تحليل شبكة من وضع الشبكة الافتراضية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الربط في صرع الفص الصدغي
Summary
ووضع الشبكة الافتراضي (DMN) في صرع الفص الصدغي (TLE) يتم تحليلها في حالة الراحة في الدماغ باستخدام اتصال الوظيفية القائمة على البذور التصوير بالرنين المغناطيسي (fcMRI).
Abstract
الاتصال ظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (fcMRI) هو أسلوب الرنين المغناطيسي الوظيفي الذي يدرس التواصل بين مناطق المخ المختلفة استنادا إلى ارتباط تقلبات إشارة BOLD مع مرور الوقت. صرع الفص الصدغي (TLE) هو النوع الأكثر شيوعا من الصرع الكبار ويشمل شبكات الدماغ متعددة. وتشارك شبكة الوضع الافتراضي (DMN) في واعية، والإدراك حالة الراحة، ويعتقد أن تتأثر في TLE حيث تسبب نوبات انخفاض الوعي. تم فحص DMN في الصرع باستخدام البذور مقرها fcMRI. واستخدمت المحاور الأمامية والخلفية من DMN كما البذور في هذا التحليل. تظهر النتائج انفصال بين الأمامي والخلفي من محاور DMN في TLE أثناء حالة القاعدية. بالإضافة إلى ذلك، زيادة الربط DMN إلى مناطق أخرى من الدماغ في الجهة اليسرى TLE جنبا إلى جنب مع انخفاض في اتصال الحق TLE يتم الكشف عنها. يوضح تحليل كيف يمكن استخدام fcMRI القائم على البذور لبحث شبكات الدماغي في اضطرابات الدماغ مثل TLE.
Introduction
وظيفية الربط التصوير بالرنين المغناطيسي (fcMRI) هو نهج تحليلية حديثة نسبيا لبيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي يحدد مقدار العلاقة بين مناطق الدماغ المختلفة استنادا إلى تشابه مستواها الأوكسجين في الدم تعتمد (BOLD) إشارة السلاسل الزمنية – وهذا ما يسمى "وظيفية" الاتصال، و تمييزها عن الربط التشريحية التي توضح وجود اتصالات فعلية بين المناطق (مثل ألياف المادة البيضاء). في تطبيق خاص لهذا النهج، يتم جمع سلسلة زمنية عندما لا تعمل المشارك في مهمة أو في ما يسمى ب "دولة يستريح".
على الرغم من وصف لأول مرة في عام 1995 1، كان هناك اهتمام هائل في fcMRI مما أدى إلى ما يقرب من 1،000 المطبوعات ذات الصلة تقنية في عام 2012. fcMRI له فوائد جوهرية على الرنين المغناطيسي الوظيفي القائم على المهمة في (1) أنه ليس هناك مهمة محددة يتعين القيام بها، ( 2) التعاون الموضوعليس من الضروري، (3) مجموعات البيانات يمكن استخدامها لعدة شبكات الاستعلام مختلفة، (4) إشارة إلى نسبة الضوضاء أفضل من المحتمل بسبب وجود خلافات في علم الطاقة الدماغية المعنية، و (5) من التحايل يفند المتعلقة مهمة 2 الحالي. كدليل على مفهومها، وقد تبين أن التغييرات fcMRI لتتوافق مع التغيرات في EEG 3 وامكانات الحقل المحلية 4 في الدماغ.
وتشمل تقنيات التحليل fcMRI تقنيات ROI / القائم على البذور، وتحليل عنصر المستقلة (ICA)، وتحليل نظرية الرسم البياني، جرانجر تحليل السببية، وأساليب المحلية (السعة تقلبات منخفضة التردد، وتحليل التجانس الإقليمي)، وغيرها 5. لا تقنية واحدة حتى الآن أظهرت تفوق واضح على آخر، على الرغم من أن الأساليب الأكثر شعبية هي القائمة على البذور وطرق ICA 6. ووصف القائم على البذور fcMRI يرتبط التقلبات الزمانية في إشارة BOLD من جزء انتقاؤه من الشبكة المفترضة تحت الدراسة "SEED1؛ أو "المنطقة ذات الاهتمام (ROI)" لجميع الأجزاء الأخرى من الدماغ. ويعتقد أن مناطق الدماغ التي تبين BOLD ربط إشارة إلى منطقة البذور لترسيم أجزاء من الشبكة المعنية. في المقابل، يستخدم ICA تحليل البيانات مدفوعة خالية من نموذج لاستخراج مناطق الدماغ مرتبطة المكانية والزمان (مكونات المستقلة، والمرحلية) من خلال تحليل خصائص إشارة الدورة الدموية في الدماغ كله 5.
في المخطوطة الحالية، وقدم وصفا للأساليب المستخدمة في دراسة نشرت في وقت سابق من حالة الراحة تحليل الربط القائم على البذور من DMN في TLE 7. TLE هو الشكل الأكثر شيوعا من الصرع الكبار. بالإضافة إلى المضبوطات، ويسبب ضعف TLE شبكات الدماغ متعددة بما في ذلك الذاكرة والسلوك والفكر، والوظيفة الحسية 8. وتشكل DMN صنف الدماغي subserving واعية، والإدراك للدولة يستريح. وقد ذكرت وDMN أن تشارك في المضبوطات يرتبط بانخفاض consciousness 9،10. بالإضافة إلى ذلك، قرن آمون هو هيكل الرئيسيين المشاركين في TLE ولقد كان يعتقد أن يكون عنصرا من عناصر DMN. ومع ذلك، فإن التواصل بين PCC إلى تشكيل الحصين أضعف من المكونات مع DMN أخرى، مثل الفص الجبهي الإنسي والقشور الجداري السفلي. هذا يشير إلى أن الحصين هو إما الشبكة الفرعية للDMN أو 11،12 شبكة المتفاعل. هذه القواسم المشتركة بين TLE وDMN رفع احتمال ان يتم تبديل DMN اتصال وظيفية في TLE. هذا التحليل يقارن DMN من الموضوعات مع TLE لضوابط صحية لاكتساب نظرة ثاقبة إشراك DMN في TLE. التواصل بين البذور وضعها في مراكز رئيس DMN – المناطق محور الأمامي والخلفي وقد تم تحليل 12. وضعت البذور في المحور الخلفي يتألف من retrosplenium / precuneus (RSP / PCUN) وكذلك محور الأمامي تتكون من قشرة الفص الجبهي بطني إنسي (vmPFC) في المرضى الذين يعانون من TLE وصحية ضوابط لتحديد الخلفي والأمامي من الشبكات الفرعية DMN.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويعتقد أن يكون الصرع مرض الشبكة، وشذوذات في الشبكات المعنية موجودة خلال المضبوطات والنشبات في الدولة 21. وقد استخدم الرنين المغناطيسي الوظيفي على أساس مهمة لتحليل تشوهات اللغة وشبكات الذاكرة في TLE 8. FcMRI ديه المزايا الكامنة في دراسة DMN 12 كما هو شبكة تن…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقدمت التمويل لهذا البحث من قبل مؤسسة الصرع الأمريكية، كلية بايلور لمركز البحوث الطبية الحيوية التكاملية (CIBR) البذور جوائز المنحة (ZH) الطب الحاسوبية و؛ NIH-K23 NINDS NS044936 غرانت (الدائرة)؛ . ومؤسسة عائلة ليف (الدائرة) وساعد الحصول على البيانات من قبل: اليزابيث بيرس (UCLA).
Materials
| MRI machine |
| Linux workstation with image analysis software installed |
References
- 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).
- Fox, M. D., Greicius, M. Clinical applications of resting state functional connectivity. Front. Syst. Neurosci. 4, 1-13 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Biswal, B. B., et al. Toward discovery science of human brain function. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 4734-4739 (2010).
- 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).
- Pillai, J. J., Williams, H. T., Faro, S. Functional imaging in temporal lobe epilepsy. Semin. Ultrasound. CT MR. 28, 437-450 (2007).
- Blumenfeld, H., et al. Positive and negative network correlations in temporal lobe epilepsy. Cereb. Cortex. 14, 892-902 (2004).
- Dupont, P., et al. Dynamic perfusion patterns in temporal lobe epilepsy. Eur. J. Nucl. Med. Imaging. 36, 823-830 (2009).
- 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).
- Buckner, R. L., Andrews-Hanna, J. R., Schacter, D. L. The brain’s default network. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1124, 1-38 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Smith, S. M. Fast robust automated brain extraction. Hum. Brain Mapp. 17, 143-155 (2002).
- Raichle, M. E., et al. A default mode of brain function. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 676-682 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- Spencer, S. S. Neural networks in human epilepsy: evidence of and implications for treatment. Epilepsia. 43, 219-227 (2002).
- 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).
- 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).
- Garrity, A. G., et al. Aberrant "default mode" functional connectivity in schizophrenia. Am. J. Psychiatry. 164, 450-457 (2007).
- 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).
- Jones, D., et al. Age-related changes in the default mode network are more advanced in Alzheimer disease. Neurology. 77, 1524-1531 (2011).
- Kobayashi, Y., Amaral, D. G. Macaque monkey retrosplenial cortex II. Cortical afferents. J. Comp. Neurol. 466, 48-79 (2003).
- Dupont, P., et al. Dynamic perfusion patterns in temporal lobe epilepsy. Eur. J. Nuclear Med. Mol. Imaging. 36, 823-830 (2009).
- Laufs, H., et al. Temporal lobe interictal epileptic discharges affect cerebral activity in “default mode” brain regions. Hum. Brain Mapp. 28, 1023-1032 (2007).
- 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).
- 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).
- Hamandi, K., et al. EEG-fMRI of idiopathic and secondarily generalized epilepsies. Neuroimage. 31, 1700-1710 (2006).
- 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).
- 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).
- Pereira, F. R., et al. Asymmetrical hippocampal connectivity in mesial temporal lobe epilepsy: evidence from resting state fMRI. BMC Neurosci. 11, 1-13 (2010).
- Dupont, S., et al. Bilateral hemispheric alteration of memory processes in right medial temporal lobe epilepsy. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatr. 73, 478-485 (2002).
- Vlooswijk, M. C., et al. Functional MRI in chronic epilepsy: associations with cognitive impairment. Lancet Neurol. 9, 1018-1027 (2010).
- 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).
- Zhang, Z., et al. Altered spontaneous neuronal activity of the default-mode network in mesial temporal lobe epilepsy. Brain Res. 1323, 152-160 (2010).
- 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).
- 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).
