צינור מתוקנן לבחינת מורפומטריה של חומר אפור במוח הקטן האנושי באמצעות הדמיית תהודה מגנטית מבנית

המוח הקטן הוא חלק מהמוח הקשור מבחינה היסטורית לשליטה מוטורית ^1,2,3 ונחשב כמעורב באופן אינטגרלי רק במערכת קטנה של מחלות נדירות, כגון אטקסיאס תורשתי⁴. עם זאת, קווי מחקר מתכנסים ממחקרי מעקב אנטומיים בפרימטים לא אנושיים, כמו גם מחקרי נגעים אנושיים וציורי מוח, מספקים ראיות משכנעות לתפקיד המוח הקטן במגוון רחב של ^5,6,7 קוגניטיביים, ^{רגשיים 8,9,10,11}, ותפקודים אחרים שאינם מוטוריים ^7,12 (ראה⁶  לסקירה). יתר על כן, חריגות של המוח הקטן מעורבים יותר ויותר במגוון רחב של הפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות, כולל מחלת פרקינסון¹³, מחלת אלצהיימר ^14,15, אפילפסיה ^16,17, סכיזופרניה¹⁸, והפרעת ספקטרום האוטיזם¹⁹ . לכן, זה הפך להיות חיוני כדי לשלב את המוח הקטן לתוך מודלים פונקציונליים ומבניים של מחלות מוח אנושיות ושונות התנהגותית נורמטיבית.

מבחינה אנטומית, ניתן לחלק את המוח הקטן לאורך צירו העליון עד נחות לשלוש אונות: קדמי, אחורי, ו flocculonodular. האונות מחולקות עוד יותר ל-10 אונות המצוינות בספרות רומיות I-X^20,21 (איור 1). המוח הקטן יכול להיות מקובץ גם לאזורי קו האמצע (vermis) ו לרוחב (חצי הכדור), אשר בהתאמה לקבל תשומות מחוט השדרה וקליפת המוח. האונה הקדמית, הכוללת אונות I-V, נקשרה באופן מסורתי לתהליכים מוטוריים ויש לה קשרים הדדיים עם קליפת המוח המוטורית²². האונה האחורית, הכוללת אונות VI-IX, קשורה בעיקר לתהליכים לא-מוטוריים¹¹ ויש לה קשרים הדדיים עם קליפת המוח הקדם-מצחית, הקודקוד האחורי וקליפת המוח הטמפורלית העליונה ^8,23. לבסוף, האונה flocculonodular, הכוללת אונה X, יש קשרים הדדיים עם גרעיני שיווי המשקל השולטים תנועות עיניים ושיווי משקל הגוף במהלך יציבה והליכה²¹.

גוף גדל והולך של עבודה לאחרונה באמצעות הדמיית מוח תפקודית יש הבנה מעודנת עוד יותר של neuroanatomy תפקודי של המוח הקטן מעבר החלוקות האנטומיות שלה. לדוגמה, טכניקות הדמיית תהודה מגנטית תפקודית במצב מנוחה (fMRI) שימשו למיפוי דפוס האינטראקציות התפקודיות בין המוח הקטן למוח הקטן²⁴. בנוסף, באמצעות גישת פרצלציה המבוססת על משימות, קינג ועמיתיו⁷ הדגימו כי המוח הקטן מראה דפוס עשיר ומורכב של התמחות פונקציונלית לרוחבו, המעיד על גבולות פונקציונליים ברורים הקשורים למגוון משימות מוטוריות, רגשיות, חברתיות וקוגניטיביות. באופן קולקטיבי, מחקרים אלה מדגישים את החשיבות של בחינת יחידות משנה של המוח הקטן הפרטני לפתח אפיונים ביולוגיים מלאים של מעורבות המוח הקטן הן בשוונות בריאה והן במחלות נוירולוגיות המאופיינת בשינויים במבנה המוח הקטן ו / או בתפקוד.

העבודה הנוכחית מתמקדת בשיטות לכימות שינויים מקומיים בנפח המוח הקטן באמצעות MRI מבני בבני אדם. באופן כללי, ישנן שתי גישות בסיסיות לכימות נפח המוח האזורי באמצעות נתוני MRI: פילוח מבוסס תכונות ורישום מבוסס voxel. גישות פילוח מבוססות תכונות משתמשות בציוני דרך אנטומיים ובאטלסים מתוקננים כדי לזהות באופן אוטומטי גבולות בין תתי-תחומים. חבילות תוכנה רגילות לפילוח כוללות FreeSurfer²⁵, BrainSuite²⁶ ו- FSL-FIRST²⁷. עם זאת, חבילות אלה מספקות רק פרצלציות גסות של המוח הקטן (למשל, תיוג כל החומר האפור והחומר הלבן כולו בכל חצי הכדור), ובכך משקיף על אונות המוח הקטן הבודדות. גישות אלה נוטות גם לפילוח שגוי, במיוחד הכללת יתר של כלי הדם שמסביב.

פותחו אלגוריתמים חדשים של למידת מכונה ותיוג רב-אטלס, המספקים פרצלציה מדויקת יותר ועדינה יותר של המוח הקטן, כולל סיווג אוטומטי של אלגוריתם אובולות המוח הקטן באמצעות אבולוציה רב-גבולותית משתמעת (ACCLAIM^28,29), ערכת כלים לניתוח מוחי (CATK³⁰), תבניות מרובות שנוצרו באופן אוטומטי (MAGeT³¹), פילוח אוטומטי מהיר של המוח הקטן האנושי והאוניות שלו (RASCAL³² ), פילוח חתך גרף³³, ו פילוח המוח הקטן (CERES³⁴). במאמר שנערך לאחרונה המשווה בין גישות פרצלציה אוטומטיות לחלוטין של המוח הקטן, נמצא כי CERES2 משיג ביצועים טובים יותר מגישות אחרות ביחס לפילוח ידני בתקן זהב של אונות המוח הקטן³⁵. לאחרונה, האן ועמיתיו³⁶ פיתחו אלגוריתם למידה עמוקה בשם ACAPULCO (פרצלציה אנטומית אוטומטית של המוח הקטן באמצעות U-Net עם אופטימיזציה מוגבלת מקומית), אשר מבצעת בשווה עם CERES2, יש תחולת רחבה הן מוחץ בריא והן מנוון, זמין בקוד פתוח Docker ו פורמט מיכל סינגולריות עבור יישום ‘מחוץ למדף’, והוא יעיל יותר זמן מאשר גישות אחרות. ACAPULCO מפרקת באופן אוטומטי את המוח הקטן ל-28 אזורים אנטומיים.

בניגוד לפילוח מבוסס תכונות, גישות רישום מבוססות voxel פועלות על-ידי מיפוי מדויק של MRI לתמונת תבנית. כדי להשיג מיפוי זה, voxels בתמונה המקורית חייב להיות מעוות בגודל ובצורה. גודלו של עיוות זה מספק למעשה מידה של נפח בכל voxel ביחס לתבנית תקן הזהב. צורה זו של הערכה נפחית ידועה בשם ‘מורפומטריה מבוססת ^{ווקסל’37}. גישות רישום מבוססות voxel שלם במוח, כגון FSL-FLIRT³⁸/FNIRT³⁹, פילוח מאוחד SPM⁴⁰ ו- CAT12⁴¹, משמשות בדרך כלל למורפומטריה מבוססת ווקסל. עם זאת, גישות אלה אינן מסבירות היטב את המוח הקטן, וכתוצאה מכך אמינות ירודה ותוקף באזורים אינפרא-טראומטיים (המוח הקטן, גזע המוח⁴²). כדי להסביר מגבלות אלה, פותח אלגוריתם SUIT (תבנית אינפרא-עשרה לא משוחדת באופן מרחבי) כדי לייעל את רישום המוח הקטן ולשפר את הדיוק של מורפומטריה מבוססת voxel^42,43.

פילוח מבוסס תכונות וגישות רישום מבוססות ווקסל להערכת נפח המוח הקטן האזורי יש נקודות חוזק וחולשה בסיסיות. גישות פילוח מדויקות יותר באופן משמעותי לכימות נפח האזורים המוגדרים אנטומית (למשל, אונות³⁵). עם זאת, גבולות בין מודולים פונקציונליים ברורים של המוח הקטן אינם ממפים על פוליה אנטומית שלה סדקים (שווה ערך gyri ו sulci של המוח הקטן⁷). מכיוון שגישות מבוססות רישום אינן מוגבלות על ידי ציוני דרך אנטומיים, מסקנות מרחביות מגורענות עדינות יותר ומיפוי מבנה-פונקציה ממדי גבוה של המוח הקטן^{אפשריות 44}. יחד, גישות פילוח ורישום משלימות זו את זו וניתן להשתמש בהן כדי לענות על שאלות מחקר שונות.

כאן מוצג צינור מתוקנן חדש, המשלב גישות קיימות ומאומתות אלה כדי לספק פרצלציה ממוטבת ואוטומטית (ACAPULCO) ורישום מבוסס voxel של המוח הקטן (SUIT) לכימות נפחי (איור 2). הצינור מתבסס על הגישות שנקבעו כך שיכללו פרוטוקולי בקרת איכות, תוך שימוש בהדמיה איכותית וזיהוי חריג כמותי, ושיטה מהירה להשגת הערכה של נפח תוך גולגולתי (ICV) באמצעות Freesurfer. הצינור אוטומטי לחלוטין, עם התערבות ידנית הנדרשת רק לבדיקת יציאות בקרת האיכות, וניתן להפעיל אותו במערכות ההפעלה Mac, Windows ו- Linux. הצינור זמין באופן חופשי ללא הגבלות על השימוש בו למטרות לא מסחריות וניתן לגשת אליו מדף האינטרנט של פרוטוקולי הדמיה של קונסורציום ENIGMA (תחת “צינור נפחיות ENIGMA Cerebellum”), לאחר השלמת טופס רישום קצר⁴⁵.

כל התוכנות הנדרשות מופיעות בטבלת החומרים, וערכות לימוד מפורטות, כולל הדגמה חיה, זמינות עם הורדת הצינור, בנוסף לפרוטוקול המתואר להלן. לבסוף, תוצאות מייצגות מסופקות, החל מיישום הצינור בקבוצה של אנשים עם אטקסיה פרידרייך (FRDA) ובקרות בריאות המותאמות לגיל ומין, לצד המלצות לניתוחים סטטיסטיים סטטיסטיים ברמה קבוצתית.