коррекции движения, и не отвечают нашим стандартам качества данных, что набор данных, как правило, исключены из дальнейшего анализа.

5. Изучение мозга при аутизме на сетевом уровне: МРТ-исследование основано функционального подключения и DTI основе Изучение анатомической связи:

Функциональные связи:

Функциональная связь относится к синхронизации активации мозга в разных регионах в головном мозге. Соотношение времени ходе активации через области мозга, берется в качестве доказательства связи или связи между этими регионами. Этапы этого анализа являются следующие:

1. Интересующие регионы (трансформирования) определены, либо функционально (основано на активации ответ на задачи) или анатомически (основано на стандартизованных, атласы мозга). Эти трансформирования определяются либо сферической с радиусом, который охватывал бы активация или они определены в их первоначальной форме.
2. Указанного радиуса или фактической формы, наряду с MNI координаты, включено для создания ROI файл для всех трансформирования использованием внутренних script.The наличие перекрытия между местоположение этих трансформирования исследуется и исправлены.
3. Для каждого ROI, сигнал извлекается из времени ходе эксперимента с данными каждого отдельного участника.
4. Для каждого участника, средний курс времени сигнала для каждого ROI коррелирует со всеми другими трансформирования в результате корреляционной матрицы. КорреляцииЗначения затем преобразуется в множество Z Фишера »для дальнейшего статистического анализа, чтобы лица, группы, а также между выводами на уровне группы.

Анатомические Connectivity (DTI):

С целью изучения целостности белого вещества через мозг, изображений тензора диффузии анализируются с помощью программного обеспечения fMRIB библиотека (FSL) ^9. Ниже приводятся основные этапы:

1. Первым шагом в этом анализ включает в себя предварительную обработку, в том числе череп зачистки и вихретоковый коррекции. Череп зачистки производится с помощью мозга Добыча Tool (BET), чтобы удалить любой не-паренхиматозных тканей. При больших градиентов интенсивности диффузии быстро переключаться, сдвиг и растяжение артефакты изготавливаются, которые различны для каждого направление градиента. Эти искажения корректируются с помощью вихревых FSL в текущей коррекции, которая регистрирует диффузии изображения эталонного изображения без каких-либо применяемых диффузии градиент.
2. Диффузия тензоров и дробные анизотропии (ФА) значения, индекс диффузии воды вдоль аксонов, затем рассчитываются на воксела уровень с помощью диффузии Toolbox FSL в.
3. Группа разногласия по воксела-на-воксела уровне изучены с помощью тракта основе пространственной статистики (ТБСС) ^10. В этой технике, все диффузии изображения первого выстраиваются в общем пространстве с использованием нелинейных регистрации.
4. Скелет FA всех основных участков белого вещества из всех участников не создается. Отдельные изображения диффузии все участники затем регистрируется на этот скелет тракта ФА.
5. Районы вдоль этого каркас из изображений участников с аутизмом по сравнению воксела-на-воксела в тех же областях из-под контроля участников с помощью т-тестов. Вокселей с различными FA значения затем выделяется в виде большой возврат инвестиций и средние значения ФА рассчитан.

6. Представитель Результаты:

Основные результаты выходящих из наших исследований относятся к ослабленной нейронная реакция у участников, страдающих аутизмом (в пересчете на активацию, изменение интенсивности сигнала, а в функциональной связи) и возможность использования изменен маршрут коры в выполнении когнитивных и социальных задач. Например, основные регионы оказались посреднические функции (например, для задних верхней височной борозды на височно-перехода в выведении намерения других, см. рисунок 2), кажется, под-ответ при аутизме, по сравнению с типичными участниками контроля. Кроме того, основной регион кажется underconnected функционально с другими узлами, особенно пространственно дальних (рис. 3). С DTI, мы также находим некоторые анатомические основе этих выводов (см. рисунок 4), обеспечивая всеобъемлющую, на сетевом уровне картину организации мозга при аутизме.

Рисунок 1. Блок-схема изображающие методы и процедуры.

Рисунок 2:) Увеличение активации в типичных задач языка, например, предложение понимание (левая нижняя лобная извилина, а левой задней верхней височной борозды), б) увеличение объема двусторонней задней верхней височной борозды активации в neurotypical участников во время присвоения психических состояний других (FWE исправлены порог р <0,05).

Рисунок 3. Значительное снижение функциональной связи (синхронизация активации мозга) между лобной и височной областей в социальную задачу познания у участников, страдающих аутизмом (р <0,05). LSTG: левой верхней височной извилины, RSTG: правой верхней височной извилины, RIFG: правая нижняя лобная извилина, ROI: Регион интересов, FCA: функциональная связь.

Рисунок 4. DTI трактография результаты, показывающие, белый расслоение вопрос, исходя из височной доли в височно-перехода. Начальная отправная точка для трактография был ROI определенных ТБСС как имеющий значительно меньшую стоимость ФА у молодых людей с аутизмом по сравнению с соответствующей возрастной типичных участников контроля.

Обсуждение

Методов и процедур, описанных в данном документе, основаны на основные принципы когнитивной нейронауки и нейровизуализации. Взятые вместе, эти методы обеспечивают прочную базу для оценки функционирования мозга на уровне системы у детей, взрослых, и у людей с расстройствами. Исследова?...