研究人员使用成像技术收集个体大脑的大量数据

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  研究人员使用成像技术收集个体大脑的大量数据

  2017年7月29日

  寻求分析个体人类大脑的独特特征演变成所谓的午夜扫描俱乐部,这是一群科学家,他们有很多想法,但几乎没有资金,也没有多少时间研究激活身体最强大器官的数万亿神经连接。

  该研究小组于2013年由圣路易斯华盛顿大学医学院的两名神经科学家开始,他们的目的是收集大量关于个体大脑的数据。该研究的主题是科学家本人和其他八个人,都是初级教师或研究生。

  分析连接的大多数工作涉及扫描许多大脑并在人群中平均数据。在这项研究中,研究人员使用脑成像技术来评估控制言语和运动功能的大脑网络,以及其他活动。研究人员在休息和进行阅读等认知任务时检查了个体。

  他们的目的是通过汇总10名成年人收集的数小时数据来更好地了解个人大脑的内部运作 - ;一组研究对象,其中包括两名研究人员。他们的工作导致10个高保真,个性化的连接组 - ;神经脑连接的详细地图揭示了大脑网络中的空间和组织变异性,并且有朝一日可能有助于确定脑相关疾病的个性化治疗方法。

  这项研究于7月27日在线发表在“神经元”杂志上,并将刊登在8月16日的期刊印刷版封面上。该数据集可作为神经科学家的资源,因此他们可以探索有关大脑电路的进一步发现的信息。

  “使用这种方法,我们可能有一天能够获得患者的脑功能图并基于其脑网络的特定特征个性化神经精神和医学治疗,”医学博士,医学博士Nico Dosenbach说,他是医学院儿科和发育神经学助理教授。 “我们希望能够使用神经影像学来治疗癫痫发作,偏头痛和抑郁症患者的个性化医疗。

  “这对于基本的神经科学也是令人兴奋的,因为这些单独的地图看起来与当前可用的标准组地图有很大的不同,”多森巴赫说。 “我们了解到,空间平均会破坏我们大脑组织的所有优良特征,就像你平均几张人脸的照片时所发生的那样。一切都变得模糊和斑点。“

  在过去的25年中,神经科医生将人群中的MRI数据平均化,作为近似人类大脑组织的一种方式。

  “我们想采取不同的方法,” Dosenbach解释说,他也在圣路易斯儿童医院治疗病人。 “平衡许多人的大脑数据使科学家们能够学到很多关于大脑功能的知识。

   但是,在单个级别上编译数据会带来精确的机会。目标是找到可能在从偏头痛到阿尔茨海默氏症到脑损伤的神经疾病中起作用的个体差异。

  Dosenbach和他的同事收集了10个人的MRI图像,并分析了神经细胞在个体大脑中的功能。他们使用了两种类型的磁共振成像:功能性MRI,它可以确定在特定认知活动中最活跃的大脑部分;和休息状态功能连接,探索神经连接,而大脑没有积极参与任务。

  然而,获得这样的图像带来了挑战 - ;其中,找到承诺的志愿者进行数小时的大声,令人不快的脑成像,并找到解决研究中MRI机器的高需求和成本的方法。

  “每人获得大量成像数据的主要缺点是成本高,”多森巴赫说。 “作为一名新教员,我的资金非常短缺。此外,扫描仪大部分都是每天都在预订。“

  Dosenbach和他的研究伙伴Steve Nelson博士当时是华盛顿大学心理学研究科学家,在Nelson发现其中一所大学的研究扫描仪(当时每小时约600美元)的费用之前已经头脑风暴,没有被吓倒。午夜后减少了90%。

  相关故事研究人员捕捉小鼠帕金森氏症大脑活动模式的改变大学研究可以解释为什么维生素D对大脑健康至关重要。锻炼可以让老年男性比大脑更好,“我们的座右铭是Carpe noctem或抓住夜晚,”多森巴赫说。

  作为午夜扫描俱乐部的创始成员,Dosenbach和Nelson - ;现在是德克萨斯州韦科的美国退伍军人事务部的神经影像主任,以及韦科的贝勒大学和达拉斯的德克萨斯大学的研究助理教授。首先扫描他们的大脑,让他们自己进行12个夜间,两个小时的课程。

  然后两人招募了八名志愿者 - ; 20至20年代中期的男女研究生和初级教师。

  “这项研究并不容易,”多森巴赫说。 “我们已经专业化了,MRI经验令人不快,很难保持清醒。而且我们也有个人生活。当时,我有一个小孩,我的妻子怀孕七个月。对我来说,让我在白天和晚上大部分时间都去了,然后让我在回家的时候小睡,这是一个很大的牺牲。

  然而,该战略证明对预算有利,如果他们在白天进行扫描,总共花费12,000美元而不是125,000美元。

  他们的分析 - ;由第一作者Evan Moss Gordon博士领导,他是韦科美国退伍军人事务部的调查员,以及Barnes-Jewish医院精神病学住院医师Timothy O. Laumann博士。揭示了该群体中大脑组织的几种变化。例如,在大多数人中,整个大脑网络形成一个巨大的循环;然而,在包括Dosenbach在内的两位研究参与者中,整个大脑显示出更多的线性关系。

  “我的大脑与众不同意味着什么?”他问。然而,“我不知道,通常认为循环网络提高了信息处理的效率。”

  他将场景与选择到同一目的地的不同路线的两名司机进行了比较。高速公路上的一个啤酒花快速到达;另一边蜿蜒着小巷。尽管方法和时间不同,两者都到达同一个地方。

  “在未来更大样本量的工作中,我们希望澄清神经连接中哪些变化会影响行为,哪些不会影响行为”。多森巴赫说。

  Dosenbach说,该数据集还可以帮助神经科医生了解和治疗癫痫等脑部疾病。 “如果我们为每个主题收集更多和更高质量的数据,我们可以制作每个人的功能性大脑架构的精确地图,”他说。 “对我来说,这是使用这些地图指导我们照顾神经和精神病患者的第一步。我们的小样本并不多样,但数据已经提出了几种变化。这对于理解为什么人们对不同的药物治疗有独特的反应可能是重要的。

  该项目部分受到人类连接项目的启发,该项目是一项全球性工作,致力于通过神经成像和数据共享绘制人脑电路图。自2010年以来,华盛顿大学共同领导该项目,当时美国国立卫生研究院(NIH)将该大学命名为监管3000万美元的联合负责人,以便为研究财团提供资助。

  Dosenbach还表示,他受到斯坦福大学着名神经科学家和心理学家Russell Poldrack博士的启发。 “Russ是第一个每周扫描两次近18个月的人,”多森巴赫说。 “我们钦佩他的做法,我们想扩大它。

  “我们已经有其他研究小组表示有兴趣模仿我们的数据收集方法,其他研究小组希望合作分析数据,”他说。 “对我来说,这是神经影像领域的范式转变。我很高兴看到这将引导我们探索人类大脑的奥秘。

  来源:HTTPS://medicine.wustl.edu/news/scientists-become-research-subjects-hours-brain-scanning-project/