چکیده
تناسب پاسخ وابسته به سطح اکسیژن خون (BOLD)، در طول یک وظیفه‌ی شناختی و از یک چالش هایپرکپنیک (افزایش اکسید کربن در خون)، در ساختارهای قشری درگیر در حافظه‌ی کاری (WM) بررسی شده است. نگه داشتن نفس (BH) بعد از تنفس برای القای یک پاسخ BOLD که مشخصه‌ی فعالیت اعصاب محرک رگ‌های منطقه‌ای اما اجتناب از تغییرات متابولیکی است، استفاده می‌شود. اثرات BOLD که در طول BH اندازه گیری می‌شود برای نرمال کردن فعال سازی افراد در طول WM استفاده می‌شود، که به صورت موثری تأثیر گیج کننده‌ی اختلافات مختص فرد و منطقه در پاسخ گویی همودینامیک رایج در هر دو کار را کاهش می‌دهد. در مطالعه‌ای از هفت فرد، کالیبراسیون BH، تغییر پذیری بین فردی در دامنه‌ی اثر WM را به اندازه‌ی ۸/۲۴٪ کاهش می‌دهد (P < 0/03). کاهش تغییر پذیری بین فردی منجر به افزایش ۷.۲۳٪ در اهمیت اندازه‌ی وکسل فعال سازی گروه WM در P < 0.001 ، با افزایش بیشتر در استانه های دقیق‌تر می‌شود. به دلیل اینکه کار BH نیاز به استنشاق CO2 یا دیگر دستکاری های تهاجمی ندارد و به میزان زیادی در سراسر نواحی قشری قابل انجام است، روش پیشنهادی برای اجرا ساده است و نه تنها ممکن است برای استفاده در انالیزهای کمی گروه fMRI مفید باشد، بلکه همچنین برای مطالعات چند مرکزی و طولی نیز مفید است.
مقدمه
تصویر برداری رزونانس مغناطیسی عملکردی (fMRI) ابزاری قدرتمند برای بررسی عملکرد عصبی در سلامت و بیماری است. مطالعات متعددی به دنبال بیرون کشیدن استنتاج کمی در مورد عملکردهای شناختی مختلف از سنجش دامنه، اندازه‌ی فضایی، و مشخصات موقتی پاسخ وابسته به سطح اکسیژن خون (BOLD) هستند. با این حال، کنتراست BOLD یک سنجش مستقیم از متابولیسم عصبی نیست، بلکه بیشتر از تغییرات در جریان خون منطقه‌ای و تغییرات مربوط به اکسیژن رسانی حاصل می‌شود. به خصوص، افزایش‌های کانونی در فعالیت عصبی همراه با افزایش نرخ متابولیک مغزی اکسیژن (CMRO2) است، زیرا اکسیژن تبدیل گلوکز به ادنوزین تری فسفات (ATP)، منبع انرژی اصلی مغز، را تسهیل می‌کند. این کار به نوبه‌ی خود باعث یک افزایش خالص در جریان خون مغزی محلی (CBF) و حجم خون (CBV) می‌شود. اگرچه برخی جزئیات فرایند هنوز کاملاً درک نشده است، CBF با اتساع اسنفکترهای سرخرگی در پاسخ به ترکیبی از پیامبرهای شیمیایی از قبیل افزایش [CO2]، [H+] و [NO] و کاهش [O2]، افزایش پیدا می‌کند. بنابراین، افزایش شلیک عصبی باعث ابشاری می‌شود که در یک واکنش اعصاب محرک رگ‌ها که در آن جریان خون تنظیم می‌شود، به اوج می‌رسد، برای مثال، افزایش متابولیکی باعث یک پاسخ محلی همودینامیک اغاز کننده‌ی فعال سازی کار می‌شود که نه تنها مشخصه‌ی فعالیت عصبی بلکه واکنش پذیری عضله‌ای نیز هست. به این دلیل، ان باید برای حذف تغییرات در واکنش پذیری عروقی محتاط باشد که به منظور دستیابی به یک سنجش دقیق‌تر از فعالیت عصبی اساسی، سیگنال BOLD را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
هایپرکپنیای کلی یکی از ابزارهای کاوش اختلافات مشخصه در الگوهای پاسخ همودینامیک است و برای نرمال کردن پاسخ BOLD بین افراد مختلف، نواحی مغزی مختلف، و ویژگی‌های مختلف محیط اسکن (پارامترهای اکتساب، قدرت محیط) پیشنهاد می‌شود. مطالعه‌ی حاضر از اندازه گیری اثر BOLD در پاسخ به یک چالش شناختی حداقل، هایپرکپنیا، برای مثال یک کار نگه داشتن نفس (BH)، برای اعمال تصحیح به یک وظیفه‌ی شناختی حافظه‌ی کاری (WM)، استفاده می‌کند. انتظار می‌رود که BH برای نرمال کردن دامنه‌ی سیگنال BOLD مفید باشد، زیرا همان طور که در بخش بعدی نشان داده شده است، پاسخ BOLD ناشی از BH متناسب با پاسخ عصبی اندازه گیری شده توسط BOLD است. تصحیح در افراد دریم پایه‌ی وکسل- به- وکسل به منظور کاهش واریانس در افراد انجام می‌شود، در حالی که اختصاصیت منطقه‌ای واکنش پذیری اعصاب محرک رگ‌ها را حفظ می‌کند.
تئوری
یک مدل بر اساس ارتباط تنگاتنگ بین حجم خون و جریان خون به منظور توضیح ارتباط بین سیگنال BOLD در طول فعال سازی کار، Sact، و کمیت‌های قابل اندازه گیری همودینامیک پیشنهاد شده است. که در آن SO ثابتی است که به واکنش پذیری اعصاب محرک رگ‌ها و دیگر مشخصات محلی بستگی دارد، fact = CBFact /CBFO افزایش کسری در جریان نسبت به پایه است، m = CMRO2act/CMRO2O افزایش کسری در نرخ متابولیک اکسیژن، مقادیر ثابت هستند. جفت شدگی بین حجم خون و جریان خون ممکن است توسط CBV CMRO2O تعیین شود که در آن مشاهده شده است. بسته به درجه‌ی حساسیت در برابر وزن توزیع و مشارکت‌های نسبی از بخش‌های خون درون و برون رگی، بین ۱و ۲ متغیر است، که به نوبه‌ی خود به قدرت میدان بستگی دارد. برای 3T یک مقدار سازش منطقی ۰/۱ است، در حالی که ۵/۱ در ۵/۱T مشخص‌تر است. رابطه‌ی بین CBF و CMRO2 بحث برانگیز است، اما همه‌ی مطالعات ازمایشگاهی یک افزایش بزرگ‌تر غیر تناسبی در CBF را نسبت به آنچه برای حمایت از افزایش مصرف اکسیژن در طول فعالی سازی کار لازم است را نشان داده‌اند. برای ساده سازی، ما بر اساس یافته‌های پیشین فرض می‌کنیم که تغییرات در CBF متناسب با تغییرات در CMRO2 است، به صورتی که: که مشاهده شده است که در آن، تناسب n از ~۲ تا ~ ۵ تغییر می‌کند.
افراد و روش‌ها
افراد
داده‌ها از ۷ فرد سالم، راست دست، با تکلم بومی انگلیسی (۳ مرد و ۴ زن، میانگین سن ۵/۲۲، محدوده‌ی ۲۰-۲۶ سال) بعد از گرفتن رضایت نامه، همان طور که توسط هیأت بازبینی موسسه‌ای استفورد تائید شده است، جمع اوری شد.
الگوی ازمایشگاهی
نگاه داشتن نفس
افراد هفت تکرار از دوره‌های متناوب از نگه داشتن نفس و تنفس با سرعت خود را در وقفه‌های ۱۸ ثانیه‌ای انجام دادند. در طول کار، افراد بعد از تنفس نفس خود را نگاه داشتند. هر دوی پروتکل‌های انتهای-بازدم و انتهای-دم یک پاسخ هایپرکپنیک و یک واکنش جبرانی اعصاب محرک رگ‌ها را ایجاد می‌کنند که مشابه پاسخ‌هایی است که در طول تنظیم CMRO2 القا شده با کار ایجاد می‌شوند؛ با این حال، کار BH تنفسی چندین مزیت دارد. در هنگام نگه داشتن نفس فرد در انتهای بازدم، یک میل اجباری برای تنفس به سمت انتهای دوره‌ی حبس نفس وجود دارد، که می‌تواند برای برخی افراد ایجاد ناراحتی کند و منجر به حرکت همبسته با کار شود. علاوه بر این، این ناراحتی ممکن است منجر به پاسخ‌های قشری در نواحی‌ای شود که BH ممکن است بیشترین ارزش برای کالیبراسیون را داشته باشد، برای مثال قشر پیش پیشانی، که به موجب ان یک پریشانی ایجاد می‌شود. علاوه بر این، ساده بودن الگو اهمیت زیادی دارد تا در سراسر طیف گسترده‌ای از جمعیت‌ها از قبیل کودکان و بزرگ سالان مسن‌تر قابل اجرا باشد. اجابت فرد به زمان بندی کار و توانایی وی برای نگه داشتن نفس با استفاده از یک کمربند پنوماتیک (بادی) که برای نظارت بر تنفس دور شکم قرار داده شده است، و همچنین گزارش فرد اندازه گیری می‌شود. همه‌ی افراد قادر به نگه داشتن نفس خود در طول ازمایشات بودند. زمان بندی ازمایش توسط محرک بصری راهنمایی می‌شد که شامل یک مرحله‌ی «استراحت» و «اماده باش» در طول تنفس با سرعت خود فرد و یک محرک غیر زیانی (یک حلقه‌ی منقبض شونده) در طول نگه داشتن نفس است (شکل ۲ بالا).
حافظه کاری
افراد یک کار حافظه‌ای فضایی را انجام دادند که در آن سه مکان بصری توسط سه نقطه‌ی هدف نشان داده می‌شوند که در طول یک تأخیر ۳ ثانیه‌ای در ذهن نگاه داشته می‌شود. نقطه‌ها به صورت تصادفی در سراسر چهار دایره‌ی متحدالمرکز نامرئی قرار گرفته‌اند که حول یک صلیب تثبیت قرار دارند. بعد از دوره‌ی تأخیر، یک پروب مکان یابی متشکل از یک دایره، برای ۱۵۰۰ میلی ثانیه ظاهر می‌شود، که محل یکی از نقطه‌های هدف قبلی را احاطه کرده‌اند یا نکرده‌اند (شکل ۲، پایین). افراد یکی از دو دکمه را فشار می‌دهند: یک دکمه، نشان دهنده‌ی انطباق مکان حلقه‌ی پروب با نقطه‌ی هدف است و دکمه‌ی دیگر نشان دهنده‌ی یک عدم انطباق مکان حلقه‌ی پروب و نقطه‌ی هدف است.
گرفتن MRI
تصویر برداری رزونانس مغناطیسی در یک اسکنر تمام بدن ۰/۳ T GE با یک ماریپچ سر چارچوب آهنی مربع ساز سفارشی انجام شد. حرکت سر با استفاده از یک نوار بیت و لایه گذاری فوم به حداقل رسانده می‌شود. بیست و سه برش محوری شیب دار به موازات کمیسر قدامی/خلفی (AC-PC) با ضخامت برش ۴ میلی متر ، و یک پرش ۱ میلی متری بین برش‌ها، داده شد. تصاویر ساختار اکو با گردش سریع وزن-T2 با رزولوشن بالا (TR = 3000 ms, TE = 68 ms, ETL = 12, FOV = 24 cm, matrix 192 * 256) برای اناتومی مرجع گرفته شد. یک توالی حساس به T2* گرادیان اکو مارپیچی درون/بیرون ضربان برای تصویر برداری عملکردی استفاده شد (TR = 1500 ms, TE = 30 ms, flip angle = 70°, FOV = 24 cm, matrix 68 * 68). یک روش روشن و خاموش کردن خودکار با مرتبه‌ی بالا بر اساس اکتساب مارپیچی برای کاهش ناهمگونی B0 استفاده شد. روش‌های مارپیچی درون/برون برای افزایش نسبت سیگنال به نویز (SNR) و کنتراست BOLD برای نسبت نویز در نواحی مغری یک شکل و همچنین برای کاهش هدر رفت سیگنال در نواحی که توسط گرادیان‌های میدان ناشی از مستعد بودن به خطر افتاده‌اند، استفاده می‌شود که در نزدیکی اینترفیس های هوا-بافت از قبیل PFC ایجاد شده‌اند. در مقایسه با تکنیک‌های تصویر برداری مارپیچی سنتی، روش‌های مارپیچی درون/برون منجر به کاهش کمتر در میزان سیگنال و فعال سازی مربوط به کار در نواحی PFC می‌شود. یک اسکن حجمی T1 با رزولوشن بالا (۱۲۴ برش، ۲/۱ میلی متر ضخامت) با استفاده از یک توالی IR-PREP 3D FSPGR برای کنتراست T1 برای هر فرد جمع اوری شد (TR = 8.9 ms, TE = 1.8 ms, TI = 300 ms, flip angle = 15°, FOV = 24 cm, slice thickness 1.2 mm, matrix 256 * 192* 128).
آنالیز داده
پیش پردازش و تولید مدل
داده‌های Fmri برای هر دوی کارهای WM و BH با استفاده از SPM و روتین‌های MATLAB سفارشی، پیش پردازش شدند. پیش پردازش شامل اصلاح برای حرکت و جابجایی خطی سیگنال می‌باشد. پردازش متعاقب مسیرهای کمی متفاوت را برای انالیز نواحی مورد نظر (ROI) و برای مقایسه‌ی فعال سازی گروه دنبال می‌کند. پیش از کالیبراسیون و انالیز ROI، تصاویر از نظر فضایی نرمال نمی‌شوند، اما با یک فیلتر گوسی سه بعدی ۸ میلی متری عرض کامل در نیمه‌ی ماکزیمم (FWHM) از نظر فضایی صاف می‌شوند. فعالیت اندازه گیری شده با fMRI در طول دوره‌های کار (BH و WM به صورت جداگانه) با فعالیت پایه در طول شرایط پایه (تنفس عادی و شناخت بدون تأخیر، به ترتیب) مقایسه شد. رگرسورها برای وقفه‌های شرایط مربوطه به عنوان یک تابع باکس کار (boxcar) مدل سازی می‌شود که با hrf کانونی پیچیده می‌شوند. انالیز اماری در سطح تک فردی، هر وکسل را بر اساس مدل خطی عمومی SPM (GLM) تلقی می‌کند.
کالیبراسیون
نتایج فعال سازی WM برای هر فرد با استفاده از اسکن BH ان ها مطابق با معادله‌ی ۴ کالیبره شد. اجازه دهید Smeas(i,j) چگالی سیگنال کار (اندازه‌ی اثر) در i امین وکسل برای j امین فرد باشد. سسپس تراکم کالیبره شده‌ی مربوطه‌ی Scalib با معادله‌ی زیر داده می‌شود:
کمی سازی
مقادیر T متوسط و تخمین‌های پارامتر وزن دار کنتراست برای وکسل هایی اندازه گیری شد که بیشترین پاسخ را در طول کار WM نشان دادند. در شبکه‌ی WM هر فرد، ماسک‌هایی از طریق هم محور کردن کره‌هایی با شعاع ۸ میلی متر در طول کار WM ایجاد می‌شوند. درون این ماسک‌ها ۱۰ وکسل با بالاترین امتیاز T ROI های منطقه را ایجاد می‌کنند. همبستگی بین اثر BOLD در طول BH و اثرات BOLD مشاهده شده برای WM در پنج منطقه‌ی اولیه بررسی شد: قشر پیش برنده‌ی راست و چپ، قشر اهیانه ای قدامی راست و چپ، و قشر کمربندی. همه‌ی داده‌ها در یک روز، یک جلسه‌ی اسکن جمع اوری شدند، و داده‌ها برای این انالیز به صورت فضایی نرمال نشدند. بنابراین، ما به صورت موثری پاسخ BOLD را در نواحی تعریف شده با یک فرایند شناختی، در این مورد حافظه‌ی کاری، در یک مبنای فردی ارزیابی کردیم، و ان پاسخ را با اثرات BOLD به دست آمده در طول BH برای همان فرد در همان منطقه و جلسه‌ی اسکن، مقایسه کردیم. این اندازه گیری‌ها برای توسعه‌ی یک پاسخ WM کالیبره استفاده شدند. ما درجه‌ی تغییر پذیری بین فردی اندازه‌ی اثر در ROI ها را قبل و بعد از کالیبراسیون با استفاده از تست F بررسی کردیم.
نتایج
شکل ۳ نشان دهنده‌ی یک سری زمانی BH اندازه گیری شده‌ی معمول و سری‌های زمانی مدل سازی شده‌ی مربوطه را نشان می‌دهد. ضریب همبستگی پیرسون ۸۸/۰ است، که نشان دهنده‌ی این است که GLM نمایش فوق العاده ای از پاسخ BH میانگین است. علاوه بر این، نقشه‌های فعال سازی ایجاد شده از کار BH، ضریب همبستگی < ۶۰/۰ را در وکسل های منفرد درون نواحی WM مورد نظر نتیجه می‌دهد، که مجدداً نشان دهنده‌ی دقت بالا در نشان دادن دامنه‌ی BH BOLD است. این تعجب آور نیست، زیرا تنها وکسل هایی با پاسخ BH قوی در کالیبراسیون با روش استانه در نظر گرفته شده‌اند. بنابراین، همبستگی قوی مشاهده شده بین داده‌ها و مدل در ROI ها و وکسل های منفرد نشان دهنده‌ی اثربخشی روش GLM است که ما برای کمی کردن دامنه‌ی سیگنال BH با سری زمانی متوسط استفاده کردیم.
بحث
همان طور که فرض شده است، به نظر می‌رسد که سیگنال BH BOLD یک معیار کالیبراسیون مؤثر است. ما یک همبستگی قابل توجه را بین پاسخ BOLD به BH و پاسخ BOLD به یک کار شناختی (WM) را مشاهده کردیم که مخصوص فرد و مخصوص منطق بودند. روش کالیبراسیونی که در اینجا ارائه شده است، بر اثر بخشی پاسخ BH BOLD برای مشخص کردن توامند سازی قلبی محلی بدون تعدیل شناختی قابل توجهی، تکیه دارد. ارتباط درونی قوی WM و پاسخ BH BOLD یک تائید اساسی از این تئوری بود (معادله‌ی ۵). استفاده از کالیبراسیون مبتنی بر BH برای تقویت یا سرکوب پاسخ‌های منطقه‌ای برای کار WM در افراد استفاده می‌شود. کالیبراسیون تغییر پذیری کلی را در بزرگی و میزان پاسخ در افراد کاهش می‌دهد، و این کاهش همراه با حذف مشخصه‌های برجسته‌ی تغییرات پاسخ همودینامیک است که برای هر دو کار مشترک است. تغییرات بین فردی در اثر WM BOLD به مقدار ۸/۲۴٪ کاهش داشته است، که در P < 0.03 (جدول ۱) معنادار است، و تغییرات در میزان فعال سازی از گروه میانگین در زمان نرمال شدن، به مقدار زیادی کاهش دارد (P = 0.016) (جدول ۲). بنابراین، با کاهش پریشانی اختلاف‌های کاملاً عروقی درون فردی وبین فردی، ممکن است انتظار برود که داده‌های کالیبره شده باید یک واریانس درون فردی باقی مانده داشته باشند که به صورت دقیق‌تری اختلافات عصبی بین افراد را منعکس کند، که به نوبه‌ی خود باید اعتماد بیشتری در نتیجه گیری در مورد شناخت فرد یا گروه فراهم آورد.
این مقاله ISI در سال 2007 در نشریه وایلی و در مجله نقشه برداری مغز انسان، توسط دانشکده پزشکی منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله اثر کاهشی کالیبراسیون fMRI BOLD با استفاده از نگه داشتن نفس در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
