Wspólna analiza struktury i funkcji mózgu za pomocą fMRI i obrazowania zależnego od dyfuzji

Summary

Opisujemy nowatorskie podejście do jednoczesnej analizy funkcji i struktury mózgu za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI). Oceniamy strukturę mózgu za pomocą obrazowania dyfuzyjnego o wysokiej rozdzielczości i traktografii włókien istoty białej. W przeciwieństwie do standardowego strukturalnego rezonansu magnetycznego, techniki te pozwalają nam bezpośrednio powiązać łączność anatomiczną z funkcjonalnymi właściwościami sieci mózgowych.

Abstract

Badanie złożonych systemów obliczeniowych jest ułatwione dzięki mapom sieci, takim jak schematy obwodów. Takie mapowanie jest szczególnie pouczające podczas badania mózgu, ponieważ funkcjonalna rola, jaką spełnia obszar mózgu, może być w dużej mierze zdefiniowana przez jego połączenia z innymi obszarami mózgu. W niniejszym raporcie opisano nowatorskie, nieinwazyjne podejście do powiązania struktury i funkcji mózgu za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI). To podejście, będące połączeniem obrazowania strukturalnego połączeń światłowodowych dalekiego zasięgu i danych z obrazowania funkcjonalnego, jest zilustrowane w dwóch odrębnych domenach poznawczych: uwadze wzrokowej i percepcji twarzy. Obrazowanie strukturalne wykonuje się za pomocą obrazowania dyfuzyjnego (DWI) i traktografii światłowodowej, które śledzą dyfuzję cząsteczek wody wzdłuż szlaków włókien istoty białej w mózgu (ryc. 1). Wizualizując te szlaki światłowodowe, jesteśmy w stanie zbadać architekturę łączną mózgu o dużym zasięgu. Wyniki wypadają korzystnie w porównaniu z jedną z najczęściej stosowanych technik w DWI, obrazowaniem tensora dyfuzji (DTI). DTI nie jest w stanie rozwiązać złożonych konfiguracji szlaków światłowodowych, co ogranicza jego użyteczność do konstruowania szczegółowych, anatomicznie poinformowanych modeli funkcji mózgu. W przeciwieństwie do tego, nasze analizy odtwarzają znaną neuroanatomię z precyzją i dokładnością. Ta zaleta wynika częściowo z procedur gromadzenia danych: podczas gdy wiele protokołów DTI mierzy dyfuzję w niewielkiej liczbie kierunków (np. 6 lub 12), my stosujemy protokół obrazowania widma dyfuzyjnego (DSI)^{1, 2}, który ocenia dyfuzję w 257 kierunkach i przy różnych natężeniach gradientu magnetycznego. Co więcej, dane DSI pozwalają nam na zastosowanie bardziej wyrafinowanych metod rekonstrukcji pozyskanych danych. W dwóch eksperymentach (uwaga wzrokowa i percepcja twarzy) traktografia ujawnia, że współaktywne obszary ludzkiego mózgu są anatomicznie połączone, co potwierdza istniejące hipotezy, że tworzą one funkcjonalne sieci. DWI pozwala nam stworzyć "schemat obwodu" i odtworzyć go na podstawie indywidualnego podmiotu, w celu monitorowania aktywności mózgu istotnej dla danego zadania w sieciach zainteresowania.

Protocol

1. Sprzęt do akwizycji danych MR

Rysunki 2 i 3 podsumowują szereg wyborów, które należy podjąć w zakresie akwizycji dyfuzyjnego rezonansu magnetycznego, rekonstrukcji danych i śledzenia światłowodów. Należy pamiętać, że te wybory zazwyczaj wiążą się z kompromisami, a najlepszy wybór może zależeć od celów badawczych. Na przykład DSI i wielopowłokowa HARDI (patrz rysunek 2) zazwyczaj wykorzystują wyższe "wartości b" (tj. silniejsze obciążenie dyfuzyjne) niż DTI. W rezultacie, metody te mają lepszą rozdzielczość kątową, która jest niezbędna do rozwiązania krzyżujących się lub "całujących" włókien (t....

Discussion

DWI o wysokiej rozdzielczości i traktografia światłowodowa zapewniają potężne podejście do badania struktury łącznej ludzkiego mózgu. W tym miejscu przedstawiamy dowody na to, że ta architektura strukturalna jest znacząco związana z funkcją mózgu, ocenianą za pomocą fMRI. Korzystając z nasion traktografii opartych na aktywacji zadania fMRI, znajdujemy dowody na to, że obszary mózgu, które są współaktywne podczas uwagi wzrokowej, są anatomicznie połączone, zgodnie z wcześniejszą wiedzą na temat neuroanatomii funkcjonalnej.......