1. לגייס 40 מוזיקאים ו-40 לא מוזיקאים.
2. הליכי טרום סריקה
3. שים את המשתתף בסורק.
4. איסוף נתונים
5. ניתוח נתונים

איור 1: יצירת תבנית חומר אפור ספציפית למחקר. באמצעות טרנספורמציות לינאריות ולא ליניאריות איטרטיביות, כל מוח רשום למרחב משותף וממוצע יחד כדי ליצור מוח תבנית חומר אפור ספציפי למחקר.
מקור: מעבדות של ג'ונאס ט. קפלן ושרה גימבל – אוניברסיטת דרום קליפורניה
הניסיון מעצב את המוח. מובן היטב שהמוחות שלנו שונים כתוצאה מלמידה. בעוד שינויים רבים הקשורים לחוויה באים לידי ביטוי ברמה המיקרוסקופית, למשל על ידי התאמות נוירוכימיות בהתנהגות של נוירונים בודדים, אנו עשויים גם לבחון שינויים אנטומיים במבנה המוח ברמה מקרוסקופית. דוגמה מפורסמת אחת לשינוי מסוג זה נובעת ממקרהם של נהגי המוניות בלונדון, אשר יחד עם לימוד המסלולים המורכבים של העיר מראים נפח גדול יותר בהיפוקמפוס, מבנה מוח הידוע כממלא תפקיד בזיכרון הניווט. 1
שיטות מסורתיות רבות לבחינת האנטומיה של המוח דורשות מעקב קפדני אחר אזורים אנטומיים בעלי עניין על מנת למדוד את גודלם. עם זאת, באמצעות טכניקות דימות מוחי מודרניות, אנו יכולים כעת להשוות את האנטומיה של המוחות בין קבוצות של אנשים באמצעות אלגוריתמים אוטומטיים. בעוד שטכניקות אלה אינן נהנות מהידע המתוחכם שנוירואנטומיסטים אנושיים עשויים להביא למשימה, הן מהירות ורגישות להבדלים קטנים מאוד באנטומיה. בתמונת תהודה מגנטית מבנית של המוח, עוצמתו של כל פיקסל נפחי, או ווקסל, מתייחסת לצפיפות החומר האפור באזור זה. לדוגמה, בסריקת MRI משוקללת T1, voxels בהיר מאוד נמצאים במקומות שבהם יש חבילות סיבי חומר לבן, בעוד voxels כהה יותר מתאים לחומר אפור, שבו גופי התא של נוירונים שוכנים. הטכניקה של כימות והשוואת מבנה המוח על בסיס ווקסל-על-ידי-voxel נקראת מורפומטריה מבוססת ווקסל, או VBM. 2 ב- VBM, אנו רושמים תחילה את כל המוחות למרחב משותף, מחליקים על כל הבדלים גסים באנטומיה. לאחר מכן אנו משווים את ערכי האינטנסיביות של הווקסלים כדי לזהות הבדלים בקנה מידה קטן ומקוונים בצפיפות החומר האפור.
בניסוי זה, אנו להדגים את טכניקת VBM על ידי השוואת המוחות של מוזיקאים עם אלה של שאינם מוזיקאים. מוזיקאים עוסקים באימונים מוטוריים, חזותיים ואקוסטיים אינטנסיביים. יש עדויות ממקורות רבים כי המוחות של אנשים שעברו הכשרה מוזיקלית שונים מבחינה תפקודית ומבנית מאלה שלא. כאן, אנחנו עוקבים אחרי גאסר ושלאג3 וברמודז ואח'. 4 בשימוש VBM כדי לזהות הבדלים מבניים אלה במוחם של מוזיקאים.
1. לגייס 40 מוזיקאים ו-40 לא מוזיקאים.
2. הליכי טרום סריקה
3. שים את המשתתף בסורק.
4. איסוף נתונים
5. ניתוח נתונים

איור 1: יצירת תבנית חומר אפור ספציפית למחקר. באמצעות טרנספורמציות לינאריות ולא ליניאריות איטרטיביות, כל מוח רשום למרחב משותף וממוצע יחד כדי ליצור מוח תבנית חומר אפור ספציפי למחקר.
המוח שלנו מעוצב על ידי חוויות, וכתוצאה מכך שינויים בנפח קליפת המוח.
לדוגמה, מיומנויות מסוימות, כמו לימוד ושליטה בשפה שנייה, הוכחו כמגבירות את צפיפות החומר האפור, שבו שוכנים גופי התאים, במיוחד במבנים כמו האונה הקדמית.
לפני ההתקדמות המודרנית, כדי למדוד את גודלו של אזור מסוים, מדענים היו צריכים לעקוב בקפידה אחר אזור העניין - משימה מייגעת מאוד. כעת, טכניקות הדמיה נוירולוגיות רגישות יותר - הידועות כמורפומטריה מבוססת ווקסל, VBM - קיימות כדי ללכוד הבדלים נפחיים קטנים בנוירואנטומיה.
בהתבסס על עבודות קודמות של גאזר ושלוג, כמו גם של ברמודז ועמיתיו, סרטון זה מדגים כיצד לאסוף תמונות תהודה מגנטית מבנית ולהשתמש ב-VBM כדי לזהות את ערכי העוצמה של ווקסלים במוחם של אנשים עם חוויות שונות - מוזיקאים מומחים בהשוואה לאלה עם הכשרה מוגבלת מאוד - כמו גם במקרים אחרים של מומחיות. כגון משחק שחמט.
בניסוי זה, שתי קבוצות של משתתפים - מוזיקאים בעלי הכשרה פורמלית וביקורת ללא הכשרה כזו - מתבקשים לשכב בסורק MRI בזמן שנאספות תמונות מבניות של מוחם.
לאחר מכן ניתן להגדיר אזורים מסוימים באמצעות גישה אוטומטית, המבוססת על עוצמת הפיקסלים הנפחיים, הנקראים ווקסלים. לדוגמה, צבירים בהירים מאוד מציינים את מיקומם של צרורות סיבי חומר לבן, בעוד שווקסלים כהים יותר מתאימים לאזורים עם חומר אפור צפוף.
בעקבות פילוח זה עבור כל מוח, התמונות עוברות טרנספורמציה, הרשומות לאטלס סטנדרטי, שהוא מרחב משותף המאפשר השוואות בין נבדקים.
לעתים קרובות, תהליך הרישום הזה יכול למתוח תמונה, מה שגורם למבנים מסוימים להיראות כאילו יש להם יותר חומר אפור ממה שיש להם באמת.
לכן, יש להכפיל את התבנית במדד של כמה עיוות נעשה, הנקרא דטרמיננטה יעקובינית, כדי לפצות על המתיחה החוזרת ונשנית, ואז כל ההבדלים הגסים באנטומיה מוחלקים.
לאחר החלת הטרנספורמציות, המשתנה התלוי מחושב כהבדלים בצפיפות החומר האפור בין מוזיקאים? מוחות בהשוואה לקבוצת ביקורת שאינה מוזיקאית.
בשל השימוש המוגבר בעיבוד שמיעתי מורכב אצל מוזיקאים מיומנים, צפוי שקבוצה זו תראה צפיפות חומר אפור מוגברת באזורי מוח שמיעתיים, כגון האונה הרקתית העליונה ופיתול השל, בהשוואה לקבוצת הביקורת.
לפני הניסוי, גייסו 40 מוזיקאים המתרגלים באופן פעיל כל כלי שעה ביום ויש להם לפחות 10 שנים של הכשרה מוזיקלית פורמלית, כמו גם 40 בקרים שאינם מוזיקאים שיש להם מעט או ללא הכשרה מתאימה.
ביום הסריקה, ברכו כל משתתף במעבדה וודאו שהוא עומד בדרישות הבטיחות כשהם ממלאים את טפסי ההסכמה הדרושים.
אנא עיין בפרויקט fMRI אחר באוסף זה לפרטים נוספים על אופן הכנת אנשים לכניסה לחדר הסריקה ולקידוח הסורק.
כעת, הנחו את המשתתף לשכב בשקט בסורק, ולהתחיל לסרוק את כל המוח על ידי איסוף רצף אנטומי ברזולוציה גבוהה ומשוקלל T1 כגון Magnetization Ready-Rapid Gradient Echo עם ווקסלים איזוטרופיים של 1 מ"מ.
בהתאם לפרוטוקול איסוף התמונות, שחרר את המשתתף והתחל בניתוח.
כדי להתחיל בעיבוד מקדים, בודדו את המוח מהגולגולת עבור כל סריקה ובדקו את איכות ההפשטה.
עבור מחקר זה, צרו תבנית חומר אפור ספציפית על ידי פילוח המוח של כל נבדק לחומר לבן ואפור ולנוזל עמוד השדרה המוח, CSF, על סמך העוצמה של כל ווקסל. שימו לב, התוכנה מבחינה אוטומטית בין ווקסלים בהירים כחומר לבן, ווקסלים כהים כחומר אפור ואזורים בתוך החדרים כ-CSF.
לבצע טרנספורמציה אפינית ליניארית עם 12? של חופש, לרשום את מוחו של כל נבדק למרחב אטלס סטנדרטי. עיוות תמונת החומר האפור של כל נושא לתוך המרחב הזה, וממוצע של כולם יחד.
לאחר מכן, שקפו זאת משמאל לימין, ושוב, ממוצע את התמונות יחד כדי לייצר את תבנית החומר האפור הראשונית.
לאחר מכן, בצעו טרנספורמציה לא ליניארית כדי לרשום מחדש את המוח של כל נבדק לצורת החומר האפור, וממוצע אותם יחד. צור עותק מראה של התמונה החדשה הזו, ושוב ממוצע של השניים יחד כדי ליצור תבנית חומר אפור סופית, ספציפית למחקר.
כעת רשמו את המוח של כל נבדק לנתון החומר האפור האחרון באמצעות טרנספורמציה לא ליניארית, והכפילו במדד יעקוביאני של כמות העיוות שבוצעה כדי לפצות על הכמות שכל מבנה מוח נמתח כדי להתאים לחלל התבנית.
לאחר מכן, החליקו את הנתונים באמצעות גרעין גאוס עם חצי רוחב מלא מקסימום של 10 מ"מ כדי להגדיל את החפיפה של ווקסלים דומים במוח על פני כל הנבדקים.
לאחר השלמת העיבוד המקדים, דגמו כל קבוצת מוחות עם רגרסור נפרד. חשב ניגוד המשווה בין שתי הקבוצות כדי ליצור מפות סטטיסטיות המכמתות את הסבירות להבדלים בכל ווקסל.
לבסוף, בצע טכניקת תיקון השוואות מרובות, כגון שיעור גילוי שווא עם ערך q של 0.01, כדי לשלוט באלפי הבדיקות הסטטיסטיות שבוצעו בו זמנית. ערך זה יעריך את שיעור התוצאות החיוביות השגויות מעל סף של 1%.
כאן, ניתוח ה-VBM חשף עליות דו-צדדיות משמעותיות בצפיפות החומר האפור באונה הרקתית העליונה של המוזיקאים? מוחות בהשוואה לקבוצת הביקורת. ההבדל הגדול ביותר הוצג בצד ימין, וזה כלל את החלק האחורי של פיתול השל, המיקום של קליפת המוח השמיעתית הראשונית.
כעת, כשאתם מכירים כיצד להשתמש ב-VBM כדי לחקור נוירואנטומיה, בואו נסתכל כיצד חוקרים משתמשים בשיטה הזו כדי לחקור הבדלים מבניים באוכלוסיות אחרות.
בעוד שמשימות רבות הכוללות אימון וניסיון אינטנסיביים קשורות לעלייה בנפח החומר האפור, הגדלה זו אינה תמיד המקרה עבור כל סוגי מערכי המיומנויות הנלמדים, כמו במוחו של שחקן שחמט מנוסה.
בהשוואה לביקורת, נפח החומר האפור הצטמצם בצומת העורפי-טמפורלי, אזור חשוב לזיהוי אובייקטים. ממצאים כאלה מביאים לאנומליה מעניינת שעשויה לעזור למדענים להבין עוד יותר כיצד נפח קליפת המוח קשור לביצועים במשימות תובעניות.
לאנשים עיוורים מלידה יש לעתים קרובות נפח חומר אפור קטן יותר בקליפת המוח הראייתית שלהם בהשוואה לקבוצת ביקורת. באופן מעניין, באמצעות השימוש ב-VBM, חוקרים גילו הגדלה משמעותית באזורים במוח שאינם אחראים על הראייה, כמו קליפת המוח השמיעתית, שגודלה היה כפול מגודלה של קבוצת ביקורת רואה.
הבדלים מבניים אלה עשויים לשמש בסיס אנטומי להסביר מדוע חושים אחרים מוגברים אצל אנשים עיוורים.
יתר על כן, ניתוח MRI מבני ו-VBM בחולים עם הפרעת דיכאון מג'ורי מצביעים גם על הבדלים בנפח החומר האפור בהשוואה לביקורת.
מדענים מצאו כי לחולים אלה הייתה ירידה בנפח החומר האפור בקליפת המוח הקדמית ובאינסולה, מה שעשוי להסביר מדוע לחולים מדוכאים יש קושי בשליטה קוגניטיבית על רגשות שליליים כלפי עצמם וכלפי אחרים.
זה עתה צפיתם בסרטון של JoVE על מורפומטריה מבוססת ווקסל. כעת אתם אמורים להבין היטב כיצד לאסוף תמונות אנטומיות באמצעות MRI, כמו גם כיצד לנתח ולפרש הבדלים בעוצמת החומר האפור באזורים בקליפת המוח השמיעתית. היית צריך גם ללמוד שלא כל תחומי ההתמחות מובילים לעלייה בצפיפות קליפת המוח.
תודה שצפית!
ניתוח VBM חשף עלייה מקומית משמעותית בצפיפות החומר האפור במוחם של מוזיקאים בהשוואה לשליטה שאינה מוזיקאית. הבדלים אלה נמצאו באונות הטמפורליות העליונות משני הצדדים. האשכול הגדול והמשמעותי ביותר היה בצד ימין וכולל את החלק האחורי של הג'ירוס של הש"ל (איור 2). הג'ירוס של Heschl הוא המיקום של קליפת המוח השמיעתית העיקרית, וקליפת המוח שמסביב מעורבת בעיבוד שמיעתי מורכב. לפיכך, תוצאות אלה עולות בקנה אחד עם ממצאים קודמים של הבדלים מורפולוגיים בין מוזיקאים ולא מוזיקאים באזורי מוח שמיעת...
לטכניקת VBM יש פוטנציאל להדגים הבדלים מקומיים בחומר האפור בין קבוצות של אנשים, או בשיתוף עם מדידה המשתנה על פני קבוצה של אנשים. בנוסף למציאת הבדלים מבניים הקשורים לצורות שונות של אימון, טכניקה זו עשויה לחשוף הבדלים אנטומיים הקשורים לתנאים נוירופסיכולוגיים רחבים כגון דיכאון,5 דיסלקציה,6 או סכיזופרניה. 7
חשוב לציין כי ישנם הסברים מרובים לקיומם של הבדלים בין קבוצות באנטומיה של המוח. לדוגמה, במקרה של מוזיקאים, יכולה להיות הטיה של בחירה עצמית. אנו עשויים למצוא הבדלי...
Chapters in this video
0:00
Overview
1:19
Experimental Design
3:04
Running the Experiment
4:08
Data Analysis and Results
6:53
Applications
8:44
Summary
Videos from this collection: