Medición de las diferencias de materia gris con Morfometría basada en Voxel: el cerebro Musical

Nuestros cerebros están moldeados por experiencias, lo que resulta en cambios en el volumen cortical.

Por ejemplo, se ha demostrado que ciertas competencias, como el aprendizaje y el dominio de un segundo idioma, aumentan la densidad de la materia gris, donde residen los cuerpos celulares, particularmente en estructuras como el lóbulo frontal.

Antes de los avances modernos, para medir el tamaño de un área en particular, los científicos tenían que rastrear minuciosamente la región de interés, una tarea muy tediosa. Ahora, existen técnicas de neuroimagen más sensibles, conocidas como morfometría basada en vóxeles, VBM, para capturar pequeñas diferencias volumétricas en la neuroanatomía.

Basado en trabajos previos de Gaser y Shlaug, así como de Bermúdez y colegas, este video demuestra cómo recolectar imágenes de resonancia magnética estructural y usar VBM para identificar los valores de intensidad de vóxeles en los cerebros de individuos con diferentes experiencias, músicos expertos en comparación con aquellos con una formación muy limitada, así como en otros casos de experiencia, como el ajedrez.

En este experimento, se pide a dos grupos de participantes, músicos entrenados formalmente y controles sin tal entrenamiento, que se acuesten en un escáner de resonancia magnética mientras se recogen imágenes estructurales de sus cerebros.

A continuación, se pueden definir regiones particulares mediante un enfoque automatizado, basado en la intensidad de los píxeles volumétricos, llamados vóxeles. Por ejemplo, los cúmulos muy brillantes indican la ubicación de haces de fibras de materia blanca, mientras que los vóxeles más oscuros corresponden a áreas con materia gris densa.

Siguiendo esta segmentación para cada cerebro, las imágenes se transforman y se registran en un atlas estándar, que es un espacio común para permitir comparaciones entre sujetos.

A menudo, este proceso de registro puede estirar una imagen, lo que hace que algunas estructuras parezcan tener más materia gris de la que realmente tienen.

Por lo tanto, la plantilla debe multiplicarse por una medida de cuánto deformación se ha realizado, llamada un determinante jacobiano, para compensar el estiramiento repetido, y luego se suavizan todas las diferencias groseras en la anatomía.

Después de aplicar las transformaciones, la variable dependiente se calcula como las diferencias en la densidad de la materia gris entre los músicos. cerebros en comparación con los controles no músicos.

Debido al aumento del uso del procesamiento auditivo complejo en músicos hábiles, se espera que este grupo muestre una mayor densidad de materia gris en las regiones auditivas del cerebro, como el lóbulo temporal superior y la circunvolución de Heschl, en comparación con el grupo de control.

Antes del experimento, recluta a 40 músicos que practiquen activamente cualquier instrumento 1 hora al día y tengan al menos 10 años de formación musical formal, así como a 40 controles no músicos que tengan poca o ninguna formación adecuada.

El día de su escaneo, salude a cada participante en el laboratorio y verifique que cumplan con los requisitos de seguridad mientras completan los formularios de consentimiento necesarios.

Consulte otro proyecto de resonancia magnética funcional de esta colección para obtener más detalles sobre cómo preparar a las personas para ingresar a la sala de escaneo y al orificio del escáner.

Ahora, indique al participante que se quede quieto en el escáner y comience a escanear todo el cerebro mediante la recolección de una secuencia anatómica de alta resolución ponderada en T1, como el eco de gradiente rápido preparado para magnetización con vóxeles isótropos de 1 mm.

Siguiendo el protocolo de recolección de imágenes, descarte al participante e inicie el análisis.

Para comenzar el preprocesamiento, aísle el cerebro del cráneo para cada escaneo y verifique la calidad de la extracción.

Para este estudio, cree una plantilla específica de materia gris segmentando primero el cerebro de cada sujeto en materia blanca y gris y líquido cefalorraquídeo, LCR, en función de la intensidad de cada vóxel. Tenga en cuenta que el software distingue automáticamente los vóxeles brillantes como materia blanca, los vóxeles oscuros como materia gris y las áreas dentro de los ventrículos como LCR.

Realizar una transformación afín lineal con 12? de libertad, para registrar el cerebro de cada sujeto en un espacio atlas estándar. Deforma la imagen de materia gris de cada sujeto en este espacio y promediarlas todas juntas.

A continuación, refleje esto de izquierda a derecha y, una vez más, promedie las imágenes juntas para producir la plantilla inicial de materia gris.

A continuación, realiza una transformación no lineal para volver a registrar el cerebro de cada sujeto en la figura de materia gris, y promediarlos juntos. Cree una copia reflejada de esta nueva imagen y, una vez más, promedie las dos juntas para producir una plantilla final de materia gris específica para el estudio.

Ahora registra el cerebro de cada sujeto en la última cifra de materia gris usando una transformación no lineal, y multiplícalo por una medida jacobiana de cuánto deformación se ha hecho para compensar la cantidad de estiramiento que cada estructura cerebral se ha estirado para ajustarse al espacio de la plantilla.

Posteriormente, suaviza los datos utilizando un kernel gaussiano con un máximo de 10 mm para aumentar la superposición de vóxeles cerebrales similares en todos los sujetos.

Una vez completado el preprocesamiento, modele cada grupo de cerebros con un regresor independiente. Calcule un contraste que compare los dos grupos para generar mapas estadísticos que cuantifiquen la probabilidad de diferencias en cada vóxel.

Por último, realizar una técnica de corrección de comparaciones múltiples, como una tasa de falsos descubrimientos con un valor q de 0,01, para controlar los miles de pruebas estadísticas simultáneas realizadas. Este valor estimará la tasa de falsos positivos por encima de un umbral del 1%.

Aquí, el análisis VBM reveló aumentos bilaterales significativos en la densidad de materia gris en el lóbulo temporal superior de los músicos. cerebros en comparación con los controles. La mayor diferencia se mostró en el lado derecho, y esto incluyó la porción posterior de la circunvolución de Heschl, la ubicación de la corteza auditiva primaria.

Ahora que ya sabes cómo utilizar la VBM para estudiar la neuroanatomía, vamos a ver cómo los investigadores utilizan esta técnica para estudiar las diferencias estructurales en otras poblaciones.

Si bien muchas tareas que implican un entrenamiento y una experiencia intensos se asocian con aumentos en el volumen de materia gris, este aumento no siempre es el caso para todos los tipos de habilidades aprendidas, como en el cerebro de un jugador de ajedrez experimentado.

En comparación con los controles, el volumen de materia gris se redujo en la unión occipito-temporal, un área importante para el reconocimiento de objetos. Tales hallazgos dan como resultado una anomalía interesante que puede ayudar a los científicos a comprender mejor cómo el volumen cortical se relaciona con el rendimiento en tareas exigentes.

Las personas ciegas de nacimiento a menudo tienen un volumen de materia gris más pequeño en su corteza visual en comparación con los controles. Curiosamente, a través del uso de VBM, los investigadores han descubierto un agrandamiento significativo en áreas del cerebro que no son responsables de la visión, como la corteza auditiva, que era el doble del tamaño encontrado en los controles videntes.

Estas diferencias estructurales pueden servir como base anatómica para explicar por qué otros sentidos se intensifican en las personas ciegas.

Además, la resonancia magnética estructural y el análisis de VBM en pacientes con trastorno depresivo mayor que no han recibido medicación nunca indican diferencias en los volúmenes de materia gris en comparación con los controles.

Los científicos descubrieron que estos pacientes tenían un volumen disminuido de materia gris en la corteza frontal y la ínsula, lo que puede explicar por qué los pacientes deprimidos tienen dificultades con el control cognitivo sobre los sentimientos negativos hacia sí mismos y hacia los demás.

Acabas de ver el vídeo de JoVE sobre la morfometría basada en vóxeles. Ahora bien, debería tener una buena comprensión de cómo recopilar imágenes anatómicas mediante resonancia magnética, así como de cómo analizar e interpretar las diferencias en la intensidad de la materia gris en regiones de la corteza auditiva. También debería haber aprendido que no todas las áreas de especialización conducen a aumentos en la densidad cortical.

¡Gracias por mirar!