Messung von Unterschieden der grauen Substanz mittels Voxel-basierter Morphometrie: Das musikalische Gehirn

Unser Gehirn wird durch Erfahrungen geformt, was zu Veränderungen des kortikalen Volumens führt.

Zum Beispiel hat sich gezeigt, dass bestimmte Fähigkeiten, wie das Erlernen und Beherrschen einer zweiten Sprache, die Dichte der grauen Substanz erhöhen, in der sich die Zellkörper befinden, insbesondere in Strukturen wie dem Frontallappen.

Vor den modernen Fortschritten mussten Wissenschaftler, um die Größe eines bestimmten Gebiets zu messen, den interessierenden Bereich akribisch verfolgen - eine sehr mühsame Aufgabe. Jetzt gibt es empfindlichere bildgebende Verfahren, die als voxelbasierte Morphometrie (VBM) bekannt sind, um kleine volumetrische Unterschiede in der Neuroanatomie zu erfassen.

Basierend auf früheren Arbeiten von Gaser und Shlaug sowie Bermudez und Kollegen zeigt dieses Video, wie strukturelle Magnetresonanzbilder gesammelt und VBM verwendet werden können, um die Intensitätswerte von Voxeln in den Gehirnen von Personen mit unterschiedlichen Erfahrungen zu identifizieren - erfahrene Musiker im Vergleich zu solchen mit sehr begrenzter Ausbildung - sowie in anderen Fällen von Expertise, wie zum Beispiel Schachspielen.

In diesem Experiment wurden zwei Gruppen von Teilnehmern - formal ausgebildete Musiker und Kontrollpersonen ohne eine solche Ausbildung - gebeten, sich in einen MRT-Scanner zu legen, während strukturelle Bilder ihres Gehirns gesammelt wurden.

Bestimmte Bereiche können dann mit einem automatisierten Ansatz definiert werden, der auf der Intensität volumetrischer Pixel, der sogenannten Voxel, basiert. Zum Beispiel zeigen sehr helle Cluster die Position von Faserbündeln der weißen Substanz an, während dunklere Voxel Bereichen mit dichter grauer Substanz entsprechen.

Nach dieser Segmentierung für jedes Gehirn werden die Bilder in einen Standardatlas umgewandelt, der ein gemeinsamer Raum ist, um Vergleiche zwischen den Probanden zu ermöglichen.

Oft kann dieser Registrierungsprozess ein Bild dehnen, was einige Strukturen so aussehen lässt, als hätten sie mehr graue Substanz, als sie tatsächlich haben.

Daher muss die Vorlage mit einem Maß multipliziert werden, wie viel Verzerrung durchgeführt wurde, was als Jacobi-Determinante bezeichnet wird, um die wiederholte Dehnung zu kompensieren, und dann werden alle groben Unterschiede in der Anatomie geglättet.

Nachdem die Transformationen angewendet wurden, wird die abhängige Variable wie folgt berechnet: die Unterschiede in der Dichte der grauen Substanz zwischen Musikern? Gehirne im Vergleich zu Nicht-Musiker-Kontrollen.

Aufgrund des vermehrten Einsatzes komplexer auditiver Verarbeitung bei geschickten Musikern wird erwartet, dass diese Gruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe eine erhöhte Dichte der grauen Substanz in auditorischen Hirnregionen, wie dem oberen Temporallappen und dem Heschl-Gyrus, aufweist.

Rekrutieren Sie vor dem Experiment 40 Musiker, die aktiv 1 Stunde am Tag ein Instrument üben und mindestens 10 Jahre formale musikalische Ausbildung haben, sowie 40 Nicht-Musiker, die wenig bis gar keine richtige Ausbildung haben.

Begrüßen Sie jeden Teilnehmer am Tag des Scans im Labor und vergewissern Sie sich, dass er die Sicherheitsanforderungen erfüllt, indem Sie die erforderlichen Einverständniserklärungen ausfüllen.

Bitte lesen Sie ein anderes fMRT-Projekt in dieser Sammlung, um weitere Informationen darüber zu erhalten, wie Sie Personen auf das Betreten des Scanraums und der Scanneröffnung vorbereiten können.

Weisen Sie nun den Teilnehmer an, still im Scanner zu liegen, und beginnen Sie, das gesamte Gehirn zu scannen, indem Sie eine hochauflösende, T1-gewichtete anatomische Sequenz wie Magnetization Prepared-Rapid Gradient Echo mit 1 mm isotropen Voxeln sammeln.

Befolgen Sie das Bilderfassungsprotokoll, entlassen Sie den Teilnehmer und starten Sie die Analyse.

Um mit der Vorverarbeitung zu beginnen, isolieren Sie bei jedem Scan das Gehirn vom Schädel und überprüfen Sie die Qualität des Stripings.

Erstellen Sie für diese Studie eine spezifische Vorlage für die graue Substanz, indem Sie zunächst das Gehirn jedes Probanden in weiße und graue Substanz und zerebrale Rückenmarksflüssigkeit (CSF) segmentieren, basierend auf der Intensität jedes Voxels. Beachten Sie, dass die Software helle Voxel automatisch als weiße Substanz, dunkle Voxel als graue Substanz und Bereiche innerhalb der Ventrikel als Liquor unterscheidet.

Führen Sie eine lineare affine Transformation mit 12? der Freiheit, das Gehirn jedes Subjekts in einem Standard-Atlasraum zu registrieren. Verzerren Sie das Bild der grauen Substanz jedes Motivs in diesen Raum und mitteln Sie alle zusammen.

Spiegeln Sie dies als Nächstes von links nach rechts und mitteln Sie die Bilder erneut, um die anfängliche Vorlage für die graue Substanz zu erstellen.

Führen Sie dann eine nichtlineare Transformation durch, um das Gehirn jedes Probanden wieder auf die Zahl der grauen Substanz zu registrieren und diese zusammen zu mitteln. Erstellen Sie eine gespiegelte Kopie dieses neuen Bildes, und mitteln Sie beide erneut zusammen, um eine endgültige, studienspezifische Vorlage für die graue Substanz zu erstellen.

Registrieren Sie nun das Gehirn jedes Probanden mit einer nichtlinearen Transformation bis zur letzten Figur der grauen Substanz und multiplizieren Sie mit einem Jacob-Maß dafür, wie viel Verzerrung durchgeführt wurde, um den Betrag zu kompensieren, um den Betrag zu kompensieren, um den jede Gehirnstruktur gedehnt wurde, um in den Vorlagenraum zu passen.

Glätten Sie anschließend die Daten mit einem Gaußschen Kern mit einem halben Maximum von 10 mm in voller Breite, um die Überlappung ähnlicher Hirnvoxel bei allen Probanden zu erhöhen.

Wenn die Vorverarbeitung abgeschlossen ist, modellieren Sie jede Gruppe von Gehirnen mit einem separaten Regressor. Berechnen Sie einen Kontrast, der die beiden Gruppen vergleicht, um statistische Karten zu erstellen, die die Wahrscheinlichkeit von Unterschieden an jedem Voxel quantifizieren.

Führen Sie abschließend eine Korrekturtechnik für Mehrfachvergleiche durch, z. B. eine False Discovery Rate mit einem q-Wert von 0,01, um die Tausenden von gleichzeitig durchgeführten statistischen Tests zu kontrollieren. Mit diesem Wert wird die Rate falsch positiver Ergebnisse über einem Schwellenwert von 1 % geschätzt.

Hier zeigte die VBM-Analyse signifikante bilaterale Erhöhungen der Dichte der grauen Substanz im oberen Schläfenlappen der Musiker? Gehirne im Vergleich zu den Kontrollen. Der größte Unterschied zeigte sich auf der rechten Seite, und dies betraf den hinteren Teil des Gyrus Heschl, die Position des primären auditorischen Kortex.

Nachdem Sie nun mit der Verwendung von VBM zur Untersuchung der Neuroanatomie vertraut sind, schauen wir uns an, wie Forscher diese Technik verwenden, um strukturelle Unterschiede in anderen Populationen zu untersuchen.

Während viele Aufgaben, die intensives Training und Erfahrung erfordern, mit einer Zunahme des Volumens der grauen Substanz verbunden sind, ist diese Vergrößerung nicht immer bei allen Arten von erlernten Fähigkeiten der Fall, wie z. B. im Gehirn eines erfahrenen Schachspielers.

Im Vergleich zu Kontrollen war das Volumen der grauen Substanz im okzipito-temporalen Übergang reduziert, einem Bereich, der für die Objekterkennung wichtig ist. Solche Ergebnisse führen zu einer interessanten Anomalie, die Wissenschaftlern helfen könnte, besser zu verstehen, wie das kortikale Volumen mit der Leistung bei anspruchsvollen Aufgaben zusammenhängt.

Personen, die von Geburt an blind sind, haben im Vergleich zu Kontrollpersonen oft ein kleineres Volumen der grauen Substanz in ihrer visuellen Rinde. Interessanterweise haben Forscher durch den Einsatz von VBM eine signifikante Vergrößerung in Bereichen des Gehirns entdeckt, die nicht für das Sehen verantwortlich sind, wie z. B. der auditorische Kortex, der doppelt so groß war wie bei sehenden Kontrollen.

Diese strukturellen Unterschiede können als anatomische Grundlage dienen, um zu erklären, warum andere Sinne bei blinden Menschen geschärft sind.

Darüber hinaus zeigen strukturelle MRT- und VBM-Analysen bei medikamentös behandelten Patienten mit Major Depression ebenfalls Unterschiede im Volumen der grauen Substanz im Vergleich zu Kontrollen.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass diese Patienten ein verringertes Volumen der grauen Substanz im frontalen Kortex und in der Insula aufwiesen, was erklären könnte, warum depressive Patienten Schwierigkeiten haben, negative Gefühle sich selbst und anderen gegenüber kognitiv zu kontrollieren.

Sie haben gerade das Video von JoVE über voxelbasierte Morphometrie gesehen. Jetzt sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man anatomische Bilder mit Hilfe der MRT sammelt und wie man Unterschiede in der Intensität der grauen Substanz in Regionen des auditorischen Kortex analysiert und interpretiert. Sie sollten auch gelernt haben, dass nicht alle Fachgebiete zu einer Zunahme der kortikalen Dichte führen.

Danke fürs Zuschauen!