CNS Lab

Zespół

prof. dr hab. inż. Piotr Bogorodzki – Kierownik Pracowni

dr inż. Ewa Piątkowska-Janko
dr inż. Michał Kacprzak
dr inż. Nikodem Hryniewicz 
mgr inż. Kamil Lipiński

Informacje ogólne

Cel funkcjonowania Pracowni

CNSLab to interdyscyplinarny zespół naukowy specjalizujący się w badaniach strukturalnych i czynnościowych mózgu z wykorzystaniem technik rezonansu magnetycznego. W pracowni rozwijane są nowoczesne techniki, w tym spektroskopia i obrazowanie protonowe, rozszerzone o możliwość rejestracji izotopów ¹³C, ¹⁹F i ³¹P, w celu analizy metabolicznej i chemicznej tkanek. Rozwijane są również metody obrazowania dyfuzyjnego (DWI) oraz perfuzji (pMRI) jak i jednoczesnych pomiarów EEG-fMRI. CNSLab wyposażony jest w infrastrukturę umożliwiającą prowadzenie badań oraz eksperymentów klinicznych.
Pracownia prowadzi szeroko zakrojoną współpracę z innymi instytucjami (m.in. Warszawski Uniwersytet Medyczny, Politechnika Warszawska, Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN, Uniwersytet SWPS, Instytut Psychiatrii i Neurologii).

Infrastruktura badawcza i lokalowa

Dla umożliwienia realizacji ww. prac, Pracownię wyposażono w specjalistyczną aparaturę badawczą. Jej zasadniczym elementem jest skaner rezonansu magnetycznego Discovery MR750w 3.0T firmy GE. System wyposażony jest w magnes o indukcji pola magnetycznego 3T i średnicy 70 cm (tzw. wide bore) oraz dodatkowy tor akwizycji multinuklearnej, umożliwiający dobór częstotliwości w zależności od analizowanego pierwiastka. 
Badania metodą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) wspiera system prezentacji i rejestracji bodźców multimedialnych, a ich uzupełnieniem jest rejestrator aktywności bioelektrycznej mózgu (EEG) NeuroScan, który umożliwia jednoczesne pomiary EEG-fMRI. Ponadto, w Pracowni znajduje się aparatura rejestracji wysokorozdzielczej topografii utlenowania mózgu (HD-DOT) wykorzystująca technikę bliskiej podczerwieni. Pracownia posiada zaplecze laboratoryjne, gabinety z dopuszczeniem do badań medycznych oraz pomieszczenia biurowe do pracy naukowej.

Projekty

Projekty realizowane w ramach działalności Pracowni

  1. 12021/ABM/02/00002 – 00 – CLASP-MS – “Badanie oceniające skuteczność i bezpieczeństwo polskiej kladrybiny w leczeniu chorych z wtórnie postępującą postacią stwardnienia rozsianego – badanie fazy 2, randomizowane, podwójnie zaślepione, kontrolowane placebo”.
  2. “Śledzenie wyładowań epileptycznych przy jednoczesnym skanowaniu EEG-fMRI” (Decyzja 6/2021 Komisji etycznej opiniującej badania biomedyczne przy Wojskowym Instytucie Medycyny Lotniczej w Warszawie).

CNS Lab – Metody

fMRI

  • Pracownia wyposażona jest w sprzęt umożliwiający badania metodą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). 
  • Rejestracja obrazów strukturalnych oraz funkcjonalnych  odbywa się z wykorzystaniem skanera rezonansu magnetycznego Discovery MR750w 3.0T (General Electrics)
  • Prezentacja oraz rejestracja bodźców multimedialnych oraz odpowiedzi badanej osoby odbywa się poprzez system NNL oraz oprogramowanie Presentation

Przykładowe wyniki analizy fMRI 

EEG-fMRI

Metoda EEG-fMRI umożliwia jednoczesną rejestrację danych z dwóch różnych modalności – EEG i fMRI – w tych samych warunkach eksperymentalnych. Jednym z jej najważniejszych zastosowań jest wyznaczanie map aktywności mózgu (SPM) podczas wyładowań międzynapadowych u pacjentów z padaczką. Po usunięciu artefaktów związanych z akwizycją w polu magnetycznym z zapisu EEG wyznacza się punkty czasowe występowania tych wyładowań – krótkotrwałych zaburzeń czynności elektrycznej mózgu, pojawiających się między napadami padaczkowymi.

Wyładowanie międzynapadowe zarejestrowane podczas sesji EEG-fMRI, odprowadzenie CZ

Na podstawie danych EEG przeprowadzana jest analiza statystyczna synchronicznie zarejestrowanych obrazów fMRI, co pozwala na wyznaczenie statystycznych map parametrycznych (SPM). Mapy te przedstawiają obszary mózgu, w których sygnał BOLD wzrastał podczas wyładowań międzynapadowych (IED – interictal epileptiform discharges). Tak uzyskana mapa może wskazywać prawdopodobną lokalizację ognisk padaczkorodnych. Po porównaniu jej z wynikami uzyskanymi przy użyciu innych modalności (np. wideo-EEG, PET) może stanowić istotny wkład w diagnostykę pacjenta.

Potok przetwarzania danych i wyznaczania ognisk padaczkorodnych na podstawie rejestracji EEG-fMRI 

Hiperpolaryzacja

Hiperpolaryzacja to proces, w którym wielokrotnie zwiększany jest sygnał odbierany za pomocą urządzenia MR. Ta technika pozwala na obserwację związków, których sygnał zwykle jest zbyt mały do zarejetrowania lub w celu wyprodukowania substancji znakowanej (kontrastu).
W szczególności dzięki hiperpolaryzacji możliwe jest przygotowanie znakowanego magnetycznie pirogronianiu do obrazowania aktywności energetycznej za pomocą skanera MR. Ta metoda może być alternatywą dla obrazowania FD-glukozy za pomocą skanerów PET i daje możliwość wykorzystania 1 urządzenia (MR) do wykonania zarówno wysoko rozdzielczego skanu anatomicznego jak i funkcjonalnego.
W laboratorium CNS Lab dysponujemy urządzeniem GE Spinlab o indukcji magnetycznej 5T i możliwości polaryzowania 4 próbek jednocześnie.

Potok przetwarzania danych i wyznaczania ognisk padaczkorodnych na podstawie rejestracji EEG-fMRI 

CNS Lab – Wyniki

Badanie łączności funkcjonalnej pacjentów z padaczką:

W pracowni przeprowadzono rejestrację EEG-fMRI na grupie pacjentów z padaczką i wyznaczono sieci połączeń funkcjonalnych (functional connectivity). Analizie poddano dane resting-state fMRI uwzględniając wyładowania międzynapadowe zarejestrowane przy użyciu metody EEG. Grupę pacjentów z padaczką porównano do zdrowej grupy kontrolnej. Analiza wykazała obniżoną siłę połączeń funkcjonalnych w grupie pacjentów w obrębie kory przedczołowej przyśrodkowej (MPFC), hipokampa, wzgórza, ciała migdałowatego i zakrętu przyhipokampowego. Wyniki sugerują, że padaczka wpływa na łączność funkcjonalną struktur podkorowych, a charakter tych zmian różni się w zależności od typu padaczki.

Wyniki analizy łączności funkcjonalnej grupy pacjentów z padaczką. A. Wybrane obszary zainteresowania: przyśrodkowa kora przedczołowa (MPFC), zakręt parahipokampalny (przedni/tylny, lewy/prawy — aPaHC (L/R), pPaHC (L/R)), wzgórze (L/R — lewy/prawy), hipokamp (L/R — lewy/prawy), ciało migdałowate (L/R — lewy/prawy); B, Różnice w wartościach łączności funkcjonalnej między grupą chorych a grupą kontrolną. Skala kolorów przedstawia wartość T wynikającą ze statystyki parametrycznej (próg klastra p < 0,05, skorygowany FDR, próg połączenia: p < 0,05, skorygowany FDR). Opracowano przy użyciu CONN.

Wyznaczanie obszarów mózgu związanych z wyładowaniami międzynapadowymi u pacjentów z padaczką

W Pracowni CNSLab prowadzone są badania oparte na jednoczesnych pomiarach EEG-fMRI w celu wyznaczania potencjalnych ognisk padaczkorodnych u pacjentów z padaczką. Poniżej opisano przykładowe wyniki uzyskane dla jednego z pacjentów.
Przeprowadzono jednoczesną rejestrację EEG-fMRI, podczas której zarejestrowano 26 wyładowań (IED) w trzech 10-minutowych sesjach. Na podstawie czasów występowania oraz długości trwania IED sporządzono regresor do analizy statystycznej danych czynnościowych fMRI z wykorzystaniem modelu GLM.  Analiza przeprowadzona w oprogramowaniu SPM12 umożliwiła wyłonienie obszaru aktywacji o największej sile statystyki (największej wartości zmiennej T), który może być powiązany z wyładowaniami międzynapadowymi. 4 pierwsze obszary o największej wartości T zostały zlokalizowane w następujących strukturach anatomicznych: postcentral gyrus, planum polare, precentral gyrus, middle temporal gyrus.

Wyniki analizy SPM danych czynnościowych fMRI wybranego pacjenta, korekcja FWE, p<0.05, skala barw odzwierciedla wartości zmiennej T. Wynik nałożono na obraz anatomiczny T1w oraz zaprezentowano w przekroju o maksymalnej wartości T.

Przykładowe wyładowanie międzynapadowe z 4 wybranych odprowadzeń w układzie longitudinal bipolar (CURRY7)

Ocena guzów oraz lezji w stwardnieniu rozsianym z zastosowaniem obrazowania perfuzji pMRI

W pracowni CNSLab przeprowadzane są analizy oparte na krzywych perfuzyjnych pochodzących z rejestracji DSC (dynamic susceptibility contrast imaging) mające na celu ocenę perfuzji w wybranych obszarach mózgu. Poniżej przedstawiono wyniki pacjenta ze zmianą widoczną na obrazie T1, która ulegała wzmocnieniu po podaniu kontrastu.

Obszar zainteresowania poddany analizie pMRI wybranego pacjenta. Przedstawiono obraz T1-ważony zarejestrowany przed i po podaniu środka kontrastowego.

Analiza krzywej stężenia środka cieniującego przeprowadzona została dla guza i obszaru kontrolnego, nie ulegającego wzmocnieniu. Wysoka wartość parametru K2 będącego miarą przeciekania środka wskazuje na zaburzenia perfuzji w obszarze zainteresowania.

Wyniki analizy pMRI krzywych stężenia kontrastu wyznaczonych z guza (pomarańczowa krzywa) oraz obszaru kontrolnego (krzywa niebieska). Wartości K1 i K2 stanowią miary odpowiednio perfuzji oraz efektu przeciekania kontrastu. 

Wybrane publikacje

  • Hryniewicz, N., Rola, R., Ryglewicz, D., Piątkowska-Janko, E., Sawilska, A., & Bogorodzki, P. (2024). Differences in subcortical functional connectivity in patients with epilepsy. Neurologia i neurochirurgia polska, 58(5), 531–537. https://doi.org/10.5603/pjnns.99567
  • Rogala, J., Dreszer, J., Sińczuk, M., Miciuk, Ł., Piątkowska-Janko, E., Bogorodzki, P., Wolak, T., Wróbel, A., & Konarzewski, M. (2024). Local variation in brain temperature explains gender-specificity of working memory performance. Frontiers in human neuroscience, 18, 1398034. https://doi.org/10.3389/fnhum.2024.1398034
  • Lewandowska, P., Jakubowska, N., Hryniewicz, N., Prusinowski, R., Kossowski, B., Brzezicka, A., & Kowalczyk-Grębska, N. (2022). Association between real-time strategy video game learning outcomes and pre-training brain white matter structure: preliminary study. Scientific reports, 12(1), 20741. https://doi.org/10.1038/s41598-022-25099-0).
  • Kowalczyk-Grębska, N., Skorko, M., Dobrowolski, P., Kossowski, B., Myśliwiec, M., Hryniewicz, N., Gaca, M., Marchewka, A., Kossut, M., & Brzezicka, A. (2021). Lenticular nucleus volume predicts performance in real-time strategy game: cross-sectional and training approach using voxel-based morphometry. Annals of the New York Academy of Sciences, 1492(1), 42–57. https://doi.org/10.1111/nyas.14548