שיתוף ניתוח של מבנה המוח ותפקודו באמצעות fMRI ודיפוזיה משוקללת הדמיה

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לנתח בו זמנית את מבנה המוח ותפקודו באמצעות הדמיית תהודה מגנטית. זה מושג באמצעות MRI שדה גבוה כדי לדמות את מבנה החומר הלבן של המוח באמצעות הדמיית ספקטרום דיפוזיה או DSI ולמדוד את תפקוד המוח עם FMRI נועז. נתוני ה-DSI מעובדים לאחר מכן כדי לייצר הערכות דיפוזיה רב-כיווניות בכל נקודה במוח.

בנוסף, נתוני ה-FMRI מנותחים על מנת לייצר אזורי עניין לייצור או בחירה של סיבי חומר לבן וירטואליים. לאחר מכן, אזורי העניין מיושרים עם נתוני DSI, כך שנתונים פונקציונליים ומבניים נמצאים במרחב תמונה משותף. לבסוף, טרקטוגרפיה t מבוצעת על נתוני דיפוזיה על מנת להעריך מסלולי חומר לבן המחברים אזורי עניין תפקודיים מתקבלות תוצאות המראות את מידת הקישוריות האנטומית בין אזורי המוח המשוערים כמחוברים מבחינה תפקודית.

מבוסס על נתוני משימות FMRI. עדויות מתכנסות לאחרונה מצביעות על כך שפעולות קוגניטיביות מורכבות מבוצעות על ידי רשתות של אזורי מוח רבים הפועלים בתיאום ולא על ידי אזור יחיד אחד. על מנת להגדיר באופן מלא את המערכות החישוביות הללו, יש צורך להבין את הקשר בין התכונות הפונקציונליות והמבניות שלהן על ידי שילוב MRI פונקציונלי.

עם הדמיית MR משוקללת דיפוזיה, ניתן לבחון קישוריות רשת וכיצד היא מולידה התנהגות אנושית מורכבת. היתרון העיקרי של צינור MRI דיפוזיה זה על פני שיטות סטנדרטיות כמו הדמיית טנזור דיפוזיה הוא שהשילוב של הדמיה משוקללת דיפוזיה ברזולוציה זוויתית גבוהה ושחזור ללא מודל מאפשר לנו לפתור טוב יותר תצורות סיבים מורכבות במוח. ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על אפיון מצבים נוירופסיכולוגיים.

לדוגמא, פרוסופגנוזיה מולדת שבה אנשים מראים ליקוי בזיהוי פנים. באמצעות MRI דיפוזיה סטנדרטי, הוכח כי דרכי סיבי החומר הלבן הפרוקסימליים לאזורי העיבוד הפנימיים מושפלים בהשוואה לביקורת רגילה. על ידי שילוב MRI מבני ותפקודי ניתן לזהות ליקויים מבניים בסיבים, במיוחד צמתים מחברים ברשת עיבוד הפנים.

ניתן ליישם שיטה זו גם בהקשר קליני כגון תכנון נוירוכירורגי. מנתחים משתמשים במיפוי תפקודי כדי לזהות רקמת חומר אפור הקשורה לתפקודים קוגניטיביים חשובים על מנת למזער כל נזק מקרי במהלך הניתוח. עם מידע מבני נוסף כגון הדמיה משוקללת דיפוזיה, הם יכולים גם למזער את הנזק למבני החומר הלבן הקריטיים המחברים את האזורים הפונקציונליים הללו.

בדרך כלל, אדם חדש בשיטה זו יתקשה עם העובדה שלא קיימת חבילת תוכנה אחת לביצוע כל השלבים הדרושים של ההליך. לכן, על המשתמשים לעבור בין תוכניות מרובות תוך שמירה על פורמט תמונה משותף יחד עם כיוון ויישור עקביים. הפרוטוקול שלנו כולל הוראות מפורטות להדרכת המשתמשים בהליך זה.

ניתוחים מסוג זה הלוקחים בחשבון מבנה ותפקוד בשילוב הם הכחדה טבעית של ניסויי הדמיה פונקציונליים שזיהו אזורי מוח משותפים. במשימות מעניינות, רוב הגישות הקודמות לא הצליחו לספק מידע על קישוריות מבנית, וזה מה שאנו מוסיפים בגישה שלנו כאן בפרוטוקול זה. סורק שלוש טסלה של סימנס משמש לרכישת הדמיית ספקטרום דיפוזיה של 257 כיוונים או סריקת DSI עם סליל ראש מערך שלבים של 32 ערוצים, חוזק השדה הגבוה וסליל 32 ערוצים נדרשים כדי להשיג את האות לסריקה ברזולוציה זוויתית גבוהה זו.

שיטת ההדמיה המשוקללת של דיפוזיה הנפוצה ביותר היא הדמיית טנזור דיפוזיה או DTI באמצעות סריקה של חמש עד 10 דקות המודדת בדרך כלל 64 כיוונים או פחות. מגבלה של DTI היא הקושי שלה לפתור, להצליב ולנשק סיבים, אשר מזוהים טוב יותר בשילוב של שיטות רכישה ושחזור ברזולוציה גבוהה כגון DS. אציין שפרוטוקול DSI דורש כ-45 עד 50 דקות של הדמיה, וכי לא ניתן ליישם תיקון תנועה על נתוני DSI. לכן, רצוי למזער את התנועה באמצעות מוטות נשיכה, ריפוד קצף או טכניקות ייצוב אחרות, וכדי להשתמש במשתתפים מאומנים מאוד, נדרש ציוד נוסף ל-FMRI מבוסס משימות, כגון תצוגה תואמת MR ומערכת תגובת כפתורים.

לפני הסריקה, הקפד לקבל הסכמה מדעת ולסנן מציאות משולבת. התוויות. לאחר מכן תדרך את המשתתף על אופי הסריקות שיש לבצע, תוך הדגשת הצורך להישאר דומם במהלך סריקת ה-DSI. ברגע שהמשתתף מוכן להתחיל לייצב בנוחות את ראשו של המשתתף ולאחר מכן להחליק את המיטה לתוך הסורק, בצע סריקות וכיול ראשוניים.

לאחר מכן יישרו את הפרוסות לסריקת DSI לקומיסורים הקדמיים והאחוריים, וודאו שהפרוסות לסריקת DSI מכסות את כל ריצת המוח. ה-DSI סורק בזמן שהנושא נרגע בסורק או צופה בסרט במערכת המצגת. לאחר סריקת ה-DSI, אסוף סריקה אנטומית משוקללת T one לשימוש מאוחר יותר ברישום משותף של נתוני ה-DSI עם נתונים אנטומיים או פונקציונליים אחרים באותה סשן סריקה או בנפרד.

רכוש גם נתוני FMRI מבוססי משימות לסריקה פונקציונלית של משימות התנהגותיות. הנחו את הנבדקים לעקוב אחר המסך לאיתור גירויים רלוונטיים למשימה ולפי הצורך. אם FMRI מבוצע ביום נפרד, קבל סריקה אנטומית משוקללת נוספת של T אחד.

גישת עיבוד זו משתמשת בניתוח מבוסס פני השטח של נתוני FMRI כדי ליצור החזר ROI לטרקטוגרפיה ומאפשרת הדמיה טובה יותר של התכתבויות בין נקודות קצה טרקטוגרפיות לבין החזר ROI פונקציונלי. כדי להתחיל בעיבוד, ראשית, יש להגיש את התמונה המשוקללת T שנרכשה לאלגוריתם אוטומטי של גולשים חופשיים, המבצע פילוח אנטומי של חומר אפור ולבן ושחזור פני השטח של קורטיקו. הפלט כולל גם גרסה מעובדת של הנפח האנטומי שממנו נוצרו המשטחים, המכונה נפח פני השטח.

לאחר מכן יש לעבד מראש נתוני FMRI באקנה. לאחר מכן ייבא את פלט הגולש החינמי לתוכנת summa a acne ומפה נתונים פונקציונליים מעובדים מראש על משטחים שנוצרו. נתח נתוני FMRI כדי ליצור מפות סטטיסטיות שמהן ניתן ליצור החזר ROI מוגדר פונקציונלית עבור טרקטוגרפיה T.

לאחר מכן הרחב את ההחזר על ההשקעה הפונקציונלי מבוסס פני השטח לחומר לבן על ידי הרחבה כדי למקסם את המגע עם קווי היעילות במהלך הטרקטוגרפיה. לבסוף, הפוך את החזר ה-ROI המורחב מקואורדינטות משטח לנפח והוצא כקבצים מגניבים לעיבוד נתוני הדיפוזיה. ראשית, זהה אילו תמונות DICOM במערך הנתונים תמונות B אפס או קו בסיס אחרות, והמר אותן לפורמט מגניב.

בשלב הבא בסטודיו DSI, פתח את תמונות DSI DICOM ושלב כדי ליצור קובץ מקור ולספק טבלת שיפוע. לאחר מכן, החל את מסיכת השחזור המוגדרת כברירת מחדל על תמונת הבסיס וודא שהיא מקיפה את כל החומר האפור מבלי לכלול שטח ריק, גולגולת או רקמה שאינה מוחית. ערוך את המסיכה הדרושה.

בחר מודל שחזור ברזולוציה גבוהה באמצעות שונות A-D-S-I-G-Q-I או GQI כאן. נעשה שימוש באפשרות GQI. לאחר מכן צור קובץ מידע סיבים כדי לייצג את כיווני הדיפוזיה העיקריים בכל נפח.

יש להפוך את ההחזר על ההשקעה הפונקציונלי הבא למרחב DSI. השתמש ב-apni כדי ליישר את תמונת האפס של DSIB לנפח פני השטח האנטומי בפורמט המגניב. הפוך את מטריצת הטרנספורמציה של 12 נקודות ALINE שהתקבלה באמצעות מחצלת החתול של תוכנית אקנה.

לאחר מכן החל את המטריצה ההפוכה על החזר ROI פונקציונלי כדי להפוך אותם למרחב DSI. מעקב אחר סיבים עם זרע מוח שלם הוא דרך מהירה ויעילה להעריך את איכות הנתונים הכוללת. זה גם מציג הזדמנות לקבוע ערכים עבור פרמטרים גלובליים כמו סף המעקב כדי להתחיל, ליצור אזור זרע מוח שלם.

לאחר מכן הגדר ערך סף מעקב ראשוני כדי להסוות ווקסלים של אות נמוך, כמו גם את סף הזווית. כמו כן, הגדר את גודל שלב המעקב במילימטרים ואת המספר הרצוי של סיבים או נקודות זרע. כעת בצע טרקטוגרפיה של כל המוח כדי לבדוק את איכות השחזור הכוללת של ODF.

לאחר מכן, מצאו סף מעקב אופטימלי על ידי ביצוע איטרטיבי של מעקב אחר כל המוח והתאמת סף המעקב. מצא סף שממקסם את שיעור הסיבים המגיעים לחומר אפור על ידי הדמיית חפיפה של טרקטוגרפיה של המוח כולו ומסכת חומר אפור במסלול, סיבים רועשים תוססים ממוזערים כאשר 90 עד 100% מהסיבים מגיעים לחומר אפור יתר על כן, בדוק שסף המעקב מסווה את הווקסל והחלל הריק. לדוגמא, הסדק האורכי מבלי להסיר ווקסל, שנמצא בבירור בחומר לבן כמסלול הצלבה, קבוצה של סיבי בקרה מהחזר ROI אנטומי בקוטב העורפי עם מספר רב של זרעים, למשל, 500, 000.

בדוק שהליך זה מייצר בערך את אותו מספר סיבים על פני מערכי נתונים כעת לאחר שנבחרו פרמטרי הטרקטוגרפיה האופטימליים. לאחר מכן, בצע טרקטוגרפיה מוגבלת של החזר ROI כדי לבחון השערות לגבי קישוריות בין אזורי מוח מוגדרים תפקודית. התחל בטעינת קובץ ה-fib וצור אזור זרע מוח שלם ב-DSI Studio לאחר מכן טען קובץ מגניב אחד או יותר של אזור עניין מוגדר פונקציונלית, והגדר אותם כ-ROIs במגדירי אזורי DSI Studio.

החזר ROI ידרוש קווי ייעול כדי לעבור דרכם, להגדיר את סף המעקב והזווית באמצעות פרמטרים שעברו אופטימיזציה ולבצע מעקב. לבסוף, שמור את פלט הטרקטוגרפיה כקבצי TRK. לאחר מכן, בצע ניתוח צפיפות נקודות קצה, שיכול למדוד התכתבויות קישוריות מבניות עם מיקומים מרחביים מדויקים של הפעלה פונקציונלית מבוססת משימה.

כדי להתחיל לטעון את קבצי ה-ROI וה-TRK המגניבים לתוכנת מעקב fz, בצע פעולות בוליאניות בין אזורים ושמור את התוצאות של כל פעולה כקובץ TRK חדש. השתמש בפונקציות ערכת הכלים של הדיפוזיה כדי להפוך מרחבית קבצי TRK ממרחב DSI לשטח נפח פני השטח על מנת להציג נתוני סיבים על גבי עומס תחתון אנטומי ברזולוציה גבוהה, קובץ TRK הטרנספורמציה ונפח פני השטח במסלול כדי לבדוק את התוצאות כמדד אחד לקישוריות. חשב את המספר הכולל של נקודות קצה סיבים בהחזר ROI מנורמל לפי נפח החזר ROI.

כאן אנו רואים המחשה של תוצאות אופטימליות ותת-אופטימליות באמצעות טרקטוגרפיה של המוח השלם. כל שלוש התמונות מבוססות על אותו מערך נתונים של DWI בכיוון 257 ממשתתף יחיד. תוצאות אופטימליות מוצגות כאן.

לעומת זאת, התוצאות שנראו כאן מראות את ההשפעה של פרמטרים טרקטוגרפיים מקלים מדי. כאן אנו רואים את הירידה באיכות הנובעת משימוש במודל טנזור יחיד כדי לשחזר את נתוני ה-DWI. באיור הזה אנו רואים דוגמה לאזורים שהופעלו במהלך מטלת תפיסת פנים שבה נצפו תמונות של פנים ואובייקטים יומיומיים.

בזמן שעברו סריקת FMRI של שני אזורים טמפורליים גחוניים באמצע, פיתול פיוזיפורמי ופיתול עורפי תחתון הראו תגובות נועזות יותר באופן משמעותי לפנים מאשר לעצמים. סצנת האיור כאן מראה את הקשרים בין קליפת המוח הראייה, אזורים חושיים ואזור של שליטה בקשב בקליפת המוח הקודקודית האחורית. פאנל זה מציג את המיקומים המשוערים של אזורי הזרעים V one, V two ו-V 3 באדום, ירוק וכחול בהתאמה.

אזור זרעי ה- PPC המסומן IPS אחד ומסלולי הסיבים המחברים את האזורים הללו נצבעים על ידי החזר ה- ROI העורפי שממנו הם יושבים. פאנל B מציג את האזורים המוגדרים פונקציונליות ב-IPS בחום, V אחד באדום, V שניים בירוק ו-V שלוש בכחול על פני השטח בקליפת המוח יחד עם נקודות הקצה של הסיבים בכל אזור. לאחר שליטה, ניתן להשיג רכישת נתונים עבור משתתף יחיד תוך 30 עד 90 דקות.

שחזור פני השטח האנטומי האוטומטי אורך בדרך כלל 16 שעות בעוד שניתן לעבד נתונים משוקללים של דיפוזיה תוך פחות משעה. הזמן לעיבוד וניתוח נתוני FMRI משתנה בהתאם למשימה ההתנהגותית ולנהלי הניסוי. דרישות זמן טרקטוגרפיה נעות גם הן בין דקות לשעות, בהתאם לפרמטרי המעקב ולאילוצי אזור העניין.

בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור שתוצאת טרקטוגרפיה עשויה להיות רגישה הן לתוצאות חיוביות שגויות והן לשליליות שגויות. הערך תמיד את תוצאת מעקב הסיבים שלך בהקשר של ממצאים נוירו-אנטומיים קודמים, או השתמש במתודולוגיות מתכנסות כגון ניתוח קישוריות פונקציונלית בעקבות הליך זה. ניתן לבצע שיטות אחרות כמו סיווג דפוסים על מיקומי סיבים, ניתוח מרחבי מפורט של התפלגות נקודות הקצה וסריקה אורכית של שלמות החומר הלבן על מנת לחקור עוד יותר את הקשר עם מבנה המוח ותפקודו.

טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום מדעי המוח הקוגניטיביים לחקור קשרי תפקוד מבנה באופן לא פולשני בבני אדם בריאים ובאוכלוסיות קליניות. קישוריות מבנית בין אזורי מוח יכולה לשמש להגבלת השערות לגבי זרימת מידע דרך רשתות מוח השולטות בהתנהגויות אנושיות מורכבות. לאחר צפייה בסרטון זה, עליך להבין את השלבים העיקריים בשחזור נתוני הדמיה משוקללת דיפוזיה וביצוע טרקטוגרפיה של סיבים.

עליך גם להבין את החשיבות של ביצוע בדיקות איכות ובדיקות פרמטרים איטרטיביות כדי לייעל את תוצאות מעקב הסיבים שלך. לבסוף, אחרי הצפייה בסרטון הזה, אתם אמורים להבין טוב יותר כיצד לקשר קישוריות אנטומית לתכונות תפקודיות של רשתות מוח.