Medir diferenças de matéria cinzenta com morfometria baseada em Voxel: O Cérebro Musical

Nossos cérebros são moldados por experiências, resultando em mudanças no volume cortical.

Por exemplo, certas proficiências, como aprender e dominar uma segunda língua, demonstraram aumentar a densidade da massa cinzenta, onde residem os corpos celulares, particularmente em estruturas como o lobo frontal.

Antes dos avanços modernos, para medir o tamanho de uma determinada área, os cientistas teriam que traçar meticulosamente a região de interesse - uma tarefa muito tediosa. Agora, técnicas de neuroimagem mais sensíveis - conhecidas como morfometria baseada em voxel, VBM - existem para capturar pequenas diferenças volumétricas na neuroanatomia.

Com base em trabalhos anteriores de Gaser e Shlaug, bem como de Bermudez e colegas, este vídeo demonstra como coletar imagens de ressonância magnética estrutural e usar o VBM para identificar os valores de intensidade de voxels no cérebro de indivíduos com diferentes experiências - músicos experientes em comparação com aqueles com treinamento muito limitado - bem como em outros casos de especialização, como jogar xadrez.

Neste experimento, dois grupos de participantes - músicos formalmente treinados e controles sem esse treinamento - são solicitados a deitar em um scanner de ressonância magnética enquanto imagens estruturais de seus cérebros são coletadas.

Regiões específicas podem então ser definidas usando uma abordagem automatizada, com base na intensidade dos pixels volumétricos, chamados voxels. Por exemplo, aglomerados muito brilhantes indicam a localização de feixes de fibras de substância branca, enquanto voxels mais escuros correspondem a áreas com massa cinzenta densa.

Após essa segmentação para cada cérebro, as imagens são transformadas em um atlas padrão, que é um espaço comum para permitir comparações entre sujeitos.

Muitas vezes, esse processo de registro pode esticar uma imagem, o que faz com que algumas estruturas pareçam ter mais massa cinzenta do que realmente têm.

Portanto, o modelo deve ser multiplicado por uma medida de quanta distorção foi feita, chamada de determinante jacobiano, para compensar o alongamento repetido e, em seguida, todas as diferenças grosseiras na anatomia são suavizadas.

Depois que as transformações são aplicadas, a variável dependente é calculada como as diferenças na densidade de massa cinzenta entre os músicos? cérebros comparados a controles não músicos.

Devido ao aumento do uso de processamento auditivo complexo em músicos habilidosos, espera-se que este grupo apresente aumento da densidade de massa cinzenta em regiões auditivas do cérebro, como o lobo temporal superior e o giro de Heschl, em comparação com o grupo controle.

Antes do experimento, recrute 40 músicos que pratiquem ativamente qualquer instrumento 1 hora por dia e tenham pelo menos 10 anos de treinamento musical formal, bem como 40 controles não músicos que tenham pouco ou nenhum treinamento adequado.

No dia do exame, cumprimente cada participante no laboratório e verifique se eles atendem aos requisitos de segurança ao preencher os formulários de consentimento necessários.

Consulte outro projeto de fMRI nesta coleção para obter mais detalhes sobre como preparar indivíduos para entrar na sala de varredura e no furo do scanner.

Agora, instrua o participante a ficar parado no scanner e comece a escanear todo o cérebro coletando uma sequência anatômica ponderada em T1 de alta resolução, como Magnetization Prepared-Rapid Gradient Echo com voxels isotrópicos de 1 mm.

Seguindo o protocolo de coleta de imagens, dispensar o participante e iniciar a análise.

Para iniciar o pré-processamento, isole o cérebro do crânio para cada varredura e verifique a qualidade da decapagem.

Para este estudo, crie um modelo específico de substância cinzenta segmentando primeiro o cérebro de cada sujeito em substância branca e cinzenta e líquido cefalorraquidiano, LCR, com base na intensidade de cada voxel. Observe que o software distingue automaticamente voxels brilhantes como substância branca, voxels escuros como substância cinzenta e áreas dentro dos ventrículos como LCR.

Realizar uma transformação afim linear com 12? de liberdade, para registrar o cérebro de cada sujeito em um espaço atlas padrão. Deforme a imagem da matéria cinzenta de cada sujeito neste espaço e faça a média de todos juntos.

Em seguida, espelhe isso da esquerda para a direita e, mais uma vez, calcule a média das imagens para produzir o modelo inicial de massa cinzenta.

Em seguida, execute uma transformação não linear para registrar novamente o cérebro de cada sujeito na figura de massa cinzenta e calculá-los juntos. Crie uma cópia espelhada desta nova imagem e, mais uma vez, faça a média das duas juntas para produzir um modelo final de massa cinzenta específico do estudo.

Agora registre o cérebro de cada sujeito até a última figura de massa cinzenta usando uma transformação não linear e multiplique por uma medida jacobiana de quanta distorção foi feita para compensar a quantidade que cada estrutura cerebral foi esticada para caber no espaço do modelo.

Posteriormente, suavize os dados usando um kernel gaussiano com um meio máximo de largura total de 10 mm para aumentar a sobreposição de voxels cerebrais semelhantes em todos os indivíduos.

Com o pré-processamento concluído, modele cada grupo de cérebros com um regressor separado. Calcule um contraste que compare os dois grupos para gerar mapas estatísticos que quantifiquem a probabilidade de diferenças em cada voxel.

Por fim, execute uma técnica de correção de comparações múltiplas, como uma Taxa de Descoberta Falsa com um valor q de 0,01, para controlar os milhares de testes estatísticos simultâneos realizados. Esse valor estimará a taxa de falsos positivos acima de um limite de 1%.

Aqui, a análise VBM revelou aumentos bilaterais significativos na densidade de massa cinzenta no lobo temporal superior dos músicos? cérebros em comparação com os controles. A maior diferença foi mostrada no lado direito, e isso incluiu a porção posterior do giro de Heschl, a localização do córtex auditivo primário.

Agora que você está familiarizado com o uso do VBM para estudar a neuroanatomia, vamos ver como os pesquisadores usam essa técnica para estudar diferenças estruturais em outras populações.

Embora muitas tarefas que envolvem treinamento e experiência intensos estejam associadas a aumentos no volume de massa cinzenta, esse aumento nem sempre é o caso para todos os tipos de conjuntos de habilidades aprendidas, como no cérebro de um jogador de xadrez experiente.

Quando comparado aos controles, o volume de substância cinzenta foi reduzido na junção occipito-temporal, uma área importante para o reconhecimento de objetos. Tais descobertas resultam em uma anomalia interessante que pode ajudar os cientistas a entender melhor como o volume cortical se relaciona com o desempenho em tarefas exigentes.

Indivíduos cegos de nascença geralmente têm menor volume de massa cinzenta em seu córtex visual em comparação com os controles. Curiosamente, através do uso do VBM, os pesquisadores descobriram um aumento significativo em áreas do cérebro não responsáveis pela visão, como o córtex auditivo, que era o dobro do tamanho encontrado em controles com visão.

Essas diferenças estruturais podem servir como uma base anatômica para explicar por que outros sentidos são intensificados em indivíduos cegos.

Além disso, a ressonância magnética estrutural e a análise de VBM em pacientes com transtorno depressivo maior virgens de medicação também indicam diferenças nos volumes de substância cinzenta em comparação com os controles.

Os cientistas descobriram que esses pacientes diminuíram o volume de massa cinzenta no córtex frontal e na ínsula, o que pode explicar por que os pacientes deprimidos têm dificuldade com o controle cognitivo sobre sentimentos negativos em relação a si mesmos e aos outros.

Você acabou de assistir ao vídeo de JoVE sobre morfometria baseada em voxel. Agora você deve ter uma boa compreensão de como coletar imagens anatômicas usando ressonância magnética, bem como analisar e interpretar as diferenças na intensidade da substância cinzenta em regiões do córtex auditivo. Você também deve ter aprendido que nem todas as áreas de especialização levam a aumentos na densidade cortical.

Obrigado por assistir!