Введение
Статистическое параметрическое отображение (SPM) — это статистический метод для изучения различий в активности мозга, зафиксированной во время экспериментов функциональной нейровизуализации. Он был разработан Карлом Фристоном. Также SPM может относиться к программному обеспечению, разработанному Отделом нейровизуализации Учредительного колледжа Лондона для проведения подобных анализов.
Единицы измерения
Функциональная нейроизображение – это один из видов "сканирования мозга", включающий в себя измерение активности мозга. Метод измерения зависит от используемой технологии нейроизображения (например, фМРТ и ПЭТ). Сканер создает "карту" активности, представленную в виде вокселей. Каждый воксель соответствует активности определенного объема в трехмерном пространстве. Точный размер вокселя варьируется в зависимости от технологии. В фМРТ воксели обычно представляют собой объем 27 мм³ в форме равностороннего кубоида.
Экспериментальная конструкция
Исследователи изучают активность мозга, связанную с определенным психическим процессом или процессами. Один из подходов заключается в вопросе: "Какие области мозга значительно более активны при выполнении задачи А по сравнению с задачей Б?". Хотя задачи могут быть разработаны идентичными, за исключением исследуемого поведения, мозг все равно, вероятно, покажет изменения в активности между задачами из-за факторов, не связанных с различиями в задачах (поскольку мозг координирует множество параллельных функций, не относящихся к задаче). Более того, сигнал может содержать шум, возникающий непосредственно в процессе визуализации. Чтобы отфильтровать эти случайные эффекты и выделить области активности, специфичные для исследуемого процесса, статистические методы выявляют наиболее значимые различия. Это включает в себя многоэтапную обработку данных и их анализ с использованием общей линейной модели.
Предварительная обработка изображения
Изображения, полученные со сканера, могут быть предварительно обработаны для удаления шума или исправления ошибок дискретизации. В исследовании обычно сканируют испытуемого несколько раз. Для учета движения головы между сканированиями изображения обычно корректируются таким образом, чтобы воксели на каждом изображении соответствовали (приблизительно) одному и тому же участку мозга. Этот процесс называется переориентацией или коррекцией движения, см. переориентация изображений. Функциональные нейроимиджинговые исследования обычно включают нескольких участников, у каждого из которых мозг имеет индивидуальную форму. При этом у всех, вероятно, будет схожая общая анатомия, за исключением незначительных различий в общем размере мозга, индивидуальных вариаций в топографии извилин и борозд коры головного мозга, а также морфологических различий в глубоких структурах, таких как мозолистое тело. Для облегчения сравнения трехмерное изображение каждого мозга преобразуется таким образом, чтобы поверхностные структуры совпадали, посредством пространственной нормализации. Такая нормализация обычно включает в себя трансляцию, вращение, масштабирование и нелинейную деформацию поверхности мозга для соответствия стандартному шаблону. Стандартные атласы мозга, такие как Talairach Tournoux или шаблоны Монреальского неврологического института (MNI), позволяют исследователям со всего мира сравнивать свои результаты. Изображения могут быть сглажены для уменьшения уровня шума (аналогично эффекту размытия, используемому в некоторых программах для редактирования изображений), путем усреднения вокселей с их соседями, обычно с использованием гауссовского фильтра или вейвлет-преобразования.
Статистическое сравнение
В каждом вокселе предполагаются параметрические статистические модели, использующие общую линейную модель для описания изменчивости данных с точки зрения экспериментальных и конфаундинговых эффектов, а также остаточной изменчивости. Гипотезы, сформулированные в терминах параметров модели, оцениваются в каждом вокселе с помощью унивариантной статистики. Анализ может исследовать изменения во времени (то есть корреляции между переменной задачи и активностью мозга в определенной области), используя линейные модели свертки, описывающие, как измеряемый сигнал возникает в результате лежащих в основе изменений нейронной активности. Поскольку проводится множество статистических тестов, необходимо вносить поправки для контроля ошибок первого рода (ложноположительных результатов), которые могут возникнуть при сравнении уровней активности во многих вокселях. Ошибка первого рода может привести к ошибочной интерпретации фоновой активности мозга как связанной с задачей. Поправки вносятся на основе количества резелов в изображении и теории непрерывных случайных полей для установления нового критерия статистической значимости, учитывающего проблему множественных сравнений.
Графические изображения
Различия в измеренной активности мозга могут быть представлены различными способами. Их можно представить в виде таблицы, отображающей координаты, указывающие на наиболее значимые различия в активности между задачами. Альтернативно, различия в активности мозга можно показать в виде цветовых областей на "срезе" мозга, где цвета обозначают расположение вокселей со статистически значимыми различиями между условиями. Цветовой градиент сопоставляется со статистическими значениями, такими как t-значения или z-оценки. Это создает интуитивно понятную и визуально привлекательную карту относительной статистической значимости данной области. Различия в активности могут быть представлены в виде "прозрачного мозга" – изображения трех контурных видов мозга, как будто он прозрачный. Видны только области активации в виде участков затенения. Это полезно для обобщения общей площади значимых изменений в данном статистическом сравнении.
Программное обеспечение
SPM – это программное обеспечение, разработанное Отделом нейронаук визуализации Веллком в Университетском колледже Лондона для помощи в анализе данных функциональной нейровизуализации. Оно написано на языке MATLAB и распространяется как бесплатное программное обеспечение.