Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

ניתוח רשת של ברירת מחדל מצב הרשת באמצעות קישוריות ה-MRI התפקודי באונה הטמפורלית אפילפסיה

Published: August 5, 2014 doi: 10.3791/51442
Automatic Translation
1,2, 3, 4, 4, 4
1Department of Neurology, Baylor College of Medicine, 2Neurology Care Line, Michael E. DeBakey VA Medical Center, 3Semel Institute for Neuroscience and Human Behavior, University of California, Los Angeles, 4Department of Neurology, University of California, Los Angeles

Summary

מצב ברירת המחדל של הרשת (DMN) באונה הטמפורלית אפילפסיה (ייתכנו) הוא ניתח במצב המנוחה של המוח באמצעות קישוריות פונקציונלית המבוסס על זרעי MRI (fcMRI).

Abstract

קישוריות MRI תפקודית (fcMRI) הוא שיטת fMRI הבוחנת את הקישוריות של אזורי מוח שונים המבוססים על המתאם של תנודות אות BOLD לאורך זמן. Temporal האונה אפילפסיה (TLE) היא הסוג הנפוץ ביותר של אפילפסיה למבוגרים וכוללת רשתות מוח מרובות. ברירת המחדל של רשת המצב (DMN) מעורבת בהכרת מדינה בהכרה, מנוחה, והוא חשב להיות מושפע בייתכנו בי התקפים לגרום לירידת ערך של תודעה. DMN באפילפסיה נבדק באמצעות זרע fcMRI מבוסס. רכזות הקדמית והאחוריות של DMN שימשו כזרעים בניתוח זה. התוצאות מראות ניתוק בין הקדמי ואחוריות של רכזות DMN בייתכנו במדינת הבסיס. בנוסף, קישוריות DMN מוגברת לאזורים אחרים במוח בTLE השמאל יחד עם הירידה בקישוריות בזכות TLE מתגלה. הניתוח מדגים כיצד ניתן להשתמש fcMRI מבוסס זרע לבדיקת רשתות מוחיות בהפרעות במוח כגון TLE.

Introduction

פונקציונלי קישוריות ה-MRI (fcMRI) היא גישה אנליטית חדשה יחסית לנתוני ה-fMRI, שמכמת את הקשר בין אזורי מוח השונים המבוסס על הדמיון של רמת חמצון הדם שלהם בסדרה תלויה (BOLD) אות זמן - זה נקרא קישוריות "פונקציונלית", והוא להבדיל מקישוריות אנטומי המתארת ​​את קיומם של חיבורים פיזיים בין האזורים (למשל, סיבי חומר לבן). ביישום מיוחד של גישה זו, סדרת הזמן נאספות כאשר המשתתף לא עוסקת במשימה או ב" מצב המנוחה "מה שנקרא.

למרות שתואר לראשונה בשנת 1995 1, חלה התעניינות עצומה בfcMRI וכתוצאה מכך כ -1,000 פרסומים הקשורים לטכניקה ב2012. יש fcMRI יתרונות מהותיים על פני fMRI המבוסס על משימות ב( 1) שאין משימה ספציפית שיש לבצע, ( 2) שיתוף פעולה היא נושאלא הכרחי, (3) מערכי נתונים יכולים לשמש לשאילתא מספר רשתות שונות, (4) אות טובה יותר יחס רעש היא הווה הנראה בשל הבדלים בהנדסת החשמל במוח המעורב, ו( 5) עקיפה של בלבול הקשורים למשימה 2. כהוכחה של הקונספט שלה, שינויי fcMRI הוכחו להתכתב עם שינויים ב-EEG 3 ופוטנציאל בתחום מקומי 4 במוח.

טכניקות של ניתוח fcMRI כוללות טכניקות ROI / מבוסס זרע, ניתוח עצמאי רכיב (רשפ"ת), ניתוח תורת גרפים, ניתוח סיבתיות גריינג'ר, שיטות מקומיות (המשרעת של תנודות בתדירות נמוכות, ניתוח ההומוגניות אזורי), ואחרים 5. אין טכניקה אחת עדיין הוכיחה עליונות ברורה על פני אחר, אם כי השיטות הפופולריות ביותר הן מבוסס זרעים ושיטות ICA 6. המבוסס על הזרעים fcMRI קורלציה תנודות זמניות באות מודגשת מחלק שנבחר מראש של הרשת המשוערת תחת מחקר המכונים "הזרע1; או "אזור של עניין (ROI)" לכל חלקים האחרים של המוח. אזורים במוח מראה התאמת אות BOLD לאזור הזרע נחשבים לסמן חלקים של הרשת מעורבת. לעומת זאת, ICA משתמש בניתוח נתונים מונחה ללא מודל לחלץ אזורים במוח בקורלציה במרחב ובזמן נתונה (עצמאיים רכיבים, מעגלים משולבים) על ידי ניתוח מאפייני אותות המודינמית של המוח כולו 5.

בכתב היד הנוכחי, תיאור של שיטות ששמשו במחקר שפורסם בעבר של ניתוח מנוחת מדינה המבוסס על זרעי קישוריות של DMN בTLE מוצג 7. TLE הוא הצורה הנפוצה ביותר של אפילפסיה מבוגר. בנוסף להתקפים, ייתכנו גורם לתפקוד לקוי של רשתות מוח מרובות, כולל זיכרון, התנהגות, מחשבה, ותפקוד חושי 8. DMN היווה ידי אזורים במוח subserving הכרה מודעת,-מנוחת מדינה. DMN כבר דיווח להיות מעורב בהתקפים הקשורים consc מופחתiousness 9,10. בנוסף, ההיפוקמפוס הוא המבנה המרכזי המעורב בTLE וכבר חשב להיות מרכיב של DMN. עם זאת, הקישוריות של PCC להיווצרות בהיפוקמפוס היא חלשה יותר עם רכיבי DMN אחרים, כגון הקדם חזיתית המדיאלי וקליפת מוח הקודקודית נחותה. הדבר מצביע על כך ההיפוקמפוס הוא גם subnetwork של DMN או 11,12 רשת אינטראקציה. משותפים אלה בין TLE וDMN מעלה את האפשרות כי DMN קישוריות תפקודית משתנה בTLE. ניתוח זה משווה DMN של נושאים עם TLE לביקורת בריאה כדי לקבל תובנה המעורבות של DMN בTLE. הקישוריות של זרעים להציב רכזות הראשיים של DMN - אזורי הרכזת הקדמית וגם האחוריים נותחו 12. זרעים הונחו במרכז האחורי המורכב מretrosplenium / precuneus (RSP / PCUN), כמו גם את הרכזת הקדמית המורכבת מקליפת מוח הקדם חזיתית ventromedial (vmPFC) בחולים שיש TLE ובבריא שולט לזהות רשתות המשנה האחורית והקדמית של DMN.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. נושאים

  1. אוכלוסיית המחקר של 36 נושאים כוללת 3 קבוצות: ימין TLE (n = 11), עזב TLE (n = 12), ונבדקים בריאים (n = 13). השג כתב הסכמה מדעת מכל הנושאים. המחקר עוקב אחר הקווים המנחים של אוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס (UCLA) מוסדי מועצה לביקורת.
  2. קבוצות נושא אפילפסיה צריכה להיות חולים שהם מועמדים לכריתת אונה הטמפורלית קדמית כפי שנקבע על ידי ניטור וידאו-EEG, MRI המוח, בבדיקת PET, ובדיקות נוירופסיכולוגיות. חולים צריכים להמשיך ותרופות הרגילות שלהם במהלך סריקת fMRI ולא צריך להיות סרוקים מייד לאחר התקף. ודא שלכל הנבדקים בבדיקות MRI מוח נורמליות וחופשיים ממחלות נוירולוגיות (מלבד אפילפסיה בקבוצות החולה) או משתמשים בתרופות נוירולוגיות.

2. הדמיה

  1. השתמש במערכת 3 טסלה MRI להדמיה. השג פרוסות צירי לתמונות תפקודיות באמצעות מתאר לעצמי מישוריים הדרצף ing (EPI) ועבור תמונות אנטומיים באמצעות שיפוע מפונק נזכר רצף (SPGR).
  2. לבצע הדמיה תפקודית באמצעות הפרמטרים הבאים: TR = 2,000 אלפיות שני, TE = 30 אלפיות שני, FOV = 210 מ"מ, מטריצה ​​= 64 x 64, מ"מ עובי פרוס 4, 34 פרוסות. השתמש בפרמטרים הבאים להדמיה מבנית ברזולוציה גבוהה: TR = 20 אלפיות השני, TE = 3 אלפיות שניים, FOV = 256 מ"מ, מטריצה ​​= 256 x 256, עובי פרוס 1 מ"מ, 160 פרוסות.
  3. כל פגישת הדמיה צריכה להימשך 20 דקות. שאל את המשתתפים להירגע בעיניים עצומות. לא קלט שמיעתי מיוחד נדרשים.

3. עיבוד מקדים של Data BOLD

  1. Preprocess את נתוני ה-fMRI באמצעות FSL (ספריית תוכנת fMRIB) גרסת תוכנה 4.1.6 (אוקספורד, בריטניה, www.fmrib.ox.ac.uk / FSL) 13,14. צעדי עיבוד מקדימים צריכים לכלול את הפעולות הבאות: השימוש FSL MCFLIRT להסיר חפץ תנועת ראש 15. השתמש BET FSL להסרת רקמת nonbrain 16 עם BET האופציה-F לקבצי BOLD. זה עוזר F אחד לרוץצעדי ניתוח urther על רקמת המוח בלבד.
  2. בFEAT, המנוהל על ניתוח עיבוד מינימאלי עם הרשמה. בחר "ניתוח ברמה הראשונה" ולשנות את "ניתוח מלא" ל "טרום סטטיסטיקות" משני כפתורים העליונים.
    1. תחת לשונית טרום נתונים סטטיסטיים, בטל "מיצוי מוח BET" ובחר באפשרות "אף אחד" של "תיקון תנועה" (כמו אלה שכבר עשו לעיל). הירשם תמונות תפקודיות (BOLD) לאנטומיים (SPGR) תמונות, ולאחר מכן ברמה תמונה (משרד תשתיות הלאומית). התוצאה היא הדור של מטריצות שינוי, המשמשים מאוחר יותר במהלך ניתוח לעיוות הזרעים שנבחרו בחלל סטנדרטי לחלל מוחו של הנושא.
  3. השתמש במטריצה ​​שנוצרה השינוי (בשם "standard2example_func.mat") ולהפוך CSF וROIs חומר לבן לחלל BOLD בודד.
    1. חלץ את סדרת הזמן מCSF וROIs חומר הלבנה באמצעות פקודת fslmeants,באמצעות ההחזר על ההשקעה בחלל נושא האדם כמסכה. לנרמל את סדרת הזמן הופק באמצעות התוכנה "R". סדרת זמן אלה משמשות כregressors בGLM מאוחר יותר כדי להסיר את אותות artifactual המתאימים מהניתוח.
  4. השלב הבא הוא ההסרה של חפצים הקשורים בתנועת נושא. לרגרסיה של הפרמטרים התנועה, להגדיר את הפעולות הבאות בתוך FEAT FSL לפני הפעלתו.
    1. בכרטיסיית נתונים, השתמש תיקן תנועה וקבצים שחולצו מוח כתשומות, הגדר את ערך TR למתאים לבסיס הנתונים שלך. הגדר גבוהה לעבור סינון באמצעות מסנן שניות 100. הסינון לעבור הגבוה יסיר אותות של כל עניין, שיש בם בתדירות נמוכה מאוד. מסנן מעביר נמוך כדי להסיר אותות בתדר גבוהים ייושם מאוחר יותר בשלב 4.1.
    2. בתוך הכרטיסייה טרום נתונים סטטיסטיים, לבחור "ללא" תחת "תיקון תנועה", כפי שכבר נעשה. בטל "מיצוי מוח BET", כפי שכבר נעשה. לבצע החלקה המרחביתבאמצעות חצי מרבי ברוחב מלא 5 מ"מ (FWHM).
    3. בכרטיסיית נתונים סטטיסטיים, לסגת הפרמטרים תנועת 6 ונגזרים זמניים שלהם. בחר באפשרות "אף אחד" לפיתול וסמן את "החל סינון זמני." השתמש בפלט של FSL MCFLIRT לקבל קבצי טקסט של פרמטרים תנועה, שיכול להיות ואז קלט לתוך מודל ניתוח FEAT לסגת אלה בכלליים לינארי דגם (GLM)
    4. גם להוסיף CSF ואותות חומר לבנים שמופקים ומנורמלים בשלבים קודמים לGLM. בחר באפשרות "אף אחד" לפיתול, להוסיף נגזר זמני, ולהוריד את הסימון "החל סינון זמני".

4. שיטות סטטיסטי

  1. יש להשתמש בשאריות מהעיבוד מקדים שתואר לעיל עבור מתאם מבוסס זרע. צריכים להיות מועברות שאריות אלה ראשון דרך מסנן נמוך לעבור מ0.1 הרץ, אז מושפל על ידי הפחתה הממוצעת, חלוקה בסטיית התקן, ולאחר מכן טיפס על ידי הוספה100. זרעים צריכים להיות מוגדרים בקוטר של 6 מ"מ בחלל הסטנדרטי משרד התשתיות הלאומי באמצעות תוכנת MRICron.
  2. האחורית והקדמיים צריכים הזרעים מתאימות לקואורדינטות הבאות: (1) RSP / PCUN האזור (x = 2, y = -60, z = 36) ו (2) ventromedial קליפת המוח הקדם חזיתית (vmPFC; x = 3, y = 60, z = -1). מקומות זרעים אלו הוגדרו במסגרת ביקורת בריאה והופכים למרחב הנושא בשלב הבא 17-19.
    1. הזרעים צריכים לאחר מכן להפוך לחלל הפונקציונלי האישי של כל נושא המוח מהחלל משרד התשתיות הלאומי הסטנדרטי. לשם כך, השתמש במטריצת השינוי שנוצרה לעיל (בשם "standard2example_func.mat") כדי להפוך את הזרע מהחלל סטנדרטי (משרד תשתיות הלאומי) למרחב האישי התפקודי (BOLD).
    2. השתמש fslmeants הפקודה כדי לחלץ את סדרת הזמן ממושפל בעבר ולשנותם שייר, באמצעות הזרע במרחב נושא האדם כמסכה. לנרמל את סדרת זמן חילוץ באמצעות רךכלי "R".
  3. מתאמים חלקיים בין voxels הזרע וכל voxels האחרים במוח צריכים להיות מחושבים בנפרד לכל נושא לכל סיבוב. לשם כך, בתוך GUI FEAT FSL, בחר "ניתוח ברמה הראשונה", ולאחר מכן "סטטיסטיקה + פוסט סטטיסטיקות". בכרטיסיית נתונים, יש להשתמש שיורי המושפלים בעבר ולשנותם כקלט לFeat.
  4. קבע את הפסקת לעבור סינון גבוהה ל -10,000, כשיורים כבר עברו גבוה ב100 שניות. בתוך כרטיסיית הסטטיסטיקות, ביטול בחירה "השתמש prewhitening סרט", ולהשתמש בסדרת זמן זרע חילוץ ומנורמלת בעבר בGLM. בכרטיסיית הודעה-נתונים סטטיסטיים, לקבוע את סף Z-Stat הרצוי לערך של 2.0.
  5. לפני הפעלת ניתוח קבוצת שילוב ריצות בתוך נושאים, Z של פישר להפוך צריכה להתבצע על הקובץ להתמודד (ניגודיות של אומדני פרמטרים) שהופק מהניתוח מנוהל בעבר המתאם (השלב ​​4.3). fr נתוני רישום עותקאום הספרייה "רג" מניתוח FEAT נעשתה בשלב 3.1 לטווח המתאם של שלב 4.3.
  6. הפעל ניתוח ברמה גבוהה יותר על ידי שילוב של ריצות בכל נושא. לשם כך, בתוך GUI FEAT FSL, בחר "ניתוח ברמה גבוהה", ולאחר מכן "סטטיסטיקה + פוסט סטטיסטיקות". בתוך הכרטיסייה "נתונים", בחר "תשומות הן ספריות FEAT ברמה נמוכה יותר" והזן הריצות של הנושא מצעד 4.4. בתוך הלשונית "הסטטיסטיקות", לבחור "השפעות מעורבות: OLS פשוט". הגדר את ההשפעה ממוצעת כמודל; הכנס את הערך של 1 לכל אחד מהריצה של הנושא.
  7. כדי לשלב נתונים על ריצות בין נושאים, ריבועים פחותים רגילים (OLS) יש להשתמש בניתוח מעורב אפקטים פשוטים. לשם כך, בתוך GUI FEAT FSL, בחר "ניתוח ברמה גבוהה יותר", וגם "סטטיסטיקות + פוסט סטטיסטיקות". בכרטיסיית נתונים, בחר "תשומות הן ספריות FEAT ברמה נמוכה יותר" והזן פועל בשילוב של נבדקים משלב 4.5.
  8. בתוך כרטיסיית הסטטיסטיקות, בחר "השפעות מעורבות: OLS פשוט" "הגדירו את מודל כ3 קבוצות; הכנס את ערך 1 עבור הקבוצה כל נושא שייך, 0 אחרת. ניתוח קבוצה צריך להיעשות על כל voxel באמצעות ניתוח שונה חד כיווני עם שלוש רמות שתואמות לשלוש קבוצות (מימין TLE, ייתכנו עזב, וקבוצת ביקורת בריאה).
  9. לסף תמונות נתון Z להשתמש אשכול יוצרות סף Z> 2.0 ותיקנו סף אשכול משמעותי של p = 0.05 20. כדי להשיג Z-ערכים נכונים על מפת המתאם, Z של פישר הפוך להפוך צריכה להתבצע על התוצאות.
  10. יש להשוות הניגודים הספציפיים הבאים (1) בקרות TLE תקין>; (2) עזב TLE> פקדים; (3) תקין ייתכנו> עזב TLE; (4) עזב TLE> TLE הנכון; (5) שליטה> תקין TLE; (6) בקרה> עזבה TLE; (7) TLE (מימין בשילוב ושמאל)> שליטה; ו( 7) שליטה> TLE (ימין ושמאל גם יחד).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 1 מציג את DMN חשף עם קישוריות מזרע אחורי (RSP / PCUN צבעים, אדום, צהוב) וזרעים קדמי (vmPFC, צבעים כחולים ירוקים) ומשווה את הרשתות שנמצאו בקבוצות הנושא השונות (איורים 1 א-C) ובין זה לזה, ביקורת בריאה כלומר בהשוואה לכל החולים עם TLE (1D דמויות ו1E), ולאחר מכן נבדקים בריאים בהשוואה בנפרד לTLE עזב (1F דמויות ו1G) וזכות TLE (איורים 1H ו1I). השוואה ישירה בין TLE שמאל וימין מוצגת גם (1J דמויות ו1K).

TLE

ייתכנו כולל נושאים שיש ימינה או שמאלה TLE. השוואה לקבוצת ביקורת, קבוצה משולבת זו צמצמה קישוריות מהאחורית לאזור DMN הקדמי (1D איור, צבעים אדומים) קישוריות מופחתת, כמו גם מאזור DMN הקדמי לרכיבים האחוריים (איור 1D, צבעים כחולים). נושאים עם TLE הראו גם קישוריות fronto-הקודקודית גדלה עם הקדמי והאחורי DMN (איור 1E, צבעים כחולים / אדום).

השמאל TLE

נושאים עם TLE השמאל צמצמו קישוריות של DMN האחורי עם אזורי DMN הקדמי וההיפוקמפוס, parahippocampus, גזע המוח, והמדיאלי עורפי קליפת המוח (איור 1F, צבעים אדומים). שימוש בזרע קדמי, קישוריות מופחתת עם רכיבים האחוריים (היפוקמפוס, gyrus parahippocampal, פיתול דמוי כישור, gyrus הלשוני, רכס החגורה) גם ראה (איור 1F, צבעים כחולים). נושאים עם TLE השמאלי נמצאו כבעלי רשת פרי opercular הרחיבה מחוברת לזרעים האחוריים וקדמיים (איור 1G, צבעי אדום והכחולים) compared לנבדקים בריאים.

ייתכנו תקין

כמו במקרה של נבדקים עם TLE שמאל, אלה עם זכות TLE צמצמו קישוריות של זרע DMN האחורי עם רכיבי DMN הקדמי (איור 1H, צבעים אדומים). הזרע הקדמי צימצם קישוריות לאזורים אחורי (היפוקמפוס דו צדדי, putamen, caudate) וDMN הקדמי עצמו. (איור 1H, צבעים כחולים). אזורים עם קישוריות מוגברת של הזרעים האחוריים וקדמיים בימין TLE נכללו שמאל קליפת רוחב זמני, precuneus, cingulum, והקורטקס מוטורי משלים. (איור 1I).

ימין לעומת השמאל TLE

השוואה ישירה של זכות TLE עם TLE השמאל חשפה קישוריות מוגברת של זרעי DMN האחורי לgyrus supramarginal השמאל בTLE השמאלי (איור 1J, צבעים אדומים), כמו גם את זרע DMN הקדמי לפרונטלייםאזורים (איור 1J, צבעים כחולים) בהשוואה לימין TLE. תחומי קישוריות מוגברת של הזרעים האחוריים בזכות TLE כללו ההיפוקמפוס השמאלי, כישורי ואזורים של התלמוס וגזע מוח בין שתי המדינות. תחומי קישוריות מוגברת של הזרעים קדמי בזכות TLE כללו precuneus, אזורי thalamic בין שתי המדינות, ואזורי גזע המוח. (איור 1K).

איור 1
איור 1. השוואה של DMN בTLE השוואה לקבוצת ביקורת בריאה. קישוריות DMN באמצעות זרע אחורי (DMN האחורי, RSP / PCUN, צבעים אדומים, צהובים) וזרעים קדמי (vmPFC, צבעים כחולים ירוקים) מוצגת בשונה קבוצות נושא (AC), ייתכנו השוואה לקבוצת ביקורת בריאה (DE), עזב TLE השוואה לקבוצת ביקורת בריאה (FG), נכון TLE השוואה לקבוצת ביקורת בריאה (HI), ונכון TLE לעומת TLE עזב (JK). C-בקרה; L-שמאל TLE; R-ימין TLE. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הוא חשב אפילפסיה להיות מחלה רשת, וחריגות של הרשתות מעורבות נוכחים במהלך התקפים ובמצב interictal 21. fMRI המבוסס על משימות נעשה שימוש כדי לנתח את הליקויים של השפה וזיכרון ברשתות TLE 8. יש FcMRI יתרונות הגלומים בלימוד DMN 12 כפי שהוא רשת פעילה בעיקר במצב המנוחה. DMN הוא רשת של אזורים במוח שכבר נמצאה להיות פעיל אצל אנשים ער שנשארו באין מפריע ועוסקים במחשבות ספונטניות. אזורים אלה הוכחו לכלול vmPFC, RSP / PCUN, קליפת cingulate אחורית, אזורים הקודקודית נחותים, אזורים הטמפורלית לרוחב, וhippocampi 12,17. הוא חשב DMN להיות מצע למצב המודע. זה כבר דווח שיש לשנות בתנאים המשפיעים על תודעה, זיכרון וקוגניציה חברתית כגון התקפי ניתוק, מחלת אלצהיימר, ואוטיזם / סכיזופרניה, respectively 22-26.

האונה הטמפורלית מחוברת בצורה מורכבת לDMN. מעורבות משנית של DMN עשויה לתווך את ההשפעות של TLE על הקוגניציה ותודעה 12,27. כגון מעורבות משנית של DMN יכולה להיות גם סיבתי לתופעות הקליניות של מצבים אחרים המשפיעות על האונה הטמפורלית מערכת / הלימבית כמו סכיזופרניה 25 ומחלת אלצהיימר 22,26. מחקרים קודמים הראו מעורבות DMN בTLE וצורות אחרות של אפילפסיה במהלך התקפים, במהלך פריקות epileptiform interictal, ובמצב interictal 9,28-33. מחקרים אלה מצביעים על תפקיד פוטנציאלי חשוב של DMN בelectrographic interictal ומאפייני התנהגותיים ictal של TLE. בניסוי הנוכחי, fcMRI מבוסס זרע שימש לנתח DMN בייתכנו במדינה הבסיסית כדי להעריך את ההשפעה של TLE על DMN. מודל הרכזת ודיבר על DMN טוען כי המערכות העיקריות שלה הן אחורית(RSP / PCUN) וקדמי (vmPFC) רכיבים. הנה, את מאפייני הקישוריות של שני אזורים העיקריים אלה נבדקו פרטני להעריך כיצד ייתכנו משפיע על הקישוריות שלהם ורשתות המשנה הקשורים בם.

הניתוח המבוסס על הזרעים הנוכחיים מגלה ניתוק בין רכזות הקדמית והאחוריות של DMN. הפחתת קישוריות תפקודית כזה עשוי הקשורים לירידה בקישוריות החומר הלבנה אנטומיים בין המבנים המעורבים כפי שהודגמו במחקר שהראה הפחתה זמנית בעניין קישוריות פונקציונלית ולבנה בין DMN האחורי והיפוקמפוס בחולים עם TLE 34. יתר על כן, הוא מדגים עלה באופן כללי קישוריות בTLE השמאלי של רכזות הקדמית והאחוריות של DMN לאזורים אחרים במוח ובאופן כללי ירד קישוריות בזכות TLE. זה עולה בקנה אחד עם מחקרים קודמים מראים קישוריות מופחתת בזכות ייתכנו עליות ומפצותשל קישוריות בעזבה TLE 30,35. באופן כללי, נכון TLE נוטה לערב מבנים דו צדדיים, בעוד שייתכנו עזב כרוך חלוקה מחדש של הפעלה פונקציונלית 36,37. זה בולט במיוחד בזרע הקדמי שבו ייתכנו עזב יש קישוריות רבה יותר לאזורי פרי opercular, בהשוואה ל TLE תקין (איורים 1G, 1I, ו1J). זה, בשילוב עם הקישוריות נמוכה יותר של הזרע האחורי בTLE עזב השוואה לקבוצת ביקורת (1F דמויות ו1K), מצביע על כך שהקישוריות הקדמית גדלה בTLE השמאל יכולה להיגרם כתוצאה מניתוק של הזרע האחורי או הקשרים בין האחורי וקדמי זרעים. ההיפוקמפוס קשור לDMN הקדמי באמצעות DMN האחורי 34.

הטכניקה המשמשת במחקר זה ניתן לשינוי על ידי שינוי מיקום הזרע ויצירת רשתות המוח המתאים לאזורים אחרים במוח. אלתוכנת ניתוח ternative ניתן להשתמש כדי לעשות ניתוח דומה (למשל, SPM, AFNI). ניתוחי מתאם מבוססי זרע מוגבלים בכך שהם דורשים את ההשערה בדבר המבנה של הרשת המשוערת בחקירה לקביעה מראש על המיקום של הזרע. אם ההשערה הבסיסית היא פגומה, התוצאות לא תהיינה של יבוא.

-נח המדינה fcMRI 2 יכול לספק מידה מסוימת של קישוריות פונקציונלית המבוססת על מודולציות ספונטניות (כלומר, לא שואל לא קשור) באותות BOLD. שתי שיטות נפוצות למטרה זו הן מתאמי זרע (אזור של עניין) מבוססת וICA 6. ניתוח מתאם זרע מבוסס דורש השערה בדבר המבנה של הרשת המשוערת בחקירה לקביעה מראש על המיקום של הזרע. לאחר בחירת מיקום הזרע וחילוץ אות BOLD של voxels מהווים את הזרע, ניתוח voxel-by-voxel של המוח כולומבוצע כדי לזהות אזורים אחרים במוח עם דפוסי אות BOLD דומים, וזה מבהיר רשת מתואמת. שיטה נוספת של ניתוח זרע היא על ידי קישור בין האות בין שתיים, או מרובים, אזורים של עניין. באמצעות שיטה כזו, הקישוריות נמצאה להיות מופחת בין ההיפוקמפוס lesional וDMN האחורי בTLE 38. מצד השני, ICA הוא הנתונים מונעים ללא השערה קיימת מראש ומשרטט במרחב ובזמן נתונת רשתות שונות בתוך מוח מצב המנוחה. מחקר של DMN בייתכנו גם בוצע באמצעות הרשפ"ת וקבע קישוריות מופחתת של DMN הקדמי בחולים עם ימין ושמאל TLE השוואה לקבוצת ביקורת. עם זאת, ניתוח ROI שלנו (זרע) מבוסס הראה הנוכחות של רשת DMN קדמית בTLE, שהייתה למעשה נרחב יותר בTLE השמאל לעומת השליטה נושאים. פער זה יכול להיות קשור לניתוק המוצע של קדמי מDMN האחורי, שבו netw הקדמי מופרד ork פחות נראה לעין בעת ​​הערכת רשת המזוהות בעיקר על ידי חיבורי DMN האחורי. בהסכם עם מחקר קודם, שנוכל לשכפל את המעורבות הזמנית mesial בTLE 39.

הניתוח הנוכחי מראה כיצד ניתן להשתמש fcMRI מבוסס זרע לבדיקת רשתות מוחיות בהפרעות במוח כגון TLE. זיהוי ההבדלים בין קבוצות כגון עוזר להבין את הליקויים תפקודיים במצבי מחלה פתיחת האפשרות ליישומים עתידיים שליישם ניתוחים שיכולים להתפרש בנושא הרמה אחת 2.

מגבלה אחת של ניתוח זה היא חוסר היכולת לקבוע את המצב ער / ישן של הנושא. שינה נמצאת קשורה לקישוריות DMN מופחתת של קליפת המוח הקדמית עם שינה עמוקה 40 או עם הרדמה כללית 41. בהמשך החקירה היא מוצדק כדי לחקור האם ניתן לשחזר את הממצאים הללו על ידי שליטה למצב שינה.

ss = "jove_content"> צעדים קריטיים בפרוטוקול מתואר כאן כולל את הדברים הבאים: א) עיבוד מקדים צעדים; ב) זיהוי של מיקום זרע; ג) לחילוץ בזמן קורס של הזרע (ים) שצוין; ד) מקשר בזמן כמובן מעל לvoxels המוח שנותרו; ה) יצירת מפות של אזורים במוח המתואמים לדמיין את רשת המוח המקבילה לזרע שצוין; וו) השוואה של רשת מוח מפות ובכך שנוצר כדי לחפש הבדלים בין קבוצות ברשתות הזרע.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ד"ר אנגל ממומן על ידי NIH מענקים P01 NS02808, R01 NS33310, וU01 NS42372, יש פטנטים WO 2009/123734A1, וWO 2009/123735A1, מקבל תמלוגים מMedLink, וולטרס Kluwer, בלקוול, וElsevier, וקיבל שכר טרחה מMedtronics , וולטרס Kluwer, ומיטב רופאים. ד"ר שטרן שימש כיועץ בשכר לUCB ולונדבק. ד"ר שטרן הוא עורך MedLink נוירולוגיה, וקיבל תמלוגים מוולטרס Kluwer ומMcGraw-Hill. יש סופרים שנותרו ללא גילויים או ניגודי עניינים להכריז.

Acknowledgments

מימון למחקר זה מסופק על ידי קרן אפילפסיה של אמריקה, ביילור לרפואת חישובית ואינטגרטיבית מרכז המחקר ביו זרע (CIBR) פרסים גרנט (ZH); NIH-NINDS K23 גרנט NS044936 (JMS); . והקרן לף המשפחה (JMS) רכישת נתונים נעזרה ב: אליזבת פירס (UCLA).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MRI machine
Linux workstation with image analysis software installed

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Biswal, B. B., Yetkin, F. Z., Haughton, V. M., Hyde, J. S. Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI. Magn. Reson. Med. 34, 537-541 (1995).
  2. Fox, M. D., Greicius, M. Clinical applications of resting state functional connectivity. Front. Syst. Neurosci. 4, 1-13 (2010).
  3. Laufs, H., et al. Electroencephalographic signatures of attentional and cognitive default modes in spontaneous brain activity fluctuations at rest. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100, 11053-11058 (1073).
  4. Shmuel, A., Leopold, D. A. Neuronal correlates of spontaneous fluctuations in fMRI signals in monkey visual cortex: Implications for functional connectivity at rest. Hum. Brain Mapp. 29, 751-761 (2008).
  5. Margulies, D. S., et al. Resting developments: a review of fMRI post-processing methodologies for spontaneous brain activity. Magn. Mater. Phys. Biol. 23, 289-307 (2010).
  6. Biswal, B. B., et al. Toward discovery science of human brain function. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 4734-4739 (2010).
  7. Haneef, Z., Lenartowicz, A., Yeh, H. J., Engel, J., Stern, J. M. Effect of lateralized temporal lobe epilepsy on the default mode network. Epilepsy Behav. 25, 350-357 (2012).
  8. Pillai, J. J., Williams, H. T., Faro, S. Functional imaging in temporal lobe epilepsy. Semin. Ultrasound. CT MR. 28, 437-450 (2007).
  9. Blumenfeld, H., et al. Positive and negative network correlations in temporal lobe epilepsy. Cereb. Cortex. 14, 892-902 (2004).
  10. Dupont, P., et al. Dynamic perfusion patterns in temporal lobe epilepsy. Eur. J. Nucl. Med. Imaging. 36, 823-830 (2009).
  11. Fransson, P., Marrelec, G. The precuneus/posterior cingulate cortex plays a pivotal role in the default mode network: Evidence from a partial correlation network analysis. Neuroimage. 42, 1178-1184 (2008).
  12. Buckner, R. L., Andrews-Hanna, J. R., Schacter, D. L. The brain's default network. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1124, 1-38 (2008).
  13. Woolrich, M. W., Ripley, B. D., Brady, M., Smith, S. M. Temporal autocorrelation in univariate linear modeling of FMRI data. Neuroimage. 14, 1370-1386 (2001).
  14. Forman, S. D., et al. Improved assessment of significant activation in functional magnetic resonance imaging (fMRI): use of a cluster size threshold. Magn. Reson. Med. 33, 636-647 (1995).
  15. Jenkinson, M., Bannister, P., Brady, M., Smith, S. Improved optimization for the robust and accurate linear registration and motion correction of brain images. Neuroimage. 17, 825-841 (2002).
  16. Smith, S. M. Fast robust automated brain extraction. Hum. Brain Mapp. 17, 143-155 (2002).
  17. Raichle, M. E., et al. A default mode of brain function. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 676-682 (2001).
  18. Uddin, L. Q., Kelly, A. M., Biswal, B. B., Castellanos, F. X., Milham, M. P. Functional connectivity of default mode network components: correlation. Hum. Brain Mapp. 30, 625-637 (2009).
  19. Singh, K. D., Fawcett, I. P. Transient and linearly graded deactivation of the human default-mode network by a visual detection task. Neuroimage. 41, 100-112 (2008).
  20. Worsley, K. J., Evans, A., Marrett, S., Neelin, P. A three-dimensional statistical analysis for CBF activation studies in human brain. J. Cereb. Blood Flow Metab. 12, 900-918 (1992).
  21. Spencer, S. S. Neural networks in human epilepsy: evidence of and implications for treatment. Epilepsia. 43, 219-227 (2002).
  22. Greicius, M. D., Srivastava, G., Reiss, A. L., Menon, V. Default-mode network activity distinguishes Alzheimer's disease from healthy aging: evidence from functional MRI. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 4637-4642 (2004).
  23. Kennedy, D. P., Redcay, E., Courchesne, E. Failing to deactivate: resting functional abnormalities in autism. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 8275-8280 (2006).
  24. Garrity, A. G., et al. Aberrant "default mode" functional connectivity in schizophrenia. Am. J. Psychiatry. 164, 450-457 (2007).
  25. Mannell, M. V., et al. Resting state and task-induced deactivation: A methodological comparison in patients with schizophrenia and healthy controls. Hum. Brain Mapp. 31, 424-437 (2010).
  26. Jones, D., et al. Age-related changes in the default mode network are more advanced in Alzheimer disease. Neurology. 77, 1524-1531 (2011).
  27. Kobayashi, Y., Amaral, D. G. Macaque monkey retrosplenial cortex II. Cortical afferents. J. Comp. Neurol. 466, 48-79 (2003).
  28. Dupont, P., et al. Dynamic perfusion patterns in temporal lobe epilepsy. Eur. J. Nuclear Med. Mol. Imaging. 36, 823-830 (2009).
  29. Laufs, H., et al. Temporal lobe interictal epileptic discharges affect cerebral activity in “default mode” brain regions. Hum. Brain Mapp. 28, 1023-1032 (2007).
  30. Morgan, V. L., Gore, J. C., Abou-Khalil, B. Functional epileptic network in left mesial temporal lobe epilepsy detected using resting fMRI. Epilepsy Res. 88, 168-178 (2010).
  31. Gotman, J., et al. Generalized epileptic discharges show thalamocortical activation and suspension of the default state of the brain. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 15236-15240 (2005).
  32. Hamandi, K., et al. EEG-fMRI of idiopathic and secondarily generalized epilepsies. Neuroimage. 31, 1700-1710 (2006).
  33. Pittau, F., Grova, C., Moeller, F., Dubeau, F., Gotman, J. Patterns of altered functional connectivity in mesial temporal lobe epilepsy. Epilepsia. 53, 1013-1023 (2012).
  34. Liao, W., et al. Default mode network abnormalities in mesial temporal lobe epilepsy: a study combining fMRI and DTI. Hum. Brain Mapp. 32, 883-895 (2011).
  35. Pereira, F. R., et al. Asymmetrical hippocampal connectivity in mesial temporal lobe epilepsy: evidence from resting state fMRI. BMC Neurosci. 11, 1-13 (2010).
  36. Dupont, S., et al. Bilateral hemispheric alteration of memory processes in right medial temporal lobe epilepsy. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatr. 73, 478-485 (2002).
  37. Vlooswijk, M. C., et al. Functional MRI in chronic epilepsy: associations with cognitive impairment. Lancet Neurol. 9, 1018-1027 (2010).
  38. McCormick, C., Quraan, M., Cohn, M., Valiante, T. A., McAndrews, M. P. Default mode network connectivity indicates episodic memory capacity in mesial temporal lobe epilepsy. Epilepsia. 54, (2013).
  39. Zhang, Z., et al. Altered spontaneous neuronal activity of the default-mode network in mesial temporal lobe epilepsy. Brain Res. 1323, 152-160 (2010).
  40. Horovitz, S. G., et al. Decoupling of the brain's default mode network during deep sleep. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 11376-11381 (2009).
  41. Deshpande, G., Kerssens, C., Sebel, P. S., Hu, X. Altered local coherence in the default mode network due to sevoflurane anesthesia. Brain Res. 1318, 110-121 (2010).

Tags

רפואה גיליון 90 Default מצב רשת (DMN) Temporal אונה אפילפסיה (TLE) fMRI MRI קישוריות MRI התפקודית (fcMRI) רמת חמצון בדם תלוי (BOLD)
ניתוח רשת של ברירת מחדל מצב הרשת באמצעות קישוריות ה-MRI התפקודי באונה הטמפורלית אפילפסיה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Haneef, Z., Lenartowicz, A., Yeh, H. … More

Haneef, Z., Lenartowicz, A., Yeh, H. J., Engel Jr., J., Stern, J. M. Network Analysis of the Default Mode Network Using Functional Connectivity MRI in Temporal Lobe Epilepsy. J. Vis. Exp. (90), e51442, doi:10.3791/51442 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter