دانلود رایگان ترجمه مقاله تکثیرپذیری تغییر سیگنال BOLD حاصل از حبس کردن نفس (ساینس دایرکت – الزویر 2009)

تکثیرپذیری تغییر سیگنال BOLD حاصل از نگه داشتن دم (نفس)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F2152

توافقنامه fMRI

از افراد خواسته شد که نفس خود را برای 9، 15 یا 21 ثانیه (BH21, BH15, BH9) در طول مراحل جداگانه و مجزا نگه دارند. در هر مرحله مدت زمان نگه داشتن نفس (دم) برابر بود، هر کدام 9 یا 15 یا 21 ثانیه. هر مرحله با دو اسکن مصنوعی که هر کدام 3 ثانیه طول می کشید آغاز شد و به دنبال آن 42 ثانیه تنفس عادی صورت می گرفت. بعد از این، افراد پنج دوره نگه داشتن دم را اجرا کردند، که بطور متناوب برای هر مرحله 42 ثانیه تنفس عادی وجود داشت (شکل 1). هر دوره نگه داشتن دم قبل از نفس عمیق 3 ثانیه ای و بعد از دوره نفس کشیدن عادی بود. پس از آخرین دوره تنفس طبیعی یک دوره اضافی تنفس خودبخودی نیز به ترتیب با زمانهای 60 ثانیه و 30 ثانیه به مراحل BH9 و BH15 اضافه شد. این امر به منظور گرفتن تعداد اسکنهای کسب شده که در کل 126 مورد برای هر مرحله بود و برای هر سه مرحله یکسان بود، ضرورت داشت. یک کلمه رنگی بر روی یک صفحه سیاه برای کمک کردن افراد در زمان تنفس در هر مرحله نمایش داده شد. فرد میبایست بطور عادی نفس می کشید در حالیکه کلمه تنفس (نفس بکش) به شکل سفید رنگی بر روی صفحه نمایش داده می شد. کلمه نفس عمیق نیز برای 3 ثانیه و به رنگ زرد برای دستور دادن به افراد در جهت اجرای تنفس عمیق نمایش داده شد. افراد باید نفس خود را به محض اینکه کلمه قرمز رنگ نگه داشتن نفس ظاهر می شد تا زمانیکه از روی صفحه محو میشد نگه میداشتند. ترتیب سه مرحله در میان افراد متعادل بود. افراد همین توافقنامه را بعد از 15 تا 20 روز تکرار می کردند.

این کار با استفاده از E-Prime (نرم افزار روانشناسی، شرکت پیتسبرگ، امریکا) انجام شد. ارائه محرک با گرفتن MR با استفاده از سیستم تصویربرداری کارکردی یکپارچه (MRI، گینسویل، امریکا) همگام شد.

به افراد دستور داده شد که در طول تنفس و نگه داشتن دم خود سرهایشان را حرکت ندهند. علاوه بر این، آنها برای هر دوره نگه داشتن دم در جهت ایجاد نفس عمیق مقدم بر هر مرحله نگه داشتن نفس که بطور برابری در مدت زمان و گسترش قفسه سینه بود و نیز در جهت پرهیز از انقباض عضله شکم در پایان تنفس عمیق آموزش داده شدند. یک مرحله آموزشی کوتاه مدت نیز بعد از اینکه فرد در داخل اسنکنر قرار اجرا شد و حرکت سر با استفاده از پدهای نرم محدود شد. علاوه بر این، به افراد در مورد طول زمان نگه اشتن نفس در شروع هر مرحله تذکر داده شد.

رعایت کردن و اجابت کارهای خواسته شده از افراد و توانایی نگه داشتن دم در طول مراحل اسکن با استفاده از یک کمربند تنفسی در اطراف پایه قفسه سینه مورد نظارت قرار گرفت. از افراد خواسته شد که در مورد عملکرد خود در پایان هر مرحله اسکن گزارش دهند.

 توافقنامه FMRI بصورت یک عمل نواری که دارای پنج دوره کاری است که مراحل را ایجاد می کنند ارائه می شود. همه افراد سه مرحله نگه داشتن دم (9، 15 و 21 ثانیه) را در مراحل مجزا اجرا کردند. برای هر مرحله، هر فرد پنج دوره BH را به فاصله 42 ثانیه تنفس عادی اجرا کرد. یک دوره واحد به منظور مشخص نمودن نشانه بصری که افراد را طول هر مرحله راهنمایی می کرد بزرگنمایی شده است (سفید: نفس بکشید، زرد: نفس عمیق بکشید و قرمز: نفس خود را نگه دارید).

پیش پردازش اطلاعات FMRI

تصاویر آناتومی و عملکردی با استفاده از ویاگر QX 1.9.10 (نوآوریهای مغزی، ماستریکت، هلند) پردازش شد. داده های آناتومی (تصاویر وزنی T1 سه بعدی) برای زمینه B1 اصلاح و به فضای استاندارد مختصات تالیراک و AC-PC انتقال داده شدند. داده های کارکردی بصورت زیر پردازش شدند: 1) 6 ثانیه اول (2 اسکن) هر مرحله برای اطمینان از حالت پایدار مغناطیسی طولی کنار گذاشته شدند؛ 2) تصحیح زمان بندی اسکن قطعه با الحاق سینک اجرا شد؛ 3) اصلاح حرکت سه بعدی با تنظیم درون مرحله ای اجرا شد (6 تبدیل صلب پارامتر، 3 چرخش و 3 حرکت انتقالی). حرکت انتقالی تخمینی و پارامترهای چرخشی برای مثتثنی کردن حرکات سر افراد بیش از 3 میلی متر یا دو درجه فضایی (عرض کامل در بیشترین نیمه=5) بررسی شدند و فیلتر زمانی (فیلتر عبور بالای 006/0 هرتز و حذف روند خطی) به منظور حذف ریشه های پایه اعمال شدند. داده های سریهای زمانی کارکردی هر فرد ابتدا با مجموعه  داده های آناتومی سه بعدی افراد ثبت شد، و به دنبال آن کاربرد تبدیل ماتریسهای مشتق شده از مراحل تبدیل فضایی برای مجموعه داده های آناتومی سه بعدی اجرا شد. این مراحل منجر به داده های دوره های زمانی چهار بعدی نرمالایز شده شد (گوبل، 2006). برای هر فرد ماده خاکستری قشری (GM) با استفاده از ابزار تقسیم پیشرفته بر روی T1-3D در وییگر مغزی تقسیم شد. هسته این ابزار یک محاسبه تطبیقی از آستانه های شدت برای محلی سازی مرزهای بین GM قشری و ماده سفید (WM) است. در نتیجه، ماده خاکستری قشری می تواند به صورت قابل اعتمادی از WM ، مایع مغزی نخاعی و ساختارهای ماده خاکستری زیر قشر مغز جدا شود. به منظور دستیابی به بهترین نتیج، ما همه مراحل پیش پردازش مورد نیاز شامل اصلاح ناهمگنی سیگنال و افزایش کنتراست بافت را انجام دادیم.

علاوه بر این، برای هر فرد بخشی از ماده خاکستری قشری قطعه قطعه شده موجود بر روی صفحه AC-PC با استفاده از سیستم شبکه تناسبی توصیف شده توسط تالایراچ و تورنوکس (1988) به زیرنواحی تعریف شده تقسیم بندی شد، بر این اساس، کل مغز به 864 بخش مجاور تقسیم شد. ما همین شبکه تناسبی را برای ماده خاکستری قشری را با نصف کردن انجام دادیم، با این حال وضوح شبکه تناسبی در امتداد محورهای X، Y و Z، جدا از بخشهای موجود بین صفحات عمودی AC و PC، جاییکه وضوح و رزولوشن تنها در امتدار محورهای X و Z نصف شده بود (شکل 2). ماده خاکستری موجود در هر 80 زیرمجموعه بالای صفحه AC-PC بطور مجزا تحلیل شد، با کنار گذاشتن زیرنواحی که عاری از هر ماده خاکستری قشری بودند. این فرآیند منجر به 76 زیرناحیه شد زیرا 4 زیرناحیه موجود در بالاترین راس سیستم شبکه اصلاح شده عاری از هر گونه ماده خاکستری بود.

تحلیل داده ها

ما آنالیزهای خود را به GM قشری که برای هر فرد بر اساس اطلاعات آناتومی منفرد مشتق میشد محدود کردیم و آنرا بعنوان ناحیه مورد علاقه (ROI) تعریف کردیم.

برای هر اجرای فرد ما زمان سیگنال و همه واکسل های موجود در ROI را متوسط گیری کردیم. سپس، مقدار متوسط 6 ثانیه (دو اسکن) قبل از هر آزمون بعنوان خط پایه که از طریق آن ما درصد تغییر سیگنال را محاسبه می کردیم استفاده می شد. مدت زمان هر اجرا سپس به پنج دوره تقسیم شد، هر کدام 6 ثانیه قبل از دستورالعمل شروع می شدند و زمانی پایان پیدا می کردند که دستورالعمل زیر برای نفس عمیق ارائه می شد. درصد تغییر سیگنال 5 دوره میانگین گیری شد. ما مثبتترین و منفی ترین مقادیر (PSC) حاصل از شروع دوره نگه داشتن دم را انتخاب کردیم. ما همچنین زمان رسیدن به اوج (TTP) را با ضرب در 3 ثانیه تعداد اسکنهای حاصل از شروع دوره نگه داشتن دم برای PSC مثبت و منفی محاسبه کردیم. در نهایت، ما انتگرال ناحیه ای که منحنی در اطراف هر PSC قرار دارد را بین نقاط قبل و بعد از PSC در دوره زمانی که سیگنال به صفر رسید یا دوره پایان یافت را محاسبه کردیم. همه محاسبات با استفاده از روال توسعه یافته (متلب، شرکت متورکس، ناتیک، امریکا) اجرا شدند.

روش مبتنی بر مدل واکسل وایز (مدل خطی معمول، GLM) برای محاسبه ضریب بتا و تعداد واکسل هایی که در آن تفاوت سیگنال قابل توجه بود مورد استفاده قرار گرفت. به منظور ایجاد رگرسیون GLM، مدل طرح بلاکی دوره BH با تابع پاسخ همودینامیک (HRF) که بطور رایج برای مطالعات FMRI شناختی تطبیق داده می شود از بین رفت (گلور، 1999). این HRF یک تابع دو گاما با پیک زمانی مثبت در 5/5 ثانیه است. ما انتظار یک تاخیر اضافی در تغییر سیگنال MR حاصل از BH را داشتیم. این تاخیر به بسیاری از عوامل فیزیولوژیکی مرتبط با تزریق وریدی ریه، تهویه ریه و واکنش پذیری سنسور دی اکسید کربن بستگی دارد و نمی تواند برای هر فرد پیش بینی شود و از لحاظ نظری می تواند بین اجراها نیز تفاوت داشته باشد. به همین دلیل ما تجزیه و تحلیل اکتشافی را برای هر اجرا با استفاده از یک تابع باکسکار پیچیده با HFR تک گامایی انجام دادیم (بوینتون، 1996). آنالیز همبستگی متقابل که باعث تغییر در این تابع بر حسب زمان می شود (10 مرحله، هر کدام 3 ثانیه به ما این اجازه را داد که تغییر زمانی که در آن واکسل بیشترین پاسخ را دارد (آستانه همبستگی: pb≤0.05) شناسایی کنیم. ما تغییر زمانی متوسط همه واکسل ها را در ROI ماده خاکستری قشری محاسبه و از این مقدار برای تغییر تابع دوگامایی مدل شده در آنایز GLM در زمان استفاده کردیم.

تخمین پارامتر GLM (ضرایب بتا) برای هر واکسل محاسبه شد. تعداد واکسل ها با تغییر سیگنال قابل توجه از نگاشته های پارامتری آزمون t تغییر سیگنال در طول BH در مقایسه با تنفس طبیعی محاسبه شد. درصد واکسل های باقیمانده آستانه pb≤0.05 اصلاح شده برای مقایسه چندگانه محاسبه شد.

 سمت چپ سیستم شبکه تناسبی استفاده شده برای تقسیم مغز بالای صفحه AC-PC به 80 زیرناحیه را نشان می دهد. سمت راست مقدار CV داخلی مربوط به 40 زیرناحیه را در دو سطح محوری برای BH15 و BH21 نشان می دهد.

آنالیز واریانس برای اندازه گیریهای مکرر (1 عامل: مدت BH؛ 3 سطح: 9، 15 و 21 ثانیه) با استفاده از نرم افزار SPSS 13 (شرکت SPSS، شیکاگو، امریکا) اجرا شد. مدل بطور مجزا برای تمامی پارامترهای محاسبه شده (PSC، TTP، سطح، Lag، حجم و بتا) بکار گرفته شد. همین مدل برای محسابه تفاوتهای سیگنال در طول سه مدت زمان BH، بطور مجزا برای هر نقطه زمانی منحنی استفاده شد.