شارك في تحليل بنية الدماغ والدالة باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي وانتشارها المرجحة التصوير

الهدف العام من التجربة التالية هو تحليل بنية الدماغ ووظيفته في آن واحد باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي. ويتم تحقيق ذلك باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي عالي المجال لتصوير بنية المادة البيضاء في الدماغ عن طريق تصوير طيف الانتشار (DSI)، ولقياس وظائف الدماغ باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي المعتمد على مستوى أكسجين الدم (bold FMRI). بعد ذلك، يتم معالجة بيانات DSI لإنتاج تقديرات الانتشار متعدد الاتجاهات في كل نقطة من الدماغ.

بالإضافة إلى ذلك، يتم تحليل بيانات FMRI بهدف تحديد مناطق الاهتمام اللازمة لإنشاء أو اختيار ألياف المادة البيضاء الافتراضية. بعد ذلك، يتم محاذاة مناطق الاهتمام مع بيانات DSI، لضمان وجود البيانات الوظيفية والهيكلية في حيز صوري مشترك. وأخيراً، يتم إجراء تتبع المسارات (tractography) على بيانات الانتشار لتقدير مسارات المادة البيضاء التي تربط مناطق الاهتمام الوظيفية. ويتم الحصول على نتائج توضح درجة الاتصال التشريحي بين مناطق الدماغ التي يُفترض أنها متصلة وظيفياً.

بناءً على بيانات مهام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (FMRI). وقد أشارت الأدلة المتضافرة مؤخرًا إلى أن العمليات المعرفية المعقدة يتم تنفيذها بواسطة شبكات من مناطق دماغية متعددة تعمل في انسجام بدلاً من منطقة واحدة موحدة. ومن أجل التحديد الكامل لهذه الأنظمة الحسابية، من الضروري فهم العلاقة بين خصائصها الوظيفية والتركيبية من خلال دمج التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي.

يمكن من خلال التصوير بالرنين المغناطيسي الموزون بالانتشار فحص اتصال الشبكات وكيفية تسبب ذلك في ظهور السلوك البشري المعقد. وتكمن الميزة الرئيسية لسير عمل التصوير بالرنين المغناطيسي للانتشار هذا مقارنة بالطرق القياسية مثل تصوير الموتر الانتشار في أن الجمع بين التصوير الموزون بالانتشار ذو الدقة الزاوية العالية وإعادة البناء الخالية من النماذج يتيح لنا تمييز تكوينات الألياف المعقدة في الدماغ بشكل أفضل. وتمتد تطبيقات هذه التقنية نحو توصيف الحالات النفسية العصبية.

على سبيل المثال، عمه التعرف على الوجوه الخلقي، حيث يظهر الأفراد ضعفاً في التعرف على الوجوه. وباستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الانتشار القياسي، تبين أن مسارات ألياف المادة البيضاء القريبة من مناطق معالجة الوجوه تكون متحللة مقارنة بمجموعات الضبط الطبيعية. ومن خلال الجمع بين التصوير بالرنين المغناطيسي البنيوي والوظيفي، يمكن تحديد القصور البنيوي في الألياف، وتحديداً العقد الرابطة في شبكة معالجة الوجوه.

يمكن تطبيق هذه الطريقة أيضاً في السياق السريري مثل التخطيط للجراحة العصبية. حيث يستخدم الجراحون التخطيط الوظيفي لتحديد أنسجة المادة الرمادية المرتبطة بالوظائف المعرفية المهمة، وذلك لتقليل أي ضرر عرضي أثناء الجراحة. وباستخدام معلومات هيكلية إضافية مثل التصوير بوزن الانتشار، يمكنهم أيضاً تقليل الضرر الذي يلحق بهياكل المادة البيضاء الحرجة التي تربط هذه المناطق الوظيفية.

بشكل عام، قد يواجه الأشخاص الجدد في هذه الطريقة صعوبة في حقيقة عدم وجود حزمة برمجية واحدة تقوم بجميع الخطوات الضرورية للإجراء. وبناءً على ذلك، يجب على المستخدمين التنقل بين برامج متعددة مع الحفاظ على تنسيق صوري موحد بالإضافة إلى اتجاه ومحاذاة متسقين. يتضمن البروتوكول الخاص بنا تعليمات مفصلة لإرشاد المستخدمين خلال هذا الإجراء.

تعد التحليلات من هذا النوع، والتي تأخذ في الاعتبار البنية والوظيفة معاً، امتداداً طبيعياً لتجارب التصوير الوظيفي التي حددت مناطق الدماغ المرتبطة بـ Coved. وفي المهام ذات الصلة، لم تتمكن معظم النهج السابقة من توفير معلومات حول الاتصال البنيوي، وهذا هو ما نضيفه في نهجنا في هذا البروتوكول. يُستخدم ماسح Siemens بقوة 3 Tesla لإجراء مسح التصوير الطيفي للانتشار (DSI) في 257 اتجاهاً باستخدام ملف رأس مصفوفي طوري مكون من 32 قناة؛ حيث تعد شدة المجال العالية والملف ذو الـ 32 قناة ضروريين لتحقيق الإشارة المطلوبة لهذا المسح ذو الدقة الزاوية العالية.

إن طريقة التصوير بوزن الانتشار الأكثر استخداماً هي تصوير موتر الانتشار أو DTI، والتي تستغرق عملية المسح فيها عادةً من خمس إلى 10 دقائق، وتقيس عادةً 64 اتجاهاً أو أقل. ومن نقاط قصور DTI صعوبة تمييز الألياف المتقاطعة والمتلامسة، والتي يمكن اكتشافها بشكل أفضل باستخدام مزيج من طرق الاستحواذ عالية الدقة وطرق إعادة البناء مثل DS.I. تجدر الإشارة إلى أن بروتوكول DSI يتطلب ما يقرب من 45 إلى 50 دقيقة من التصوير، كما لا يمكن تطبيق تصحيح الحركة على بيانات DSI. لذلك، يُنصح بتقليل الحركة من خلال استخدام قضبان العض، أو الحشوات الرغوية، أو تقنيات التثبيت الأخرى، والاستعانة بمشاركين مدربين تدريباً عالياً؛ كما يتطلب التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (FMRI) القائم على المهام معدات إضافية، مثل شاشة عرض متوافقة مع الرنين المغناطيسي ونظام استجابة بالأزرار.

قبل إجراء الفحص، تأكد من الحصول على موافقة مستنيرة وفحص موانع استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي (MR.Contraindications). بعد ذلك، قم بإطلاع المشارك على طبيعة الفحوصات التي سيتم إجراؤها، مع التأكيد على ضرورة البقاء ساكناً أثناء فحص DSI. بمجرد أن يصبح المشارك مستعداً للبدء، قم بتثبيت رأس المشارك بشكل مريح، ثم قم بتمرير السرير إلى داخل الماسح الضوئي، وأجرِ عمليات المسح الاستطلاعية الأولية والمعايرة.

ثم قم بمحاذاة المقاطع الخاصة بمسح DSI مع الصوارع الأمامي والخلفي، وتأكد من أن مقاطع مسح DSI تغطي كامل نطاق الدماغ. يتم إجراء مسح DSI بينما يسترخي المفحوص في الماسح الضوئي أو يشاهد فيلماً عبر نظام العرض. وبعد انتهاء مسح DSI، قم بجمع مسح تشريحي مرجح بالزمن T1 لاستخدامه لاحقاً في التسجيل المشترك لبيانات DSI مع بيانات تشريحية أو وظيفية أخرى في نفس جلسة المسح أو في جلسة منفصلة.

قم أيضاً بالحصول على بيانات FMRI القائمة على المهام للمسح الوظيفي للمهام السلوكية. وجّه الأشخاص الخاضعين للدراسة لمراقبة الشاشة بحثاً عن المثيرات ذات الصلة بالمهمة والقيام بما هو مطلوب. إذا تم إجراء FMRI في يوم منفصل، فاحصل على مسح تشريحي آخر مرجح بـ T1.

يعتمد نهج المعالجة هذا على التحليل القائم على السطح لبيانات FMRI لإنشاء مناطق اهتمام (ROIs) لتصوير الألياف العصبية (tractography)، وهو ما يتيح تصوراً أفضل للتطابقات بين نقاط نهاية تصوير الألياف العصبية ومناطق الاهتمام الوظيفية. لبدء المعالجة، يتم أولاً تقديم الصورة المكتسبة والموزونة بـ T one إلى الخوارزمية الآلية لبرنامج FreeSurfer، والتي تقوم بالتجزئة التشريحية للمادة الرمادية والبيضاء وإعادة بناء سطح القشرة المخية. تتضمن المخرجات أيضاً نسخة معالجة من الحجم التشريحي الذي استُخرجت منه الأسطح، ويُشار إليها باسم حجم السطح (surface volume).

بعد ذلك، قم بمعالجة بيانات FMRI مسبقاً في برنامج acne. ثم استورد مخرجات free surfer إلى برنامج summa a acne وقم بإسقاط البيانات الوظيفية التي تمت معالجتها مسبقاً على الأسطح الناتجة. قم بتحليل بيانات FMRI لإنشاء خرائط إحصائية يمكن من خلالها تحديد مناطق الاهتمام (ROIs) معرفة وظيفياً من أجل T tractography.

ثم قم بتوسيع هذه المناطق ذات الاهتمام (ROIs) الوظيفية القائمة على السطح إلى المادة البيضاء عن طريق التمدد (dilation) لزيادة التلامس مع خطوط التدفق (streamlines) أثناء تتبع الألياف (tractography). وأخيرًا، قم بتحويل المناطق ذات الاهتمام الممددة من إحداثيات السطح إلى إحداثيات الحجم واستخراجها كملفات nifty لمعالجة بيانات الانتشار. أولاً، حدد أي صور DICOM في مجموعة البيانات هي صور B zero أو صور أساسية (baseline)، وقم بتحويل هذه الصور إلى صيغة nifty.

بعد ذلك، في برنامج DSI studio، افتح صور DSI DICOM وادمجها لإنشاء ملف مصدر وقم بتوفير جدول التدرج. ثم، قم بتطبيق قناع إعادة البناء الافتراضي على الصورة الأساسية وتأكد من أنه يشمل جميع المادة الرمادية دون تضمين المساحات الفارغة أو الجمجمة أو الأنسجة غير الدماغية. قم بتعديل القناع حسب الضرورة.

اختر نموذج إعادة بناء عالي الدقة باستخدام A-D-S-I-G-Q-I أو تباين GQI هنا. يتم استخدام خيار GQI. ثم أنشئ ملف معلومات الألياف لتمثيل اتجاهات الانتشار الرئيسية في كل voxel.

يجب بعد ذلك تحويل المناطق ذات الاهتمام (ROIs) الوظيفية إلى حيز DSI. استخدم برنامج apni لمحاذاة صورة DSIB الصفرية مع حجم السطح التشريحي بتنسيق nifty. ثم قم بعكس مصفوفة تحويل ALINE المكونة من 12 نقطة والناتجة عن ذلك باستخدام برنامج cat mat التابع لـ a acne.

ثم قم بتطبيق المصفوفة المعكوسة على المناطق ذات الاهتمام (ROIs) الوظيفية لتحويلها إلى حيز DSI. ويعد تتبع الألياف باستخدام بذرة للدماغ بأكمله طريقة سريعة وفعالة لتقييم الجودة العامة للبيانات. كما أنها توفر فرصة لتحديد قيم المعلمات العامة مثل عتبة التتبع؛ وللبدء، قم بإنشاء منطقة بذرة للدماغ بأكمله.

بعد ذلك، قم بتعيين قيمة عتبة التتبع الأولية لحجب الفوكسلات ذات الإشارة المنخفضة، بالإضافة إلى عتبة الزاوية. كما يجب تعيين حجم خطوة التتبع بالـ millimeters والعدد المطلوب من الألياف أو نقاط البذر. الآن، قم بإجراء تصوير للمسارات في الدماغ بأكمله للتحقق من الجودة العامة لإعادة بناء ODF.

بعد ذلك، قم بتحديد عتبة التتبع المثلى عن طريق إجراء تتبع للدماغ بأكمله بشكل تكراري مع تعديل عتبة التتبع. حدد العتبة التي تزيد من نسبة الألياف التي تصل إلى المادة الرمادية عن طريق تصور التداخل بين تتبع مسارات الدماغ بأكمله وقناع المادة الرمادية في track، حيث يتم تقليل الألياف الضوضائية (noisy fibers) عندما تصل 90 إلى 100% من الألياف إلى المادة الرمادية. علاوة على ذلك، تحقق من أن عتبة التتبع تحجب الفوكسل (voxel) والمساحات الفارغة؛ على سبيل المثال، الشق الطولي دون إزالة الفوكسل، والتي تقع بوضوح في المادة البيضاء كإجراء للتحقق المتقاطع في track، وذلك باستخدام مجموعة من ألياف التحكم من منطقة اهتمام (ROI) تشريحية عند القطب القذالي مع عدد كبير من البذور، على سبيل المثال، 500,000.

تحقق من أن هذا الإجراء ينتج تقريبًا نفس عدد الألياف عبر مجموعات البيانات الآن بعد اختيار معاملات تتبع الألياف (tractography) المثلى. بعد ذلك، قم بإجراء تتبع الألياف المقيد بمنطقتي اهتمام (ROI constrained T tractography) لاختبار الفرضيات المتعلقة بالاتصال بين مناطق الدماغ المحددة وظيفيًا. ابدأ بتحميل ملف fib وإنشاء منطقة بذر للدماغ بأكمله في برنامج DSI Studio. بعد ذلك، قم بتحميل ملف أو أكثر من ملفات nifty الخاصة بمناطق الاهتمام المحددة وظيفيًا، وقم بتعيينها كمناطق اهتمام (ROIs) في أداة تعيين المناطق (region setters) ببرنامج DSI studio.

ستتطلب المناطق ذات الاهتمام (ROIs) مرور الخطوط الانسيابية من خلالها، لذا قم بضبط التتبع وعتبة الزاوية باستخدام المعلمات التي تم تحسينها مسبقاً ثم ابدأ عملية التتبع. وأخيراً، احفظ مخرجات تصوير الألياف العصبية على شكل ملفات TRK. بعد ذلك، قم بإجراء تحليل كثافة النقاط النهائية، والذي يمكنه قياس مراسلات الاتصال الهيكلي مع المواقع المكانية الدقيقة للتنشيط الوظيفي القائم على المهام.

للبدء، قم بتحميل ملفات نifty ROIs وTRK في برنامج track fz، ثم أجْرِ العمليات المنطقية (Boolean operations) بين المناطق واحفظ نتائج كل عملية كملف TRK جديد. استخدم وظائف diffusion toolkit لتحويل ملفات TRK مكانياً من حيز DSI إلى حيز surface volume، وذلك لعرض بيانات الألياف فوق طبقة تشريحية ذات دقة عالية؛ قم بتحميل ملف TRK المحول وsurface volume في track vis لفحص النتائج كقياس لمدى الاتصالية. احسب العدد الإجمالي لنقاط نهاية الألياف في ROI مقسوماً على حجم ROI.

نرى هنا توضيحاً للنتائج المثالية وغير المثالية باستخدام تصوير المسارات العصبية للدماغ كاملاً. وتستند الصور الثلاث جميعها إلى مجموعة بيانات DWI ذات 257 اتجاهاً لنفس المشارك. وتظهر النتائج المثالية هنا.

في المقابل، تُظهر النتائج المعروضة هنا تأثير معايير تتبع الألياف العصبية (tractography) المتساهلة بشكل مفرط. نلاحظ هنا انخفاض الجودة الناتج عن استخدام نموذج تنسور واحد لإعادة بناء بيانات التصوير الموزون بالانتشار (DWI). وفي هذا الشكل، نرى مثالاً للمناطق التي تم تنشيطها أثناء مهمة إدراك الوجوه، حيث تمت مشاهدة صور لوجوه وأشياء يومية.

أثناء إجراء مسح FMRI، أظهرت منطقتان صدغيتان بطنيتان في المنتصف، وهما التلفيف المغزلي والتلفيف القذالي السفلي، استجابات BOLD أكبر بشكل ملحوظ للوجوه مقارنة بالأجسام. يوضح مشهد الشكل هنا الروابط بين القشرة البصرية والمناطق الحسية ومنطقة التحكم في الانتباه في القشرة الجدارية الخلفية. وتوضح هذه اللوحة المواقع التقريبية لمناطق البذر V one و V two و V three باللون الأحمر والأخضر والأزرق على التوالي.

منطقة البذر في القشرة الجدارية الخلفية (PPC) المسماة IPS 1 ومسارات الألياف التي تربط هذه المناطق؛ حيث تم تلوين المسارات حسب المنطقة ذات الاهتمام (ROI) في الفص القفوي التي نشأت منها. يوضح اللوح B المناطق المحددة وظيفياً في IPS باللون البني، وV 1 باللون الأحمر، وV 2 باللون الأخضر، وV 3 باللون الأزرق على السطح القشري، جنباً إلى جنب مع نقاط نهاية الألياف في كل منطقة. وبمجرد إتقان الطريقة، يمكن إتمام عملية الحصول على البيانات لمشارك واحد في غضون 30 إلى 90 دقيقة.

تستغرق عملية إعادة بناء السطح التشريحي الآلية عادةً 16 ساعة، بينما يمكن معالجة بيانات التصوير الموزون بالانتشار في أقل من ساعة. ويختلف الوقت اللازم لمعالجة وتحليل بيانات FMRI بناءً على المهمة السلوكية والإجراءات التجريبية. كما تتفاوت المتطلبات الزمنية لتتبع الألياف العصبية من دقائق إلى ساعات، وذلك اعتماداً على معاملات التتبع وقيود المنطقة المستهدفة.

أثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر أن نتائج تتبع الألياف العصبية (tractography) قد تكون عرضة لكل من الإيجابيات الكاذبة والسلبيات الكاذبة. يجب دائمًا تقييم نتائج تتبع الألياف في سياق النتائج التشريحية العصبية السابقة، أو استخدام منهجيات متقاربة مثل تحليل الاتصال الوظيفي بعد هذا الإجراء. ويمكن إجراء طرق أخرى مثل تصنيف الأنماط بناءً على مواقع الألياف، والتحليل المكاني التفصيلي لتوزيعات نقاط النهاية، والمسح الطولي لسلامة المادة البيضاء، وذلك بهدف المزيد من البحث في العلاقة بين بنية الدماغ ووظيفته.

لقد مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال العلوم العصبية الإدراكية لاستكشاف العلاقات بين البنية والوظيفة بطريقة غير جراحية لدى البشر الأصحاء والمجموعات السريرية. ويمكن أن يعمل الاتصال البنيوي بين مناطق الدماغ على تقييد الفرضيات المتعلقة بتدفق المعلومات عبر الشبكات الدماغية التي تتحكم في السلوكيات البشرية المعقدة. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون قد استوعبت الخطوات الرئيسية في إعادة بناء بيانات التصوير الموزون بالانتشار وإجراء تتبع الألياف العصبية.

يجب عليك أيضاً أن تدرك أهمية إجراء فحوصات الجودة واختبارات المعلمات المتكررة لتحسين نتائج تتبع الألياف. وأخيراً، بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك قدرة أفضل على فهم كيفية ربط الاتصال التشريحي بالخصائص الوظيفية لشبكات الدماغ.