Использование визуализации в реальном времени на основе виртуальной реальности для понимания сложностей динамики нейронной сети при аутизме

автор Элеонора Ример 07.04.23 15:28

Автор Диян Джайн(перевод Элеонора Ример)

Нейропсихиатрические расстройства представляют собой серьезную проблему для общественного здравоохранения, поскольку они являются основной причиной инвалидности и миллионов смертей во всем мире. Несмотря на тщательные исследования, проведенные за последние несколько лет, наше понимание сложных биологических процессов, лежащих в основе этих заболеваний, остается в основном неизвестным. Недавно ученые из RIKEN BSI провели исследование, целью которого было изучить, как локомоция и поведение мозга связаны со сложными механизмами, лежащими в основе аутизма у мышей, используя визуализацию динамики функциональной связности (ФС) в коре головного мозга мышей в режиме реального времени на основе виртуальной реальности. Исследователи обнаружили, что различные состояния локомоции у аутичных мышей были связаны с изменениями в ФК, особенно в моторной области, что означает, что моторная неуклюжесть связана с аномальной ФК в моторной области. Это исследование дает дальнейшее представление о нейробиологии аутизма и предлагает эту перспективную систему виртуальной реальности для усовершенствования в области неврологии и лечения нервно-психических расстройств.

Функциональная связность (ФС) называется синхронизацией между пространственно удаленными нейрофизиологическими событиями, а проще говоря, она относится к статистическим связям между различными областями мозга. Динамика FC относится к изменениям этих связей в ответ на изменения поведенческого состояния или переходы. Таким образом, ФК и динамика ФК свидетельствуют о нейронной координации и связи между различными областями мозга. Изучение и понимание функциональной связности имеет решающее значение не только для понимания механизмов различных нейробиологических процессов, таких как когнитивные функции, двигательный контроль и сенсорное восприятие, но и для понимания механизмов, лежащих в основе неврологических расстройств, включая расстройство аутистического спектра (РАС). Однако измерение ФК является сложной задачей, и существующие методы не позволяют правильно определить его количественные характеристики. Традиционный метод - функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) - работает при высоком пространственном разрешении. Однако ее временное разрешение очень низкое, что означает, что она не может получить информацию о сложных и динамичных формах поведения, таких как локомоция и движение всего тела.

Недавно разработанная система виртуальной реальности для визуализации в реальном времени позволяла мыши свободно перемещаться в VR-установке. Одновременно измерялись сигналы катионов кальция (Ca2+) в дорсальной коре головного мозга с помощью мезоскопической Ca2+ визуализации. Таким образом, система была использована для получения изображений ФК в реальном времени во время локомоции мыши.

Ключевым результатом стало то, что измененная динамика FC была связана с состоянием локомоции у мышей с ASD по сравнению с контрольными моделями мышей. По сути, у аутичных мышей при переходе от состояния покоя к локомоции наблюдался быстрый сдвиг паттернов ФК в моторной области. Этого не наблюдалось у контрольных мышей. Этот сдвиг можно объяснить уменьшением количества активных нейронов и увеличением корреляции между менее активными нейронами в мозге аутистов. Кроме того, степень и масштабы изменений в динамике ФК положительно коррелировали с увеличением тяжести ASD у мышей. Очевидно, что эти результаты могут продемонстрировать, что моторная неуклюжесть у людей с аутизмом может быть связана с изменением ФК в моторной области мозга. Более того, они также подчеркивают важность и масштабность изучения поведения, переходов и динамики и отхода от традиционных исследований в области неврологии, изучающих только состояние покоя.

Ключевым открытием было то, что измененная динамика ФК была связана с состояниями локомоции у мышей с РАС по сравнению с контрольными моделями мышей. По существу, быстрое изменение паттернов FC наблюдалось в двигательной области у мышей с аутизмом, когда они переходили из состояния покоя в состояние локомоции. У контрольных мышей этого не наблюдалось. Этот сдвиг можно было бы объяснить уменьшением числа активных нейронов и увеличением корреляции между менее распространенными активными нейронами в мозге людей с РАС. Кроме того, степень и размах изменений в динамике ФК положительно коррелировали с увеличением тяжести РАС у мышей. Очевидно, что эти результаты могут продемонстрировать, что двигательная неуклюжесть у людей с аутизмом может быть связана с изменением FC в двигательной области мозга. Более того, они также подчеркивают важность и масштаб изучения поведения, переходов и динамики и переходят от традиционных нейробиологических исследований, изучающих только состояние покоя.

Учитывая замечательные результаты (описанные в предыдущем разделе), исследователи выдвинули объяснения и обсудили последствия полученных результатов, предложив расширенное понимание нейронных механизмов, лежащих в основе аутизма. Во-первых, было замечено, что мыши с 15q dup ASD имели гиперсвязанные и менее модульные корковые сети по сравнению с контрольными мышами. Это указывает на то, что измененная динамика FC, наблюдаемая в моторной области во время локомоции, может быть связана с аномалиями в корковой сети у людей с аутизмом. Точнее, быстрая реорганизация и модуляция корковых сетей во время локомоции ответственны за измененную динамику FC в моторной области.

Известно, что во время локомоции мозг быстро реорганизует и координирует активность различных областей, участвующих в моторном контроле, что позволяет правильно и скоординированно двигаться. Исследователи обнаружили, что эта быстрая реорганизация корковых сетей связана с модуляризацией моторной коры, предполагая, что движение координируется определенными группами нейронов, взаимодействующих друг с другом. Однако у мышей ASD модуляция в отношении локомоции нарушена, что приводит к появлению гиперсвязанных, но менее модульных корковых сетей. Это может объяснить неэффективное или неплавное движение мышей ASD, аналогичное моторным симптомам аутистов.

В исследовании также использовался алгоритм машины опорных векторов (SVM), использующий машинное обучение, для группировки модели мыши ASM на основе сигналов от данных FC, полученных с помощью мезоскопической кальциевой визуализации. В частности, они классифицировали генотип ASD мышиной модели, иллюстрируя потенциал использования SVM и визуализации на основе виртуальной реальности для диагностики ASD. Несмотря на это, исследование имеет решающее значение для лучшего понимания нейронных механизмов, лежащих в основе таких заболеваний, как КАН, и открывает возможности для дальнейшей работы в этой области. Например, можно исследовать дополнительные модели мышей, чтобы получить дальнейшее представление об этой системе визуализации на основе виртуальной реальности и проверить потенциальные терапевтические средства для устранения нарушений ФК.

Однако это исследование также имеет свои ограничения. Одним из основных ограничений является то, что с помощью мезоскопической Ca2+ визуализации была визуализирована активность только дорсальной коры, что означает, что динамика FC в других областях коры не измерялась. Кроме того, сигналы нейронной активности поступали только из слоев 1 и 2/3, которые содержат тела клеток и дендриты местных пирамидальных нейронов и иннервирующие их поверхностные аксоны.

В заключение можно сказать, что это революционное исследование предлагает новый и уникальный подход к изучению нейробиологических механизмов - с помощью визуализации в реальном времени на основе VR (мезоскопическая Ca2+ визуализация), что дает преимущество точной фиксации динамики ФК, в чем фМРТ ограничена. Исследование также дает направление для дальнейшей работы в этой области и указывает на необходимость совершенствования технологии для устранения ограничений исследования.

Использование визуализации в реальном времени на основе виртуальной реальности для понимания сложностей динамики нейронной сети при аутизме T60EByqhBLA