Измерение различий в сером веществе с помощью воксельной морфометрии: музыкальный мозг

Наш мозг формируется под воздействием опыта, что приводит к изменениям объема коры головного мозга.

Например, было показано, что определенные навыки, такие как изучение и овладение вторым языком, увеличивают плотность серого вещества, где находятся тела клеток, особенно в таких структурах, как лобная доля.

До появления современных достижений, чтобы измерить размер определенной области, ученым пришлось бы кропотливо отслеживать интересующую их область — очень утомительная задача. В настоящее время существуют более чувствительные методы нейровизуализации, известные как воксельная морфометрия, VBM, для захвата небольших объемных различий в нейроанатомии.

Основываясь на предыдущей работе Газера и Шлауга, а также Бермудеса и его коллег, это видео демонстрирует, как собирать изображения структурного магнитного резонанса и использовать VBM для определения значений интенсивности вокселей в мозге людей с разным опытом — опытных музыкантов по сравнению с теми, кто имеет очень ограниченную подготовку, — а также в других случаях экспертных знаний. Например, игра в шахматы.

В этом эксперименте две группы участников — формально обученные музыканты и контрольные группы без такой подготовки — должны лечь в МРТ-сканер, пока собираются структурные изображения их мозга.

Конкретные области могут быть определены с помощью автоматизированного подхода, основанного на интенсивности объемных пикселей, называемых вокселями. Например, очень яркие кластеры указывают на расположение пучков волокон белого вещества, в то время как более темные воксели соответствуют областям с плотным серым веществом.

После этой сегментации для каждого мозга изображения преобразуются в стандартный атлас, который представляет собой общее пространство для сравнения между субъектами.

Часто этот процесс регистрации может растянуть изображение, из-за чего некоторые структуры выглядят так, как будто у них больше серого вещества, чем на самом деле.

Следовательно, шаблон должен быть умножен на меру того, сколько деформации было сделано, называемой якобианским определителем, чтобы компенсировать повторяющееся растяжение, и тогда все грубые различия в анатомии сглаживаются.

После применения преобразований зависимая переменная вычисляется как разница в плотности серого вещества между музыкантами? Мозг по сравнению с контрольной группой, не являющейся музыкантом.

В связи с более широким использованием сложной слуховой обработки у искусных музыкантов, ожидается, что эта группа будет демонстрировать повышенную плотность серого вещества в слуховых областях мозга, таких как верхняя височная доля и извилины Хешля, по сравнению с контрольной группой.

Перед началом эксперимента наберите 40 музыкантов, которые активно занимаются на любом инструменте 1 час в день и имеют не менее 10 лет формального музыкального образования, а также 40 немузыкантов, которые практически не имеют надлежащей подготовки.

В день сканирования поприветствуйте каждого участника в лаборатории и убедитесь, что он соответствует требованиям безопасности, заполнив необходимые формы согласия.

Пожалуйста, обратитесь к другому проекту фМРТ из этой коллекции для получения более подробной информации о том, как подготовить людей к входу в комнату сканирования и отверстие сканера.

Теперь попросите участника неподвижно лечь в сканер и начните сканирование всего мозга, собрав анатомическую последовательность с высоким разрешением, взвешенную по Т1, такую как Acceleration Prepared-Rapid Gradient Echo с изотропными вокселями толщиной 1 мм.

Следуя протоколу сбора изображений, отпустите участника и начните анализ.

Чтобы начать предварительную обработку, изолируйте мозг от черепа для каждого сканирования и проверяйте качество снятия изоляции.

Для этого исследования создайте определенный шаблон серого вещества, сначала разделив мозг каждого субъекта на белое и серое вещество и спинномозговую жидкость, ликвор, в зависимости от интенсивности каждого воксела. Обратите внимание, что программное обеспечение автоматически различает яркие воксели как белое вещество, темные воксели как серое вещество, а области внутри желудочков — как ликвор.

Выполнить линейное аффинное преобразование с помощью 12? свободы, чтобы зарегистрировать мозг каждого субъекта в стандартном пространстве атласа. Деформируйте изображение серого вещества каждого объекта в это пространство и усредните их все вместе.

Далее, отразите это слева направо, и еще раз, усредните изображения вместе, чтобы получить исходный шаблон серого вещества.

Затем выполните нелинейное преобразование, чтобы повторно зарегистрировать мозг каждого субъекта до фигуры серого вещества и усреднить их вместе. Создайте зеркальную копию этого нового изображения и еще раз усредните их вместе, чтобы получить окончательный, специфичный для исследования шаблон серого вещества.

Теперь зарегистрируйте мозг каждого субъекта с точностью до последней фигуры серого вещества с помощью нелинейного преобразования и умножьте на якобианскую меру того, сколько деформации было сделано, чтобы компенсировать величину, на которую каждая структура мозга была растянута, чтобы соответствовать пространству шаблона.

Затем сгладьте данные с помощью гауссова ядра с полноширинным полумаксимумом 10 мм, чтобы увеличить перекрытие похожих вокселей мозга у всех субъектов.

Завершив предварительную обработку, смоделируйте каждую группу мозга с помощью отдельного регрессора. Вычислите контраст, который сравнивает две группы, чтобы создать статистические карты, которые количественно оценивают вероятность различий в каждом вокселе.

Наконец, выполните метод коррекции множественных сравнений, такой как коэффициент ложных обнаружений со значением q 0,01, чтобы контролировать тысячи одновременных статистических тестов. Это значение будет оценивать уровень ложных срабатываний выше порогового значения в 1%.

Здесь анализ VBM выявил значительное двустороннее увеличение плотности серого вещества в верхней височной доле музыкантов? мозга по сравнению с контрольной группой. Наибольшее различие было показано с правой стороны, и это включало заднюю часть извилины Хешля, где находится первичная слуховая кора.

Теперь, когда вы знакомы с тем, как использовать VBM для изучения нейроанатомии, давайте рассмотрим, как исследователи используют эту технику для изучения структурных различий в других популяциях.

В то время как многие задачи, требующие интенсивных тренировок и опыта, связаны с увеличением объема серого вещества, это увеличение не всегда верно для всех типов приобретенных навыков, как в мозге опытного шахматиста.

По сравнению с контрольной группой, объем серого вещества был уменьшен в затылочно-височной области, которая важна для распознавания объектов. Такие результаты приводят к интересной аномалии, которая может помочь ученым лучше понять, как объем коры головного мозга связан с производительностью при выполнении сложных задач.

Слепые от рождения люди часто имеют меньший объем серого вещества в зрительной коре по сравнению с контрольной группой. Интересно, что благодаря использованию VBM исследователи обнаружили значительное увеличение в областях мозга, не отвечающих за зрение, таких как слуховая кора, которая была в два раза больше, чем у зрячих людей.

Эти структурные различия могут служить анатомической основой для объяснения того, почему другие чувства обостряются у слепых людей.

Кроме того, структурный анализ МРТ и VBM у пациентов с большим депрессивным расстройством, не принимавших лекарства, также указывает на различия в объемах серого вещества по сравнению с контрольной группой.

Ученые обнаружили, что у этих пациентов уменьшился объем серого вещества в лобной коре и островковой доле, что может объяснить, почему пациенты с депрессией испытывают трудности с когнитивным контролем негативных чувств по отношению к себе и другим.

Вы только что посмотрели видео JoVE о воксельной морфометрии. Теперь у вас должно быть хорошее понимание того, как собирать анатомические изображения с помощью МРТ, а также как анализировать и интерпретировать различия в интенсивности серого вещества в областях слуховой коры. Вы также должны были знать, что не все области знаний приводят к увеличению плотности коры головного мозга.

Спасибо за просмотр!