MR-Beurteilung der durch Bleiexposition veränderten Gehirnfunktion

Überblick über die Bildgebung

Alle MRT- und MRS-Untersuchungen werden mit einem klinischen 1,5-MRT-Scanner durchgeführt. Die Durchführung der MRT- und MRS-Untersuchungen dauert etwa eine halbe Stunde. Bei Probanden, bei denen auch eine fMRT durchgeführt wurde, ist eine weitere Scansitzung mit dem Forschungs-3T-MR-Scanner mit einer einstündigen Bearbeitungszeit erforderlich. Die Einweisung in die Scanverfahren erfolgt während des Besuchs im Imaging Research Center nach Abschluss der Einverständniserklärung. Der Teilnehmer erhält eine kurze Einführung in die allgemeinen MR-Scanverfahren und eine Demonstration der MRT-Geräte. Vor Beginn des Studiums wird es den Probanden ermöglicht, sich mit dem Scanner vertraut zu machen, um Ängste vor dem Experiment abzubauen. Die Probanden erhalten Unterricht und Übung in den entsprechenden Verhaltensweisen, die für eine erfolgreiche MR-Studie erforderlich sind. Der forschende MR-Techniker verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung in der pädiatrischen Neurobildgebung und achtet sehr darauf, dass sich die Probanden in der Kopfspule wohlfühlen, damit sie für die Dauer des Scans so bewegungslos wie möglich bleiben können. Der Proband wird gebeten, ein Video auszuwählen, das er ansehen möchte, und erhält sofort beim Betreten des Scannerraums die Videobrille zum Fokussieren und Anpassen. Sobald der Proband auf dem Tisch liegt, wird sein Kopf in einem gepolsterten Kopfhalter mit zusätzlichen Schaumstoffpolstern fixiert, während der Proband das Video ansieht. Diese Anordnung ist gemütlich, aber nicht unbequem. Der Proband wird gebeten, eine Knopfbox in einer Hand zu halten; Dies wird verwendet, um Antworten zu geben, die Leistungsdaten liefern, die für Gültigkeitsprüfungen des Aufgabenengagements sowie für die Korrelation mit den Aktivierungsergebnissen verwendet werden. Jedem Probanden wird außerdem ein „Panikball“ zur Verfügung gestellt. Die Probanden werden sorgfältig an die Ausrüstung und Umgebung herangeführt und üben explizit alle Aufgabenanforderungen aus.

Anatomischer Lokalisierer und hochauflösende Bilderfassung

Nachdem die Motive im Scanner positioniert wurden, wird der Scanner justiert, um ein homogenes Magnetfeld für die Bildaufnahme bereitzustellen. Ein erster Ausrichtungsscan wird in drei orthogonalen Ebenen gleichzeitig durchgeführt, wobei eine für den Scanner entwickelte schnelle Gradientenechosequenz verwendet wird. Dieser Scan dauert etwa 30 Sekunden und bietet einen schnellen Überblick über die Kopfposition der Person. Als nächstes wird ein hochauflösender T1-gewichteter neuroanatomischer 3D-Scan unter Verwendung eines Inversion Recovery-Protokolls mit schnellem Spoilt-Gradienten-Echo (IR-vorbereitetes FSPGR) erstellt, um Bilder für morphometrische Studien, die Lokalisierung von MRS und die anatomische Lokalisierung der Aktivierungskarten bereitzustellen . Die Erfassung dauert etwa 6 Minuten und ergibt eine räumliche Auflösung von mindestens 1 mm x 1 mm x 1,5 mm mit ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis und Kontrast zwischen grauer und weißer Substanz sowohl für die manuelle als auch halbautomatische Segmentierung regionaler Gehirnvolumina.

Akquisitionen im Bereich Protonen-MR-Spektroskopie

Protonen-MR-Spektroskopiedaten werden mithilfe der PRESS-Methode (Point Resolution Spectroscopy Localization) erfasst. Grafisch werden 3D-kubische Volumenelemente „Voxel“ auf der Grundlage der 3D-Bilder an den anatomischen Stellen positioniert. Voxel 1 wird im anterioren Cingulum platziert, Voxel 2 im linken dorsallateralen präfrontalen Kortex, Voxel 3 innerhalb der Basalganglien, die das Caudatus, das Putamen und die innere Kapsel umfassen, und Voxel 4 wird entlang des oberen Temporalgyrus platziert. Voxel 5 dient als Kontrolle und ist im linken Centrum semiovale positioniert, einer vermutlich nicht betroffenen Region der weißen Substanz. Die Voxel 6 und 7 befinden sich im Kleinhirn bzw. Vermis.

Funktionelle MRT-Akquisitionen

Die Position der 24 axialen Schichten, die bei den fMRT-Verfahren abgebildet werden sollen, wird anhand der hochauflösenden anatomischen Bildsequenz identifiziert. Diese 24 Scheiben mit einer Dicke von 5 Millimetern (120 mm) reichen aus, um Bereiche abzudecken, die sich bei einem erwachsenen Gehirn von unterhalb des unteren Teils des Kleinhirns nach oben bis zur Spitze des Großhirns erstrecken. Die Probanden durchlaufen die fMRT-Scansequenz, in der sie aufgefordert werden, Aufgaben auszuführen, die Sprache, Gedächtnis und Aufmerksamkeit betreffen können. Das Protokoll für die fMRT-Scans wird eine T2-gewichtete Gradientenecho-Echo-Planar-Imaging-Methode (EPI) sein. Die zeitliche Abfolge abwechselnder Perioden (30 Sekunden) der Aufgabenbedingungen wird 5,5 Mal für insgesamt 11 Intervalle mit 10 Aufnahmen pro Intervall wiederholt, was zu 240 Bildern führt. Für jeden Zeitpunkt werden 24 Bildschnitte erfasst. Die Synchronisierung der fMRT-Scans mit den Videoreizen erfolgt vollständig automatisiert, sodass der Bruker-MR-Scanner zu Beginn der visuellen Präsentation auf dem Macintosh-Computer mit der Erfassung beginnt. Die MacStim-Präsentation und das fMRT-Scan-Timing werden vom Triggerpunkt bis zum Ende des Experiments synchronisiert. Die hochauflösende MDEFT-Sequenz ermöglicht die Extraktion der 24 fMRI-Scanebenen aus diesem 3D-Anatomiedatensatz durch Interpolation zur Verwendung als anatomische Unterlage für die Aktivierungskarten.

Paradigmen testen

Die Aufgabe zur Verbgenerierung basiert auf der von Binder et al. beschriebenen Aufgabe. und beinhaltet die auditive Präsentation einer Reihe von Substantiven. Das Subjekt wird benötigt, um Verben zu generieren, die jedem Substantiv zugeordnet sind. Wenn beispielsweise das Substantiv „Ball“ vorkommt, generiert das Subjekt möglicherweise die Verben „werfen“, „treten“ und „schlagen“. Der Proband wird angewiesen, die Verben lautlos zu denken, ohne sie auszusprechen, um die mit der Sprache verbundenen Bewegungsartefakte zu minimieren. Die Aufgabenerfüllung wird durch einen Knopfdruck jedes Mal überwacht, wenn der Proband an ein Verb denkt. Es wird angenommen, dass diese Ausdrucksaufgabe die Einbeziehung der dominanten Sprachbereiche des Frontallappens und Parietallappens erfordert. Diese Aufgabe ist aus der klinischen Literatur als MRT-Analogon des im Wada-Test verwendeten Verfahrens abgeleitet. Es wird heute häufig zum Testen der hemisphärischen Sprachdominanz bei Erwachsenen eingesetzt. Es ist teilweise in das aktuelle Protokoll aufgenommen, um einen Vergleich mit der vorhandenen Literatur sowie mit unseren eigenen vorläufigen Daten aus anderen Populationen zu ermöglichen. Schließlich ist dies eine schwierige semantische Aufgabe und passt genau in den Umfang der Sprachkenntnisse, die wir bei jungen Erwachsenen mit Bleiexponierung überwachen möchten.

Bei Studien zur Untersuchung des Arbeitsgedächtnisses werden die „n-back“-Aufgaben mithilfe der MacStim-Software auf einem Macintosh PowerBook-Laptop-Computer verwaltet. Beim „n-back“ handelt es sich um eine Arbeitsgedächtnisaufgabe, bei der Probanden Zahlen von eins bis vier sehen, die regelmäßig in einem von vier Quadranten auf dem Bildschirm erscheinen. Die Probanden betrachten die Reize durch das audiovisuelle Brillensystem und reagieren mit einem Tastenfeld, auf dem die Tasten so angeordnet wurden, dass sie den auf dem Bildschirm angezeigten Zahlen entsprechen. Im Zustand „Null zurück“ drücken die Probanden die Zahl, die der dann erscheinenden Zahl entspricht. Im „zwei zurück“-Zustand drückt die Testperson die Taste, die der Zahl entspricht, die zwei Stellen vor der Zahl dann auf dem Bildschirm erschien. Während der fMRT-Scans werden die Probanden gebeten, die „Null- und Zwei-Rücken“-Aufgaben in einem blockperiodischen Design auszuführen. Während jeder Bedingung erscheinen 15 Zahlen über einen Zeitraum von 30 Sekunden. Insgesamt werden 11 Intervalle über einen Scan von 5 1/2 Minuten präsentiert. Die „Zero-Back“-Aufgabe dient als Kontrast zu den „Two-Back“-Aufgaben. Daten aus dem ersten „Null-zurück“-Aufgabenintervall werden während der Nachverarbeitung verworfen, um etwaige nicht gleichgewichtige Intensitätsmodulationseffekte zu vermeiden.

Zur Beurteilung der Aufmerksamkeit wird der CPT-IP mithilfe der MacStim-Software und eines MRT-kompatiblen audiovisuellen Systems verwaltet. Während der fMRT-Scans werden die Probanden gebeten, die CPT-IP-Aufgabe in einem blockperiodischen Design auszuführen. Die Teilnehmer wechseln zwischen zwei Bedingungen. Während der ersten Bedingung führen die Probanden eine Kontrollaufgabe aus, bei der sie eine vierstellige Zahl sehen, die sich mit einer konstanten Geschwindigkeit (0,75 Sekunden) wiederholt, und werden angewiesen, einfach auf die blinkende Zahl zu schauen, ohne in irgendeiner Weise zu reagieren. Während der zweiten Bedingung beobachten die Probanden eine Reihe hochauflösender vierstelliger Zahlen, die in einer zufälligen Reihenfolge erscheinen, und werden angewiesen, eine Antworttaste zu drücken, wenn sie sehen, dass sich eine Zahl während der Reihenfolge zweimal hintereinander wiederholt. Alle 0,75 Sekunden erscheinen erneut Zahlen.