Summary
Dinlenme-devlet fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme Granger Nedensellik analizi ile bağlı olarak, biz değişiklikler posterior singulat korteks ve Alzheimer hastalığı (Ah) olan hastalar, hafif bilişsel bozulma (MCI) ve sağlıklı kontrol tüm beyin arasında yönettiği fonksiyonel bağlantı içinde araştırdık.
Abstract
Engelli fonksiyonel bağlantı varsayılan modu ağ (DMN) içinde Alzheimer hastalığı (Ah) ilerlemesinde tutulabilir. Posterior singulat korteks (PCC) reklam ilerlemesini izlemek için potansiyel bir görüntü belirtecidir. Önceki çalışmalarda PCC ve bölgeler dışında DMN düğümler arasındaki fonksiyonel bağlantı üzerinde odaklanmak değil, ama bizim çalışma gözden kaçan bu fonksiyonel bağlantıları keşfetmek için bir çabadır. Veri toplamak için biz fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) ve Granger Nedensellik analizi (GCA) kullanılır. fMRI farklı beyin bölgeleri arasındaki dinamik etkileşimler çalışmak için non-invaziv bir yöntem sağlar. GCA tek seferlik serisi başka tahmini yararlı olup olmadığını belirlemek için bir istatistiksel hipotez testidir. Basitçe, bu "Son anda, X olasılık dağılımı şu anda üzerindeki tüm bilgileri bilinen" ve "Son anda Y, X olasılık dağılımı şu anda hariç tüm bilgileri bilinen" karşılaştırarak karar verilir, Y ve X arasında nedensel bir ilişki olup olmadığını belirlemek için. Bu tanım tam bilgi kaynağı ve sabit kronolojik sıralaması üzerinde temel alır. Bu analizin temel adım X kullanmaktır ve Y regresyon denklemi kurmak ve nedensel bir ilişki varsayımsal bir testi ile çizin. GCA nedensel etkileri ölçebilirsiniz beri biz fonksiyonel bağlantı anizotropi araştırmak ve PCC hub fonksiyonu keşfetmek için bu kullanılır. Burada, biz MRI tarama için 116 katılımcılar ekranlı ve Nörogörüntüleme elde edilen veriler ön işleme sonra biz GCA her düğümün nedensel ilişki türetmek için kullanılan. Son olarak, biz yönlendirilmiş bağlantı hafif bilişsel bozulma (MCI) ve reklam gruplarının, tüm beyin PCC hem PCC için tüm beyin arasında önemli ölçüde farklı olduğunu sonucuna vardı.
Introduction
Reklam histopatoloji, Elektrofizyoloji ve beyin görüntüleme1kullanarak tanısı merkezi sinir sisteminin dejeneratif bir hastalıktır. Bellekle ilgili DMN reklam ile ilişkili etkileşen beyin bölgeleri hayati bir sistemdir ve anormal işlevini reklam2,3özelliğidir. PCC geleneksel varsayılan ağ dinlenme durumunda önemli bir bölgedir ve epizodik bellek, kayma dikkat, kendi kendini değerlendirme ve diğer bilişsel işlevler4,5,6,7önemli rol oynar. Buna ek olarak, bu AD ilerleme izleme için görüntüleme bir işaret olabilir. GCA kullanarak, Liao ve ark. PCC birden çok bağlantı ile birden fazla cytoarchitectonics bölgedir ve fonksiyonel beyin yapısı8' önemli bir rol oynar buldum. Zhong vd PCC etkileşimleri çoğu DMN3içinde diğer bölgelerinden alınan bir yakınsama merkezi olduğunu bildirdi. Ayrıca, Miao vd DMN hub bölgelerde PCC diğer düğümler9ile en büyük nedensel ilişki vardır gösterdi. Birlikte, tüm PCC yönlendirilmiş bağlantı reklam araştırma değerlidir ve PCC daha fazla olması gerekir bu kanıtlar gösteriyor derinlemesine DMN hayati bir bölge olarak okudu.
Önceki çalışmalarda DMN içindeki diğer bölgeleri arasındaki PCC bağlantısı sınırlı; Ancak, yönlendirilmiş fonksiyonel bağlantı DMN gibi nüfuzlarını reklamı dışında PCC ve beyin bölgeleri arasında değişiklikleri araştırdı10henüz olmamıştır. Bizim çalışma daha fazla normal sağlıklı kontrol, MCI olan hastalar ve hasta reklam ile keşfedilmemiş bu fonksiyonel bağlantı soruşturma. PCC ve tüm beyin bölgeleri arasında yönlendirilmiş bağlantı gözlemleyerek, biz reklam ilerleme ile ilgili beyin işlev değişiklikleri aydınlatmak ve böylece hastalığın şiddetini değerlendirmek için bir roman objektif olarak kurmak amaçladık.
Fonksiyonel bağlantı serebral kan oksijen düzeyi bağımlı (kalın) fMRI sinyal içinde zaman uyumlu düşük frekans dalgalanmalar (LFFs) tarafından gösterilebilen Bölgelerarası etkileşim anlamına gelir. Bu nedenle, PCC ile diğer beyin bölgeleri arasındaki fonksiyonel bağlantı gözlemlemek için PCC ve tüm beyin ağ arasındaki fonksiyonel bağlantı tarafından GCA, PCC olarak bölge, faiz (ROI) ile kullanarak fMRI analiz ettik. Bu teknik doğrudan temel ilişki Nörogörüntüleme11' den alınan verileri kullanarak her düğümün türetir. Son zamanlarda, GCA electroencephalogram (EEG) ve fMRI çalışmaları beyin bölgeleri12arasında nedensel etkileri ortaya çıkarmak için uygulandı. Tüm bu çalışmalar GCA tekniği her düğümün nedensel ilişki beyinde algılamak için en uygun olabileceğini belirtti.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu rapor yönlendirilmiş fonksiyonel bağlantı PCC üzerinden tüm beyin ve--dan tüm beyin arasında reklam, PCC için karşılaştırma için bir işlem sunar MCI ve kontrol grupları. Ayrıca, sınıflandırma ve örnek daha önce deneme testi ile taranması bu süreçte önemli bir adım olduğunu. Eğer onlar hatalı sonuçlarının doğruluğunu etkileyebilir çünkü böylece, sınıflandırma ve eleme kriterleri önemlidir. Protokol listelenen olarak biz 2011 NINCDS-ADRDA tanı kriterleri ve MMSE ve ölçüt kimlik ve MCI sınıflandırılması için kullanılır; Eleme kriterimiz da yukarıdaki iletişim kuralı adlandırılır. Duruşma için uygun değildi ve o zaman, doğru bir şekilde gizli kalan hastalar, sonraki deneyler için temel olan hastalar hariç. Kritik GCA analiz yönlendirilmiş fonksiyonel bağlantı PCC tüm beyin ve tüm beyin için MCI, reklam arasında PCC türeyen ve kontrol grubu verileri kullanarak elde beyin görüntüleme. Bu protokol için GCA analiz detaylarını sundu. Bu teknoloji yönlendirilmiş bağlantı içinde gruplar arasında önemli farklılıklar bulundu ve iyi işlev değişiklikleri ve reklam ilerleme arasındaki korelasyon açıklanmıştır.
Bizim veri analizi bu çalışmanın, (yaş, cinsiyet ve eğitim düzeyleri, bunlar arasında 3 grup benzer olduğu ve bu nedenle, sonuçlar nesnel bir değerlendirme yapmak zordur hariç) bireyler arasında farklılıklar oluştu. Bu sorunu gidermek için veri gruplarının yerine tek tek veri analiz. Her grup değişkenleri ortalama ve SD ve sürekli değişkenler olarak sayı ve yüzdeler, ki testi kullanılarak temsil edilir. Bu kantitatif değerlendirmesi ile objektif PCC ve tüm beyin bölgesi arasında yönlendirilmiş bağlantı değerlendirmek ve reklam ilerlemesinde beyin ile ilgili işlev değişiklikleri aydınlatmak.
Doğrusal korelasyon ve bağımsız bileşen analizi (ICA) yaygın olarak fonksiyonel bağlantı çalışmaya kullanılmıştır rağmen bu sonuçlar hiçbir yönsel var. GCA sadece fMRI saat serisi nedensel etkileri ölçmek için aynı zamanda dinamikleri ve rs-fMRI14,15elde edilen kalın sinyal yönünü göstermek için yararlı olabilir.
PCC ve yatırım Getirisi ve bulunan yönlendirilmiş bağlantı AD, MCI, arasındaki farkları PCC ile GCA kullanan tüm beyin ağı arasında yönlendirilmiş bağlantı analiz ve kontrol grupları. Böylece, PCC, reklam ilerleme üzerinde önemli bir etkisi DMN beyin bölgesi önemli bir merkezi vardır sonucuna vardı. PCC sadece anormallikler alıcı bilgileri göstermek ama da bilgi aktarımı anormallikler gösterir. Buna ek olarak, bu çalışmada bu beyin bölgelerde anormallikler tek taraflı olduğundan anormal bağlantısı olan tüm beyin bölgelerde bilgi iletimi yön (sol orta frontal gyrus ve sol precuneus), tek tek düğümleri dışında olduğunu gösterir. Bu çalışmanın bir başka ilginç bulgu bu bağlantı anomalileri esas olarak sol yarımkürede meydana görünüyor 's. Baskın hemisfer (sol hemisfer) daha fazla yaralanma için erken metabolik düşüş ve Atrofi16yol sağ hemisfer daha duyarlı olduğu için bu olabilir.
Bununla birlikte, çalışma bazı sınırlamalar vardır. Örnekleme hızı 2 ulaştığında GCA teknolojisi için s, farklı hemodinamik gecikmeler17doğru bir şekilde elde etmek zor ve kalın yavaş dinamikleri sinyal 2 s18bazı hızlı nedensel ilişki kaybına neden olabilir. Sonuç olarak, bu sınırlama, deneysel verilerin sapma neden olabilir. Test örnek boyutu yeterince büyük değildi beri ek örnekler sonuçları doğrulamak için gereklidir.
Şu anda, bazı çalışmalarda birden çok beyin bölgeleri arasındaki nedensel ilişkileri açıklamak için birden fazla varyasyon GCA teknikleri kullandık. Teorik olarak, çok değişkenli GCA beyinde yönlü bağlantı karmaşıklığını ortaya çıkarabilir geliştirilmiş bir yöntemdir; Ancak, hemodinamik gecikme ile bölge12değişir bivariate GCA daha fazla teknik sorunlar yoktur. Birden fazla varyasyon GCA zorlukları ve karmaşık yönlü bağlantı beynin daha iyi göstermek için araştırma uygulamak için gelecekteki hedefimiz var.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar onlar rakip herhangi bir mali çıkarlarının yok bildirin.
Acknowledgments
Yazarlar Gongjun JI bilgisayar yazılım destek için teşekkür ederiz. Bu araştırma kısmen desteklenen Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Çin tarafından (No 81201156, 81271517); Zhejiang il doğal Bilim Vakfı Çin (Hayır. LY16H180007, LY13H180016, 2013C33G1360236) ve Bilim Vakfı Sağlık Komisyonu Zhejiang eyaleti (No 2013RCA001, 201522257).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 116 patients | Zhejiang Provincial People’s hospital | - | This study was approved by the ethics committee of Zhejiang Provincial People’s hospital. Every enrolled subject signed a written informed consent form. |
| Siemens Trio 3.0 T MRI scanner | Siemens, Erlangen, Germany | 20571 | Equipped with AudioComfort that reduces acoustic noise up to 90%; Provides high performance at a low noise level; Ultra light-weight coil; Unique MRI sequence design; Supports up to 400 pounds without restrictions. |
| RESTplus | Hangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, China | 20160122 | RESTplus evolved from REST (Resting-State fMRI Data Analysis Toolkit), a convenient toolkit to calculate Functional Connectivity (FC), Regional Homogeneity(ReHo), Amplitude of Low-Frequency Fluctuation (ALFF), Fractional ALFF (fALFF), Gragner causality, degree centrality, voxel-mirrored homotopic connectivity (VMHC) and perform statistical analysis. |
| DPARSF | Hangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, China | 130615 | Data Processing Assistant for Resting-State fMRI (DPARSF) is a convenient plug-in software within DPABI, which is based on SPM. You just need to arrange your DICOM files, and click a few buttons to set parameters, DPARSF will then give all the preprocessed data, functional connectivity, ReHo, ALFF/fALFF, degree centrality, voxel-mirrored homotopic connectivity (VMHC) results. |
| SPSS | SPSS Inc., Chicago, IL, USA | - | SPSS offers detailed analysis options to look deeper into your data and spot trends that you might not have noticed. |
References
- Delbeuck, X., Van der Linden, M., Collette, F. Alzheimer's disease as a disconnection syndrome? Neuropsychol Rev. 13 (2), 79-92 (2003).
- Wang, K., et al. Altered functional connectivity in early Alzheimer's disease: a resting-state fMRI study. Hum Brain Mapp. 28 (10), 967-978 (2007).
- Zhong, Y., et al. Altered effective connectivity patterns of the default mode network in Alzheimer's disease: an fMRI study. Neurosci Lett. 578, 171-175 (2014).
- Gusnard, D. A., Raichle, M. E., Raichle, M. E. Searching for a baseline: functional imaging and the resting human brain. Nat Rev Neurosci. 2 (10), 685-694 (2001).
- Greicius, M. D., Krasnow, B., Reiss, A. L., Menon, V. Functional connectivity in the resting brain: a network analysis of the default mode hypothesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 100 (1), 253-258 (2003).
- Ries, M. L., et al. Task-dependent posterior cingulate activation in mild cognitive impairment. NeuroImage. 29 (2), 485-492 (2006).
- Braak, H., Braak, E.
- Liao, W., et al. Evaluating the effective connectivity of resting state networks using conditional Granger causality. Biol Cybern. 102 (1), 57-69 (2010).
- Miao, X., Wu, X., Li, R., Chen, K., Yao, L. Altered connectivity pattern of hubs in default-mode network with Alzheimer's disease: an Granger causality modeling approach. PloS one. 6 (10), e25546 (2011).
- Yu, E., et al. Directed functional connectivity of posterior cingulate cortex and whole brain in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment. Curr Alzheimer Res. , (2016).
- Kaminski, M., Ding, M., Truccolo, W. A., Bressler, S. L. Evaluating causal relations in neural systems: granger causality, directed transfer function and statistical assessment of significance. Biol Cybern. 85 (2), 145-157 (2001).
- Zang, Z. X., Yan, C. G., Dong, Z. Y., Huang, J., Zang, Y. F. Granger causality analysis implementation on MATLAB: a graphic user interface toolkit for fMRI data processing. J Neurosci Methods. 203 (2), 418-426 (2012).
- Hedden, T., et al. Disruption of functional connectivity in clinically normal older adults harboring amyloid burden. J Neurosci. 29 (40), 12686-12694 (2009).
- Liao, W., et al. Small-world directed networks in the human brain: multivariate Granger causality analysis of resting-state fMRI. NeuroImage. 54 (4), 2683-2694 (2011).
- Liao, W., et al. Evaluating the effective connectivity of resting state networks using conditional Granger causality. Biol Cybern. 102 (1), 57-69 (2010).
- Zhang, H. Y., et al. Detection of PCC functional connectivity characteristics in resting-state fMRI in mild Alzheimer's disease. Behav Brain Res. 197 (1), 103-108 (2009).
- Deshpande, G., Hu, X., Stilla, R., Sathian, K. Effective connectivity during haptic perception: a study using Granger causality analysis of functional magnetic resonance imaging data. NeuroImage. 40 (4), 1807-1814 (2008).
- Bressler, S. L., Seth, A. K. Wiener-Granger causality: a well established methodology. NeuroImage. 58 (2), 323-329 (2011).
