قياس اختلافات المادة الرمادية باستخدام المورفومتر القائم على فوكسل: الدماغ الموسيقي

تتشكل أدمغتنا من خلال التجارب ، مما يؤدي إلى تغيرات في الحجم القشري.

على سبيل المثال ، ثبت أن بعض الكفاءات ، مثل تعلم وإتقان لغة ثانية ، تزيد من كثافة المادة الرمادية ، حيث توجد أجسام الخلايا ، لا سيما في هياكل مثل الفص الجبهي.

قبل التقدم الحديث ، لقياس حجم منطقة معينة ، كان على العلماء تتبع المنطقة محل الاهتمام بشق الأنفس - وهي مهمة شاقة للغاية. الآن ، توجد تقنيات التصوير العصبي الأكثر حساسية - المعروفة باسم المورفومتر القائم على الفوكسل ، VBM - لالتقاط الاختلافات الحجمية الصغيرة في التشريح العصبي.

استنادا إلى العمل السابق ل Gaser و Shlaug ، بالإضافة إلى Bermudez وزملاؤه ، يوضح هذا الفيديو كيفية جمع صور الرنين المغناطيسي الهيكلي واستخدام VBM لتحديد قيم شدة voxels في أدمغة الأفراد ذوي الخبرات المختلفة - الموسيقيون الخبراء مقارنة بأولئك الذين لديهم تدريب محدود للغاية - وكذلك في حالات أخرى من الخبرة ، مثل لعب الشطرنج.

في هذه التجربة ، يطلب من مجموعتين من المشاركين - الموسيقيين المدربين رسميا والضوابط الذين لم يكن لديهم مثل هذا التدريب - الاستلقاء في ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي أثناء جمع الصور الهيكلية لأدمغتهم.

يمكن بعد ذلك تحديد مناطق معينة باستخدام نهج آلي ، بناء على شدة وحدات البكسل الحجمية ، والتي تسمى voxels. على سبيل المثال ، تشير العناقيد الساطعة جدا إلى موقع حزم ألياف المادة البيضاء ، بينما تتوافق الفوكسل الداكنة مع المناطق ذات المادة الرمادية الكثيفة.

بعد هذا التقسيم لكل دماغ ، يتم تحويل الصور إلى أطلس قياسي ، وهو مساحة مشتركة للسماح بإجراء مقارنات بين الموضوعات.

في كثير من الأحيان ، يمكن أن تؤدي عملية التسجيل هذه إلى تمديد الصورة ، مما يجعل بعض الهياكل تبدو وكأنها تحتوي على مادة رمادية أكثر مما هي عليه بالفعل.

لذلك ، يجب ضرب القالب بمقياس مقدار الالتواء الذي تم إجراؤه ، والذي يسمى المحدد اليعقوبي ، للتعويض عن التمدد المتكرر ، ثم يتم تخفيف جميع الاختلافات الجسيمة في علم التشريح.

بعد تطبيق التحويلات ، يتم حساب المتغير التابع على أنه الاختلافات في كثافة المادة الرمادية بين الموسيقيين؟ الأدمغة مقارنة بضوابط غير الموسيقيين.

نظرا لزيادة استخدام المعالجة السمعية المعقدة في الموسيقيين الماهرين ، من المتوقع أن تظهر هذه المجموعة زيادة في كثافة المادة الرمادية في مناطق الدماغ السمعي ، مثل الفص الصدغي العلوي وتلفيف هيشل ، مقارنة بالمجموعة الضابطة.

قبل التجربة ، قم بتجنيد 40 موسيقيا يمارسون أي آلة موسيقية بنشاط ساعة واحدة في اليوم ولديهم ما لا يقل عن 10 سنوات من التدريب الموسيقي الرسمي ، بالإضافة إلى 40 عنصرا من غير الموسيقيين الذين لديهم القليل من التدريب المناسب أو معدوم.

في يوم الفحص ، قم بتحية كل مشارك في المختبر وتحقق من استيفائه لمتطلبات السلامة أثناء استكمال نماذج الموافقة اللازمة.

يرجى الرجوع إلى مشروع آخر للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في هذه المجموعة للحصول على مزيد من التفاصيل حول كيفية إعداد الأفراد لدخول غرفة المسح وتجويف الماسح الضوئي.

الآن ، اطلب من المشارك الاستلقاء في الماسح الضوئي ، وابدأ في مسح الدماغ بأكمله عن طريق جمع تسلسل تشريحي عالي الدقة ومرجح T1 مثل صدى التدرج السريع الممغنطة مع فوكسل متناحي 1 مم.

باتباع بروتوكول جمع الصور ، استبعد المشارك وابدأ التحليل.

لبدء المعالجة المسبقة ، اعزل الدماغ عن الجمجمة لكل فحص وتحقق من جودة التجريد.

في هذه الدراسة ، قم بإنشاء قالب محدد للمادة الرمادية عن طريق تقسيم دماغ كل شخص أولا إلى مادة بيضاء ورمادية والسائل الشوكي الدماغي ، CSF ، بناء على شدة كل فوكسل. لاحظ أن البرنامج يميز تلقائيا الفوكسل الساطع على أنه مادة بيضاء ، والفوكسيل الداكن كمادة رمادية ، والمناطق داخل البطينين على أنها السائل الدماغي النخاعي.

قم بإجراء تحويل أفيني خطي مع 12؟ من الحرية ، لتسجيل دماغ كل موضوع في مساحة أطلس قياسية. قم بتشويه صورة المادة الرمادية لكل موضوع في هذه المساحة ، وقم بمتوسطها جميعا معا.

بعد ذلك ، قم بعكس هذا من اليسار إلى اليمين ، ومرة أخرى ، قم بحساب متوسط الصور معا لإنتاج قالب المادة الرمادية الأولي.

بعد ذلك ، قم بإجراء تحويل غير خطي لإعادة تسجيل دماغ كل موضوع إلى شكل المادة الرمادية ، ومتوسطها معا. قم بإنشاء نسخة معكوسة من هذه الصورة الجديدة ، وقم مرة أخرى بحساب متوسط الاثنين معا لإنتاج قالب نهائي للمادة الرمادية خاص بالدراسة.

الآن سجل دماغ كل موضوع في آخر شكل من أشكال المادة الرمادية باستخدام تحويل غير خطي ، واضرب في مقياس يعقوبي لمقدار الالتواء الذي تم إجراؤه للتعويض عن مقدار التواء الذي تم شد كل بنية دماغية لتناسب مساحة القالب.

بعد ذلك ، قم بتنعيم البيانات باستخدام نواة غاوسية بنصف عرض كامل بحد أقصى 10 مم لزيادة تداخل فوكسيل الدماغ المتشابهة عبر جميع المواضيع.

مع اكتمال المعالجة المسبقة ، قم بنمذجة كل مجموعة من الأدمغة بانحدار منفصل. احسب تباينا يقارن بين المجموعتين لإنشاء خرائط إحصائية تحدد احتمالية الاختلافات في كل فوكسل.

أخيرا ، قم بإجراء تقنية تصحيح مقارنات متعددة ، مثل معدل الاكتشاف الخاطئ بقيمة q 0.01 ، للتحكم في آلاف الاختبارات الإحصائية المتزامنة التي تم إجراؤها. ستقدر هذه القيمة معدل الإيجابيات الخاطئة فوق عتبة 1٪.

هنا ، كشف تحليل VBM عن زيادات ثنائية كبيرة في كثافة المادة الرمادية في الفص الصدغي العلوي للموسيقيين؟ الأدمغة مقارنة بالضوابط. ظهر الاختلاف الأكبر على الجانب الأيمن ، وشمل ذلك الجزء الخلفي من تلفيف هيشل ، موقع القشرة السمعية الأولية.

الآن بعد أن أصبحت على دراية بكيفية استخدام VBM لدراسة التشريح العصبي ، دعنا نلقي نظرة على كيفية استخدام الباحثين لهذه التقنية لدراسة الاختلافات الهيكلية في المجموعات السكانية الأخرى.

في حين أن العديد من المهام التي تنطوي على تدريب وخبرة مكثفة ترتبط بزيادات في حجم المادة الرمادية ، فإن هذا التوسيع ليس هو الحال دائما بالنسبة لجميع أنواع مجموعات المهارات المكتسبة ، كما هو الحال في دماغ لاعب الشطرنج المتمرس.

عند مقارنتها بعناصر التحكم ، تم تقليل حجم المادة الرمادية في التقاطع القذالي الصدغي ، وهي منطقة مهمة للتعرف على الأشياء. تؤدي هذه النتائج إلى شذوذ مثير للاهتمام قد يساعد العلماء على فهم كيفية ارتباط الحجم القشري بالأداء في المهام الصعبة.

غالبا ما يكون لدى الأفراد المكفوفين منذ الولادة حجم أصغر من المادة الرمادية في القشرة البصرية مقارنة بالضوابط. ومن المثير للاهتمام ، من خلال استخدام VBM ، اكتشف الباحثون تضخما كبيرا في مناطق الدماغ غير المسؤولة عن الرؤية ، مثل القشرة السمعية ، والتي كانت ضعف الحجم الموجود في أدوات التحكم في البصر.

قد تكون هذه الاختلافات الهيكلية بمثابة أساس تشريحي لشرح سبب زيادة الحواس الأخرى لدى الأفراد المكفوفين.

علاوة على ذلك ، يشير تحليل التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي و VBM على مرضى الأدوية الذين يعانون من اضطراب اكتئابي شديد أيضا إلى اختلافات في أحجام المادة الرمادية مقارنة بالضوابط.

وجد العلماء أن هؤلاء المرضى انخفضوا في حجم المادة الرمادية في القشرة الأمامية والجزرة ، وهو ما قد يفسر سبب صعوبة المرضى المكتئبين في التحكم المعرفي في المشاعر السلبية تجاه أنفسهم والآخرين.

لقد شاهدت للتو فيديو JoVE على التشكل القائم على فوكسيل. الآن يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية جمع الصور التشريحية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي وكذلك كيفية تحليل وتفسير الاختلافات في شدة المادة الرمادية في مناطق القشرة السمعية. يجب أن تكون قد تعلمت أيضا أنه ليست كل مجالات الخبرة تؤدي إلى زيادة الكثافة القشرية.

شكرا للمشاهدة!