درآمدی بر کشفیات جدید اسکن‌های همزمان دو مغز

فرصت‌هایی برای مطالعه سازوکارهای مغز در تعاملات اجتماعی

لمس کردن یکدیگر در مغز چگونه درک می‌شود؟

محققان دانشگاه آلتو و مرکز PET توروکو یک روش جدید برای تصویربرداری همزمان فعالیت مغز از دو نفر ایجاد کرده‌اند و به آن‌ها اجازه می‌دهند تا تعاملات اجتماعی را مطالعه کنند. در سال 2020 و طی یک مطالعه، مغز ده زوج انسان را اسکن کردند. هر زوج 45 دقیقه داخل دستگاه ام آرآی در تماس فیزیکی با یکدیگر قرار گرفتند. هدف این مطالعه بررسی اینکه «چگونه ارتباط اجتماعی، مغز را فعال می‌کند» بود. نتایج در ژورنال Frontiers به چاپ رسیده است. به گفته‌‌ی Riitta Hari ، استاد دانشگاه آلتو، این موضوع شروعی عالی برای مطالعه تعامل طبیعی است. افراد فقط به محرک‌های بیرونی واکنش نشان نمی‌دهند بلکه لحظه به لحظه براساس آنچه انتظار دارند در آینده اتفاق بیفتند، فعالیت خود را وفق می‌دهند.

 تصویربرداری تشدید مغناطیسی معمولی برای اسکن یک فرد در یک زمان استفاده می‌شود. کویل اصلی (حلقه‌ای که میدان مغناطیسی از آن تولید می‌شود) که برای اسکن معمولی مغز استفاده می‌شود در این مطالعه به دوتا کویل جداگانه تقسیم شده است. این طراحی جدید اجازه می‌دهد تا زمانی که دو فرد به اندازه کافی نزدیک هم قرار می‌گیرند، اسکن از دو مغز به صورت همزمان انجام شود. در طول اسکن، افراد تقریبا یکدیگر را در آغوش می‌گیرند. در زمان‌های بخصوصی که توسط محققان به آن‌ها آموزش داده شده، افراد به نوبت به لب یکدیگر ضربه می‌زدند. محققان با نگاه به اسکن مغز متوجه شدند که کدام نواحی حرکتی و حسی مغز این دو فرد فعال شده‌ است.

تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) عملکردی همزمان دو مارموست بیدار

شناخت اجتماعی، فرآیندی پویا و مستلزم درک و ادغام مجموعه‌های پیچیده‌ با ویژگی‌های منحصربه‌ فرد در میان همنوعان متقابل است. این مقاله، با استفاده از تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) به اندازه‌گیری همزمان فعال‌سازی کل مغز دو میمون مارموست که از نظر اجتماعی در تعامل هستند، می‌پردازد.

این روش، امکانات بسیاری را برای مطالعه بالقوه عملکرد اجتماعی و اختلال در یک مدل اولیه غیر انسانی فراهم می‌کند.

• مقدمه

شناخت اجتماعی، فرآیندی پویا و مستلزم درک و ادغام مجموعه‌های پیچیده‌ با ویژگی‌های منحصربه‌ فرد در میان همنوعان متقابل است. اگر چه تحقیقات مرتبط با ویژگی‌های تک‌وجهی با تصویربرداری عملکردی، بینش‌های عمده‌ای را در مورد همبستگی‌های عصبی تعامل اجتماعی را رائه داده‌اند،با این حال ویژگی‌های خاص نهفته در تعاملات اجتماعی واقعی (مانند آنهایی که با واکنشی از چهره ارتباط برقرارمی‌کنند) در این الگو‌های کنترل‌شده گم شده‌اند.

یکی از روش‌های پیاده‌سازی هوشمندانه تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI)، حالتی است که آزمودنی‌ها از طریق یک شبکه به نام hyperscanning در تعامل هستند، که در آن دو نفر به طور همزمان در اسکنرهای متفاوتی که از طریق یک رابط صوتی-تصویری به هم متصل هستند، اسکن می‌شوند. Hyperscanning به ویژه برای مطالعه هایی که در آن‌ها تعاملات اجتماعی غیرقابل پیش بینی هستند، مفید است، به طوری که در این مطالعات رفتار آزمودنی‌ها تحت تأثیر یکدیگر قرار می گیرند. با این حال، در مطالعات قبلی اشاره شده است که فعالیت مغز زمانی افزایش می‌یابد که آزمودنی‌ها در مقایسه با تماشای یک تعامل ضبط شده، یک ارتباط متقابل واقعی زنده داشته باشند.  جهت از بین بردن سردرگمی‌های مطالعاتی که در آن‌ها تعاملات به صورت مجازی صورت میگیرد، کویل‌هایRF مخصوص، اجزای سخت‌افزاری که مسئول دریافت سیگنال MRI از مغز هستند،  ساخته شده‌اند که امکان تصویربرداری همزمان از دو نفر را در یک اسکنر MRI فراهم می‌کنند. با این حال، این مطالعات به دلیل محدود بودن فضای داخل مگنت ام‌آرای، محدود میشوند چرا که افراد داخل اسکنر باید در تماس فیزیکی با یکدیگر قرار بگیرند و به دلیل محدودیت فضا یک تعامل اجتماعی غیرطبیعی ایجاد می‌شود.

تعامل اجتماعی در مدل‌های حیوانی پیش‌بالینی نیز مورد مطالعه قرار گرفته است که امکان ثبت مولتی‌مدال و اندازه‌گیری الکتروفیزیولوژیکی را جهت ارزیابی فعال‌سازی مغز ممکن می‌سازد. همبستگی و همزمانی فعالیت عصبی در طول تعامل اجتماعی در موش‌ها، خفاش‌ها و پستانداران غیر انسانی در مطالعات مختلف نشان داده شده است. اگرچه مطالعات همزمان آناتومیک MRI بر روی حیوانات (به ویژه موش ها) در مطالعات ژنتیکی انجام شده است، با این حال مطالعه حیواناتی که در تعامل اجتماعی با یکدیگر هستند و امکان ارزیابی فعال سازی کل مغز را فراهم می کنند، هنوز با fMRI مورد بررسی قرار نگرفته است.

علت انتخاب مارموست

گسترش این مطالعات در مدل های حیوانی برای نشان دادن اختلالات عصبی روانی، مانند اسکیزوفرنی، افسردگی، و اختلال دوقطبی، همچنان یک زمینه چالش برانگیز مطالعه است. با این حال، میمون مارموست معمولی به دلیل همسانی نزدیک آن با انسان در مقایسه با جوندگان و همچنین به دلیل ساختار سخت و دانه‌ای قشر خلفی‌جانبی پیش‌پیشانی، ناحیه ای از مغز که با انواع اختلالات عصبی روانپزشکی و شناخت اجتماعی مرتبط است، به عنوان یک مدل حیوانی محبوب در حال ظهور است.

• مواد و روش‌

این مطالعه، روشی را توصیف می کند با عنوان روش "کویل  اجتماعی" که در آن سخت افزار شامل یک کویل RF و پلت‌فرم موقعیت‌یابی و پایپ‌لاین پردازش تصویر جهت ثبت  fMRI همزمان از دو مارموست می‌باشد که در تعامل اجتماعی باهم و در یک اسکنر بالینی هستند.  معیارهای برجسته توپولوژی کویل، در زمینه چالش‌های فنی منحصر به یک طراحی مارموست دوگانه، ارزیابی شده است تا به این سوال اصلی رسیدگی شود: "آیا می‌توان به کیفیت تصویر مورد نیاز جهت نقشه‌برداری از فعالیت‌های عصبی درون مغزی و فعالیت‌های بین مغزی مارموست‌های دارای تعامل اجتماعی دست یافت" ؟ در آزمایش اول، کارایی روش با اندازه‌گیری فعال‌سازی درون و بین مغزی دو مارموست که به طور مداوم در میدان بینایی یکدیگر قرار دارند، نشان داده شده است. در آزمایش دوم تعامل اجتماعی یک مارموست هنگامی که به صورت حضوری دومین مارموست را مشاهده می‌کند یا زمانی که ویدیو ضبط شده از همان ماموست رو مشاهده می‌کند بررسی شده است. به بیان دیگر، مارموست در یک حالت قادر به تعامل اجتماعی با همنوع خود میباشد و در حالت دیگر این توانایی را ندارد.

تصویربرداری روی چهار مارموست معمولی (به نام‌های M1، M2، M3 و M4) انجام شد: مارموست های نر 3 ساله با وزن 310 گرم (M1)، 400 گرم (M2) و 340 گرم (M3) و یک مارموست2.5 ساله ماده با وزن 365 گرم (M4) . مارموست M1 و M3  در کنار هم قرار گرفتند و برادران دوقلو هستند. مارموست‌های M3 و M4 به طور جداگانه قرار گرفتند و با یکدیگر آشنا نبودند. آزمایش‌های ردیابی چشم روی میز بین مارموست M4 و M5 انجام شد.

در طول هر جلسه تمرین، به حیوانات برای حفظ آرامش، رو به جلو قرار گرفتن و حداقل حرکت اندام، پاداش داده می‌شد. میزان تحمل مارموست‌ها به آموزش با استفاده از مقیاس رتبه بندی رفتاری مورد ارزیابی قرار گرفت: هر مارموست باید قبل از اسکن نمره 1 یا 2 را در مقیاس ارزیابی می‌گرفت.

سخت افزار اسکنر MRI

تمام تصویربرداری در مرکز نقشه برداری عملکردی و متابولیک در دانشگاه انتاریو غربی انجام شد. جمع‌آوری داده‌های MRI بر روی یک اسکنر زیمنس Prisma Fit تمام بدن انسان که با میدان مغناطیسی اصلی T۳ کار می‌کند، انجام شد. این سیستم به 64 کانال گیرنده مجهز شده است که از 10 کانال استفاده شده است: دو شاخه ( یک شاخه در هر کویل) به آداپتورهای رابط کویل Tim متصل شده است تا امکان کار بر روی پلت فرم سخت افزاری زیمنس Prisma را فراهم کند. کویل گرادیان XR80/200  ، حداکثر توانایی گرادیان 80 mT/m و حداکثر نرخ slew: 200 T/m/s را مجاز می‌دانست.

اینکه آیا یک اسکنر MRI قادر به پشتیبانی از این روش است، به اندازه کویل گرادیان بستگی دارد: تا زمانی که هر دو مارموست را بتوان در ناحیه خطی کویل گرادیان قرار داد و به اندازه کافی حدت بینایی آنها فاصله داشته باشند، این تکنیک می تواند به نقاط قوت میدانی مختلف و اسکنرهای MRI تفسیرشود.

طراحی سیستم کویل RF

سیستم سیم پیچ فرکانس رادیویی برای دستیابی به سه هدف اصلی طراحی شده است: (1) کاهش حرکت حیوانات در طول اسکن عملکردی (2) به مارموست‌ها اجازه می‌دهد تا جهت‌گیری‌های تکرارپذیر و متنوع در اسکنر داشته باشند. (3) جهت ایجاد حساسیت لازم برای نقشه برداری از فعال‌سازی مغز در یک اسکنر ان‌آر‌ای سه تسلا.

کویل RF از دو کویل گیرنده متفاوت تشکیل شده: هر کویل شامل سیستم مهار با یک آرایه فرکانس رادیویی یکپارچه‌اند که حرکات ماموست ها را تحت کنترل نگه داشته‌اند. توپولوژی این طرح از مطالعه قبلی این محققین که برای تصویربرداری از مارموست های بیدار روی یک اسکنر حیوانات کوچک 9.4 تسلا اقتباس شده است، اتخاذ شده است. از آنجایی که منطقه همگن محدود اسکنر 9.4 تسلا از مطالعه دو مغز مارموست، حتی در مجاورت نزدیک، جلوگیری می‌کرد، تغییراتی ایجاد شده تا امکان استفاده از طرح قبلی این محققین بر روی یک اسکنر تمام بدن سه تسلا را فراهم کند و انعطاف‌پذیری در تنظیمات مکانیکی را فراهم کند. سیستم مهار شامل یک لوله اکریلیک مجهز به صفحات گردن و دم برای محدود کردن حرکت بدن بود (شکل 1). کویل RF به سطح داخلی یک سیستم تثبیت‌کننده سر چسبانده شدهکه در آن عمل بسته شدن دو نیمه کویل RF لولایی، محفظه سر را می‌بندد در حالی که به طور همزمان عنصر کویل را که محفظه را احاطه می‌کند، کامل می‌کند. ماهیت نزدیک بهم آرایه‌های کویل‌، حساسیت و در نتیجه کیفیت تصویر را افزایش می دهد. تثبیت چهار نقطه ای محفظه، حرکت انتقالی و چرخشی را به کمتر از 140 میکرومتر و 0.6 درجه در طول یک اجرای عملکردی 5 دقیقه می‌رساند. حرکت به طور قابل توجهی کوچکتر از اندازه وکسل 1 میلی متری به کار رفته در این مطالعه بود، در نتیجه تأثیر ناچیزی بر کیفیت داده‌ها داشت.

تنظیم مکانیکی کویل اجتماعی

هر مارموست در یک دستگاه مهار با یک کویل فرکانس رادیویی یکپارچه قرارداده شده است. در ابتدا، با باز شدن کامل بازوهای دستگاه مهار، مارموست وارد تیوب شده و توسط صفحات فیکس‌کننده گردن و دم، در وضعیت ثابت قرار گرفته‌اند. المان‌های کویل در سطح داخلی دو بازوی لولایی قرار داده شده‌اند. بردهای مداری متصل به المان های کویل، به بالای بازوهای لولایی متصل شده‌اند. با فیکس شدن شدن بدن مارموست‌ها و ‌قرارگیری روی یک پلت فرم مرسوم، امکان موقعیت‌یابی مکرر و متفاوت در داخل اسکنر فراهم شده است. قرار دادن ژل روی سر مارموست‌ها سبب کاهش آثار اعوجاج هندسی و آرتیفکت‌های حساسیت می‌شود. سپس سر مارموست‌ها با بستن بازوهای کویل لولایی، قرار دادن پین‌های قفلی و امتداد کامل گیره کویل با یک پیچ سفت، ثابت شده‌اند. ماژول‌های پیش تقویت کننده، مستقل از کویل تغییر مکان می‌دهند تا اطمینان حاصل شود که تقویت کننده‌های کم نویز، همیشه جهت‌گیری بهینه خود را با توجه به میدان مغناطیسی اصلی و بدون توجه به چرخش سیم پیچ حفظ می‌کنند. در این مطالعه، مارموست‌ها با فاصله 11 سانتی‌متری از هم و روبه‌روی یکدیگر قرار گرفتند: فاصله‌ انتخاب شده امکان تعامل اجتماعی طبیعی را بر اساس وضوح بینایی مارموست فراهم می کند. از یک دوربین برای نظارت بر مارموست‌ها در حین اسکن استفاده شده است.

• نتایج

ارزیابی ویژگی‌های نویز کویل اجتماعی

جهت اطمینان از اینکه تفاوت‌های اندازه‌گیری شده در اتصال مغز فیزیولوژیکی هستند و ناشی از عملکرد کویل‌های متفاوت نیستند، شباهت بین معیارهای عملکرد کویل‌های دریافتی متفاوت برای تسهیل مقایسه بی‌طرفانه فعال‌سازی مغز بین مارموست‌ها ضروری است. بدین این منظور، زمانی که کویلها با فانتوم‌های شبیه‌ساز بافت بارگذاری شدند، جداسازی هندسی، جداسازی پیش تقویت‌کننده، و جداسازی فعال روی نیمکت اندازه‌گیری شده است.

ضریب همبستگی پایین بین کویل‌ها تضمین می‌کند که هرگونه فعالیت مغزی همزمان مشاهده شده بین مارموست‌ها به دلیل جفت شدن بین کویل‌ها، نیست. اختلاف میانگین سطح نویز بین سیم پیچ ها 9.7 درصد بود که نشان می دهد ویژگی‌های نویز مشابهی به دست آمده است.

همبستگی نویز درون و بین دو آرایه گیرنده کویل در قسمت a شکل 2  نشان داده شده است (قسمت فوقانی، سیم پیچ 1: عناصر 1-5؛ سیم پیچ 2: عناصر 6-10) . همچنین SNR تمپورال مارموستM1  (کویل 1) و مارموستM3 (کویل 2) وقتی رو به روی هم و در امتداد محور z اسکنر قرار می گیرند، در قسمت b شکل 2 نشان داده شده است. ROI  (مناطق مورد نظر) در صفحات ساژیتال، آگزیال و کرونال تفاوت‌های ناحیه ای بین مغزی کمتر از 10 درصد را نشان می دهد که کمتر از تفاوت های درون مغزی است (که تقریباً 2 تا 3 برابر است). برای تسهیل مقایسه، نقشه‌ها به کنوانسیون رادیولوژیکی تغییر جهت داده شده اند. قسمت c  شکل 2  هیستوگرام SNR تمپورال هر وکسل در مغز هر مارموست را نشان می‌دهد که توزیع مشابهی دارند. خط‌چین‌ها نشان دهنده میانگین SNR تمپورال برای هر ترکیب مارموست/کویل است.

ارزیابی نسبت سیگنال به نویز تمپورال برای تصویربرداری عملکردی

اسکنرهای اختصاصی حیوانات کوچک با میدان فوق العاده بالا، قادر به ايجاد میدان‌های با B0 بالا و افزایش رزولوشن تصویر و SNR می باشند. از طرفی عیب چنین سیستم هایی، کاهش اندازه میدان دید و در نتیجه محدودیت در حجم تصویربرداری است. در مقابل، اسکنرهای بالینی می‌توانند کویل‌هایRF بزرگتر را با تجهیزات جانبی بیشتری در خود جای دهند. در نتيجه حجم تصویربرداری بیشتر بوده و قادر به اسکن همزمان چند مارموست ( البته به قیمت SNR به دلیل قدرت میدان کمتر) مي باشند.

نسبت سیگنال به نویز تمپورال باید به اندازه‌ای بالا باشد تا رزولوشن کافی را برای تشخیص منشاء فضایی سیگنال BOLD fMRI داشته باشد. به دلیل اندازه کوچک سوژه و در عین حال میدان دید بزرگ مورد نیاز برای قرار دادن دو مارموست، این موضوع در یک اسکنر بالینی چالش برانگیز است. ثانیا، دو کویل RF باید منحني هاي SNR تمپورال متناسبي را تولید کنند تا هنگام تعیین همزمان کمیت فعال سازی مغز از آشفتگی حساسیت که به صورت مکانی تغییر می‌کند، بکاهند.

میانگین SNR تمپورال روی مغز هر مارموست به ترتیب 46.4 و 44.5 بود که اين مقدار، برای نقشه‌برداری از شبکه مغز کافی است.

اصلاح اعوجاج هندسی در اسکنر بالینی

تصویربرداری از دو آزمودنی متفاوت در یک حجم تصویربرداری واحد، سبب كاهش  اثر شیمینگ B0  می‌شود. در نتيجه، اعوجاج تصویر هندسی برای پروتکل‌هایی که دارای وزن حساسیت مغناطیسی هستند اتفاق می افتد به ویژه با سکوئنس‌هاس طولانی مانند گرادیان-اکوEPI. هیچ تفاوت قابل توجهی در اعوجاج تصویر طی شیمینگ B‌ روی هر دو مغز مارموست در مقابل یک مغز مارموست در یک زمان، تشخیص داده نشد.

نقشه‌برداری شبکه درون مغزی در آزمایش اول (مارموست ها در میدان بینایی یکدیگر قرار دارند)

اسکن عملکردی از مارموست‌هایی که در میدان بینایی یکدیگر قرار گرفته بودند اخذ شد تا تعیین کند آیا SNR تمپورال و رزولوشن تصویر (ایزوتروپیک 1 میلی‌متری) برای نقشه‌برداری اتصال درون مغزی کافی است یا نه. چهار اسکن، هر یک به مدت 10 دقیقه، با دو مارموست که رو به روی هم و با فاصله 11 سانتی متری از هم قرار گرفته بودند، به دست آمد. این موضوع به مارموست ها اجازه داد تا در تمام مدت ثبت در میدان بینایی یکدیگر قرار بگیرند. آنالیز مؤلفه‌های مستقل برای هر مغز برای تعیین همبستگی‌های درون مغزی در طول تعامل اجتماعی ثابت اعمال شد. نقشه‌های اتصال درون مغزی (نقشه‌های z-score ) سه شبکه در شکل 4 ارائه شده‌اند.

نقشه‌برداری شبکه بینمغزی در آزمایش اول (مارموست ها در میدان بینایی یکدیگر قرار دارند)

یکی از مزایای منحصر به فرد اسکن چندین مارموست هوشیار به طور همزمان، توانایی ارزیابی همزمان (یا تأخیر معکوس و / یا ناهمزمان) اتصالات کل مغز است. برای نشان دادن اثربخشی روش کویل اجتماعی، دوره‌های زمانی عملکردی به دست آمده با یک ویژگی مداوم قابل مشاهده برای همگام‌سازی بین مغزی ارزیابی شد. امتیاز z که از ضریب همبستگی بین دوره‌های زمانی وکسل های فضایی مشابه به دست آمد، فعالیت همبسته (همزمان) را در مناطق A13M،  A23، A24، AuCL و V1 شان داد (شکل 5).

ارزیابی اجتماعی شدن مارموست‌ها در آزمایش دوم (دیدن به صورت حضوری در مقابل ویدیو ضبط شده)

نقشه‌های فعال‌سازی مغز یک مارموست هنگام مشاهده دومین مارموست (الگو 1) یا هنگام مشاهده ویدیوی از پیش ضبط‌ شده از دومین مارموست (الگو 2) به دست آمد. نتایج طی یک آزمون t زوجی بین شرایط محرک دو الگو، مناطقی از مغز را تشخیص داده است که ترجیحاً زمانی که مارموست در حال مشاهده مارموست دیگر به صورت حضوری و نه از طریق ویدیو است، فعال می‌شود. مشاهده دومین مارموست به صورت حضوری (الگو 1) در مقایسه با ویدیو (الگو 2) منجر به فعال‌سازی به‌طور قابل‌توجهی بالاتری در مناطق تمپورال می‌شود.

• بحث

روش توضیح داده شده در این مطالعه، اندازه گیری و ارزیابی فعالیت عصبی همزمان در سراسر مغز بین مارموست‌ها را ممکن می‌سازد و نشان داده شده است که تعامل حضوری بین مارموست‌ها باعث افزایش در فعالیت مغز در مقایسه با ویدیو، می‌شود که  نشان دهنده کارایی این روش در ارزیابی تعامل اجتماعی می‌باشد. این موضوع، امکان مطالعه عملکرد اجتماعی و اختلال در یک مدل اولیه غیر انسانی، از جمله استفاده از مدل‌های تراریخته اختلالات عصبی-روانی را فراهم می‌کند. نمایش تصویربرداری عملکردی همزمان از دو مارموست در یک اسکنر، ابهامات ابراسکن از راه دور را برطرف کرد. توسعه طراحی کویل مدولار، امکان اسکن همزمان گروه‌های بزرگ‌تر را فراهم می‌کند و طیف وسیعی از گروه‌های اجتماعی و تعاملات را بررسی می‌کند.

دقیقاً قبل از اسکن، مارموست‌ها در سیستم مهار در اتاق آماده سازی مجاور اتاق مغناطیسی قرار گرفتند اما سر ثابت نبود. سر مارموست‌ها یک بار روی تخت ثابت شد تا در حین انتقال میزان خطر به حداقل برسد. در طول تصویربرداری، یک تکنسین دامپزشکی از یک دوربین سازگار با MRI برای نظارت بر استرس مارموست ها و بررسی بیدار بودن حیوانات استفاده کرد.

مارموست‌ها در حالی که سر در سیم پیچ اجتماعی تثبیت شده بود، یکدیگر را صدا نمی‌زدند؛ اگرچه ثابت کردن سر مانع از ارتباط صوتی می‌‌شود، با این وجود شرط لازم برای انجام موفقیت آمیز MRI است. با این حال، مارموست‌ها رفتاری نشان دادند که نشان‌دهنده تعامل اجتماعی است، یعنی نگاه چشمی متقابل. این امر از طریق ردیابی چشمی همزمان دو مارموست با وضعیت سر تثبیت شده بر روی نیمکت تأیید شد.

منبع: مجله nature

لینک: https://www.nature.com/articles/s41467-021-26976-4