화소 기반 형태법으로 회백질 차이 측정: 음악 두뇌

우리의 뇌는 경험에 의해 형성되어 피질 부피의 변화를 일으킵니다.

예를 들어, 제2외국어를 배우고 숙달하는 것과 같은 특정 숙련도는 세포체가 있는 회백질, 특히 전두엽과 같은 구조에서 회백질의 밀도를 증가시키는 것으로 나타났습니다.

현대가 발전하기 전에 특정 영역의 크기를 측정하기 위해 과학자들은 매우 지루한 작업인 관심 영역을 힘들게 추적해야 했습니다. 이제 복셀 기반 형태 측정법(VBM)으로 알려진 보다 민감한 신경 영상 기술이 신경 해부학의 작은 체적 차이를 포착하기 위해 존재합니다.

Gaser와 Shlaug, Bermudez 및 동료들의 이전 연구를 기반으로 한 이 비디오는 구조적 자기 공명 이미지를 수집하고 VBM을 사용하여 다양한 경험을 가진 개인(매우 제한된 훈련을 받은 음악가와 비교한 전문 음악가) 및 기타 전문 사례의 뇌에서 복셀의 강도 값을 식별하는 방법을 보여줍니다. 체스 경기와 같은.

이 실험에서, 두 그룹의 참가자들(공식적으로 훈련을 받은 음악가와 그러한 훈련을 받지 않은 대조군)은 뇌의 구조적 이미지를 수집하는 동안 MRI 스캐너에 누워 있으라고 요청받습니다.

그런 다음 특정 영역은 복셀(voxels)이라고 하는 체적 픽셀의 강도를 기반으로 하는 자동화된 접근 방식을 사용하여 정의할 수 있습니다. 예를 들어, 매우 밝은 클러스터는 백질 섬유 다발의 위치를 나타내고 더 어두운 복셀은 밀도가 높은 회백질이 있는 영역에 해당합니다.

각 뇌에 대한 이러한 세분화에 따라 이미지는 표준 아틀라스에 등록되며, 이는 주제 간 비교를 허용하는 공통 공간입니다.

종종 이 등록 프로세스는 이미지를 늘릴 수 있으며, 이로 인해 일부 구조는 실제보다 더 많은 회백질이 있는 것처럼 보일 수 있습니다.

따라서 반복되는 스트레칭을 보상하기 위해 야코비 행렬식이라고 하는 얼마나 많은 뒤틀림이 수행되었는지에 대한 측정값을 템플릿에 곱해야 하며, 그런 다음 해부학의 모든 총체적인 차이를 매끄럽게 만듭니다.

변환이 적용된 후 종속 변수는 음악가 간의 회백질 밀도 차이로 계산됩니다. 음악가가 아닌 대조군과 비교한 뇌.

숙련된 음악가에서 복잡한 청각 처리의 사용이 증가함에 따라 이 그룹은 대조군에 비해 상측두엽 및 Heschl의 이랑과 같은 청각 뇌 영역에서 회백질 밀도가 증가할 것으로 예상됩니다.

실험에 앞서, 하루에 1시간씩 악기를 적극적으로 연습하고 최소 10년 이상 공식적인 음악 교육을 받은 음악가 40명과 적절한 교육을 거의 또는 전혀 받지 않은 비음악가 대조군 40명을 모집합니다.

스캔 당일, 실험실에서 각 참가자와 인사를 나누고 필요한 동의서를 작성하면서 안전 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.

개인이 스캐닝 룸과 스캐너 구멍에 들어갈 수 있도록 준비하는 방법에 대한 자세한 내용은 이 컬렉션의 다른 fMRI 프로젝트를 참조하십시오.

이제 참가자에게 스캐너에 가만히 누워 1mm 등방성 복셀을 가진 Magnetization Prepared-Rapid Gradient Echo와 같은 고해상도 T1 가중치 해부학적 염기서열을 수집하여 전체 뇌를 스캔하도록 지시합니다.

이미지 수집 프로토콜에 따라 참가자를 해제하고 분석을 시작합니다.

전처리를 시작하려면 각 스캔에 대해 두개골에서 뇌를 분리하고 스트리핑의 품질을 확인하십시오.

이 연구를 위해 먼저 각 피험자의 뇌를 각 복셀의 강도에 따라 백질과 회백질 및 뇌척수액(CSF)으로 분할하여 특정 회백질 템플릿을 만듭니다. 이 소프트웨어는 밝은 복셀을 백질로, 어두운 복셀을 회백질로, 심실 내 영역을 CSF로 자동으로 구분합니다.

12로 선형 아핀 변환을 수행하시겠습니까? 자유, 각 피험자의 뇌를 표준 아틀라스 공간에 등록하는 것. 각 피사체의 회백질 이미지를 이 공간으로 워프하고 모두 함께 평균을 냅니다.

다음으로, 이것을 왼쪽에서 오른쪽으로 미러링하고 다시 한 번 이미지를 평균화하여 초기 회백질 템플릿을 생성합니다.

그런 다음 비선형 변환을 수행하여 각 피험자의 뇌를 회백질 수치에 다시 등록하고 이를 함께 평균화합니다. 이 새로운 이미지의 미러링된 복사본을 만들고 다시 한 번 두 이미지를 평균화하여 연구별 최종 회백질 템플릿을 생성합니다.

이제 비선형 변환을 사용하여 각 피험자의 뇌를 마지막 회백질 도형에 등록하고, 각 뇌 구조가 템플릿 공간에 맞게 늘어난 양을 보상하기 위해 얼마나 많은 뒤틀림이 수행되었는지에 대한 Jacobian 측정을 곱합니다.

그런 다음 Full-Width Half Maximum이 10mm인 가우스 커널을 사용하여 데이터를 매끄럽게 하여 모든 피험자에서 유사한 뇌 복셀의 겹침을 증가시킵니다.

전처리가 완료되면 별도의 회귀 변수로 각 뇌 그룹을 모델링합니다. 두 그룹을 비교하는 대비를 계산하여 각 복셀에서 차이의 가능성을 정량화하는 통계 맵을 생성합니다.

마지막으로, q 값이 0.01인 거짓 발견률(False Discovery Rate)과 같은 다중 비교 수정 기법을 수행하여 수천 개의 동시 통계 테스트를 제어합니다. 이 값은 임계값 1%를 초과하는 거짓 긍정 비율을 추정합니다.

여기서, VBM 분석은 음악가의 상측두엽에서 회백질 밀도의 상당한 양측 증가를 보여주었습니다. 대조군과 비교한 뇌. 가장 큰 차이는 오른쪽에 나타났으며, 여기에는 1차 청각 피질의 위치인 Heschl의 회랑(gyrus)의 후방부가 포함되었습니다.

이제 VBM을 사용하여 신경 해부학을 연구하는 방법에 익숙해졌으므로 연구자들이 이 기술을 사용하여 다른 인구 집단의 구조적 차이를 연구하는 방법을 살펴보겠습니다.

집중적인 훈련과 경험이 필요한 많은 작업이 회백질 부피의 증가와 관련이 있지만, 숙련된 체스 선수의 뇌와 같이 모든 유형의 학습된 기술 세트에 항상 해당되는 것은 아닙니다.

대조군과 비교했을 때, 물체 인식에 중요한 영역인 후두-측두접합부(occipito-temporal junction)에서 회백질 부피가 감소했습니다. 이러한 발견은 과학자들이 피질 부피가 까다로운 작업에서의 성과와 어떻게 관련되어 있는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있는 흥미로운 변칙을 초래합니다.

태어날 때부터 시각 장애인인 사람들은 대조군에 비해 시각 피질의 회백질 부피가 더 작은 경우가 많습니다. 흥미롭게도, 연구자들은 VBM의 사용을 통해 청각 피질과 같이 시력을 담당하지 않는 뇌 영역이 크게 확대된 것을 발견했는데, 이는 시각 대조군에서 발견되는 크기의 두 배였습니다.

이러한 구조적 차이는 시각 장애인에서 다른 감각이 고조되는 이유를 설명하는 해부학적 기초가 될 수 있습니다.

또한, 주요우울장애를 앓고 있는 약물치료제(약물)요법 환자에 대한 구조적 MRI 및 VBM 분석에서도 대조군과 비교한 회백질 부피의 차이를 나타낼 수 있다.

과학자들은 이 환자들이 전두엽 피질과 인슐라의 회백질 부피가 감소했다는 것을 발견했는데, 이는 우울증 환자들이 자신과 타인에 대한 부정적인 감정을 인지적으로 통제하는 데 어려움을 겪는 이유를 설명할 수 있다.

당신은 방금 복셀 기반 형태 측정법에 대한 JoVE의 비디오를 보았습니다. 이제 MRI를 사용하여 해부학적 이미지를 수집하는 방법과 청각 피질 영역에서 회백질 강도의 차이를 분석하고 해석하는 방법을 잘 이해했을 것입니다. 또한 모든 전문 분야가 대뇌피질 밀도의 증가로 이어지는 것은 아니라는 것을 배웠어야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!