Probing the Brain in Autism mittels fMRT und Diffusion Tensor Imaging

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die Verbindungen zwischen Gehirnbereichen zu untersuchen, die für die soziale Kognition bei Autismus wichtig sind. Unter Verwendung von funktioneller MRT und Diffusions-Tensor-Bildgebung des Gehirns bei Kindern und Erwachsenen mit Autismus wird dies erreicht, indem geeignete FMRI-Experimente entworfen und dann autistische Teilnehmer rekrutiert werden. Die Teilnehmer müssen angemessen auf den Eingriff vorbereitet werden, um qualitativ hochwertige, funktionelle und strukturelle Bilder des Gehirns zu erhalten.

Die funktionellen Experimente werden dem Teilnehmer im MRT-Scanner präsentiert, während er eine vorgegebene Aufgabe ausführt. Die aufgenommenen MRT-Bilder ergeben für jedes Experiment eine relativ große Datenmenge. Die erfassten Neuroimaging-Daten werden auf den Computerserver des Labors übertragen, dann vorverarbeitet und durch die Erstellung von Modellen einer statistischen Analyse unterzogen.

Neben der grundlegenden Hirnaktivierungsanalyse wird die funktionelle und anatomische Konnektivität bei Autismus- und Kontrollteilnehmern untersucht. FMRI. Es werden Ergebnisse erzielt, die eine verminderte Aktivierung und eine schwächere funktionelle Konnektivität während der sozialen Kognition bei autistischen Probanden zeigen. Darüber hinaus weist die DTI-Datenanalyse auf eine abnormale Integrität der weißen Substanz bei Autismus hin.

Diese Methode kann wichtige Fragen zur Gehirnorganisation und Gehirnfunktion bei Autismus-Spektrum-Störungen und möglicherweise eines Tages beantworten. Dies kann dazu führen, dass ein neurologischer Marker für Autismus identifiziert wird. Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf die Therapie von Autismus, da die Identifizierung einer veränderten Konnektivität zwischen Gehirnregionen zur Entwicklung neuer Therapien führen könnte, die diese Verbindungen reparieren.

Obwohl diese Methode zur Beurteilung des autistischen Gehirns verwendet werden kann, kann sie auch in anderen Techniken verwendet werden, z. B. bei der Betrachtung anderer neurologischer Entwicklungsstörungen sowie bei der Entwicklung des typischen Gehirns. Denn es ist schwierig, Kindern mit Autismus den MRT-Scanner vorzustellen, da es sich um eine laute Umgebung handelt, auf die sie empfindlich reagieren. Es ist ein kompakter und potenziell klaustrophobischer Raum, und das ist eine neuartige Umgebung. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend für die Vorbereitung eines Kindes mit Autismus.

Für FMRI kann das Scannen schwierig sein, und viele Menschen mit Autismus sind im Allgemeinen visuelle Denker. Dieses Verfahren wird von meinen Doktoranden aus meinem Labor, Donna Murdo, Lauren Libro, Mark Pennick und Heather Wadsworth, demonstriert. Vor der Aufnahme in die Studie sollten die potentiellen Teilnehmer und die Familie im Falle von Kindern zunächst telefonisch über die Studie informiert werden.

Dies sollte auch ein Screening umfassen, um sicherzustellen, dass der Teilnehmer die Einschlusskriterien für die Studie erfüllt. Falls geeignet, sollte der potenzielle Teilnehmer dann für eine MRT-Untersuchung an einem Tag und zu einer Uhrzeit rekrutiert werden, die sowohl für den Teilnehmer als auch für die Forscher und das Bildgebungszentrum geeignet sind. Senden Sie dem Probanden eine Kopie der Social Story über das MRT-Scan-Verfahren und eine CD-Aufnahme des Scannergeräuschs.

Diese sollten bei Kindern mit den Eltern besprochen werden, um die Studienabläufe vor dem Scan-Tag besser zu verstehen und den Probanden mit der MRT-Umgebung vertraut zu machen. Wenn der Teilnehmer und die Familie im Bildgebungszentrum ankommen, begrüßen Sie sie und beantworten Sie alle Fragen, die sie zur Studie und zum experimentellen Verfahren haben. Überprüfen Sie dann die IRB-Dokumente, bevor Sie eine Einwilligungserklärung einholen.

Als nächstes bringen Sie den Teilnehmer in einen ruhigen Raum für neuropsychologische Tests, einschließlich IQ, Sprachfähigkeit und Händigkeit. Lassen Sie die Teilnehmer dann kurze Versionen der Studienparadigmen auf einem Laptop üben, um sich mit den Experimenten vertraut zu machen. Sobald alle Tests und Übungen abgeschlossen sind, führen Sie den Teilnehmer zu einem simulierten MRT-Scanner und bieten Sie eine simulierte Erfahrung des MRT-Scan-Verfahrens.

Ein weiterer vorbereitender Schritt ist die Dekoration des MRT-Scanners im Bildgebungszentrum mit leicht ablösbaren Aufklebern und Bildern von Tieren und Zeichentrickfiguren, um die Scanumgebung kindgerechter zu gestalten. Wenn der Teilnehmer ins Bildgebungszentrum zurückkehrt, gönnen Sie sich eine kurze Pause und lassen Sie ihn dann einen MR-Sicherheitsfragebogen ausfüllen. Bevor Sie den Scanraum betreten, legen Sie alle Habseligkeiten in ein Schließfach und durchsuchen Sie die Leiche auf Metalle.

Sobald das Screening abgeschlossen ist, bringen Sie den Teilnehmer in den Scanraum und lassen Sie ihn oder sie auf dem Scannerbett sitzen, geben Sie Ohrstöpsel und Kopfhörer, bevor Sie den Probanden auf das Scannerbett legen lassen. Dann sollte ein MRT-Techniker die Mehrkanal-Kopfspule über den Kopf des Teilnehmers legen und den angebrachten Spiegel so einstellen, dass die auf dem Computerbildschirm angezeigten Bilder zu sehen sind. Decken Sie als Nächstes den Teilnehmer mit einer Decke ab und stellen Sie Antwortboxen für die linke und rechte Hand bereit, die während der FMRI-Aufgaben verwendet werden können.

Platzieren Sie den Notfall-Quetschball auch in Reichweite, damit der Proband signalisieren kann, ob er den Scanner verlassen möchte. Schließlich schiebt der MRT-Technologe das Scannerbett in die Scannerkugel und stellt sicher, dass sich das Motiv wohl fühlt, bevor er mit den Scans beginnt. Der Techniker beginnt die Scansitzung zunächst, indem er Localizer erwirbt, um sicherzustellen, dass der Kopf des Teilnehmers korrekt positioniert ist.

Anschließend wird ein hochauflösender Strukturscan erstellt, der für die Co-Registrierung und Normalisierung verwendet wird. In der anschließenden Analyse, um den Probanden zu unterhalten, kann der Forscher dem Teilnehmer während dieses Scans einen Filmclip präsentieren. Richten Sie als Nächstes die Bildgebungsparameter ein, die für den verwendeten Scanner und die verwendete Impulssequenz geeignet sind.

Der Forscher sollte den Technologen bei der Verschreibung der Schichten für die funktionelle Bildgebung unterstützen. Hier werden 17 Fünf-Millimeter-Scheiben in der schrägen Axialebene verschrieben, um eine maximale Abdeckung des gesamten Gehirns zu ermöglichen. Sprechen Sie nun durch das Mikrofon, um den Probanden wissen zu lassen, dass das Experiment gleich beginnt, und geben Sie Anweisungen für die Aufgabe, die ausgeführt wird.

Öffnen Sie auch die experimentelle Aufgabe auf dem Computer, die synchronisiert werden soll, um mit einem Trigger vom Scanner zu starten. Der Teilnehmer sollte einen Knopf drücken, um das Experiment zu starten, und der Scan, wenn er oder sie bereit ist, mit den experimentellen Aufgaben zu beginnen, einschließlich statischer und dynamischer visueller Reize sowie auditiver Reize, die hier über die ePrime-Software angezeigt und programmiert werden können. Achten Sie darauf, die Antworten der Teilnehmer zu überwachen, während sie aufgezeichnet und auf dem Computerbildschirm angezeigt werden.

Sprechen Sie nach dem ersten Experiment mit dem Teilnehmer und geben Sie ihm Feedback zur Aufgabenleistung und zur Kopfbewegung und bereiten Sie ihn auf das nächste Experiment vor, das durchgeführt wird. Wenn alle FMRI-Experimente abgeschlossen sind, sollte der Forscher den Probanden anweisen, einfach etwa 12 Minuten lang still zu liegen, da ein DTI-Scan aufgenommen wird, kann hier ein Ausschnitt eines Films zur Unterhaltung erneut gezeigt werden. Sobald der Scanvorgang abgeschlossen ist, nehmen Sie den Teilnehmer aus dem Scanner und lassen Sie ihn oder sie alle Gegenstände zurückholen, die möglicherweise im Schließfach abgelegt wurden.

Führen Sie ihn oder sie dann für eine kurze Nachbesprechung in einen ruhigen Raum. Fragen Sie den Teilnehmer während der Nachbesprechung nach seiner Leistung im Scanner, Feedback zum Schwierigkeitsgrad der Aufgaben sowie zu eventuell aufgetretenen Problemen oder Bedenken. Bedanken Sie sich auch bei dem Probanden für seine Teilnahme an der Studie.

In der Zwischenzeit hat der MR. Der Technologe sollte alle erfassten MRT- und DTI-Daten in ein HIPAA-geschütztes Computernetzwerk hochladen. Der Forscher kann sich dann später mit einem Passwort in dieses Netzwerk einloggen, um auf einen Forschungsserver zuzugreifen und diese auf einen Forschungsserver zu übertragen. Vor der Analyse sollten die erfassten Daten anonymisiert werden, indem alle identifizierbaren Informationen wie Name und Geburtsdatum aus dem Bildkopf entfernt werden.

Konvertieren Sie dann die Daten in ein raffiniertes Bildformat, um mit der Funktionsverarbeitung zu beginnen. Sowohl die Vor- als auch die Nachbearbeitung der Daten kann über Software wie Statistical Parametric Mapping oder SPM eight erfolgen. Die funktionale Konnektivität für eine gegebene Aufgabe sollte dann gemessen werden, indem zunächst die interessierenden Regionen gezeichnet und der Zeitverlauf des FMRI-Signals aus jedem ROI für jeden Teilnehmer extrahiert wird.

Korrelieren Sie dann das Signal von einem ROI mit dem anderen. Auch die anatomische Konnektivität kann mit den erfassten DTI-Daten und der FSL-Software untersucht werden. Die vorläufige Analyse mit einer solchen Software untersucht die Diffusion von Wasser im Gehirn und verwendet es als Index für die Integrität der weißen Substanz.

Eine weitere Analyse kann eine Traktographie der weißen Substanz beinhalten, bei der die Details über die Ausrichtung und Struktur des Trakts abgeleitet werden. Hier sind repräsentative Funktionskarten mit erhöhter Aktivierung zu sehen, wie sie bei einer typischen Sprachaufgabe wie dem Satzverständnis zu sehen ist. Aktivierungen treten im linken inferioren frontalen Gyrus und links posterior superior temporalis auf, eine erhöhte bilaterale Aktivierung des posterioren oberen temporalen Sulcus kann bei neurotypischen Teilnehmern während der Zuschreibung von mentalen Zuständen beobachtet werden.

Für andere sind diese Maps mit einem Schwellenwert P-Wert von weniger als 0,05 FWE korrigiert. Hier sehen wir Daten aus einer sozialen Kognitionsaufgabe bei Teilnehmern mit Autismus, die eine signifikant reduzierte funktionelle Konnektivität zeigen, was auf eine Synchronisation der Gehirnaktivierung zwischen frontalen und temporalen Regionen hinweist. Schließlich zeigt diese Abbildung die Ergebnisse der DTI-Traktographie, die ein Faserbündel der weißen Substanz zeigen, das vom Temporallappen bis zum temporalen parietalen Übergang verläuft.

Der ursprüngliche Ausgangspunkt für die Traktographie war ein ROI, der durch tracked based spatial statistics als signifikant kleiner eingestuft wurde FA-Wert bei jungen Erwachsenen mit Autismus im Vergleich zu altersangepassten typischen Kontrollteilnehmern. Die pädiatrische Bildgebung kann sehr schwierig sein, insbesondere bei Kindern mit Autismus, aber mit genügend Übung und Vorbereitung können diese Scantechniken erfolgreich durchgeführt werden. Beim Versuch, MRT-Scans mit einem Teilnehmer durchzuführen, insbesondere aber mit Kindern, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Erfahrung im Labor angenehm und positiv ist.

Die auf diese Weise gewonnenen Daten können zur Beantwortung neurowissenschaftlicher Fragen verwendet werden. Darüber hinaus kann man mit den richtigen Hypothesen und Analysen diese Informationen nutzen, um nicht nur etwas über das Gehirn, sondern auch über die Beziehung zwischen Gehirn und Verhalten zu lernen. Vergessen Sie nicht, dass der MRT-Scanprozess extrem empfindlich auf Bewegungen reagiert.

Darüber hinaus sollten Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um das gesamte Metall aus den Taschen der Teilnehmer und an ihrem Körper zu entfernen, bevor der Eingriff durchgeführt wird. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Neuroimaging erfolgreich einsetzen können, um Kinder im Allgemeinen und Kinder mit Entwicklungsstörungen wie Autismus zu untersuchen.