Samtidig analys av hjärnans struktur och funktion med fMRI och diffusion-viktade bilder

Summary

Vi beskriver en ny metod för samtidig analys av hjärnans funktion och struktur med hjälp av magnetisk resonanstomografi (MRT). Vi bedömer hjärnans struktur med hög upplösning diffusion-viktade bilder och vit-materia fiber tractography. Till skillnad från vanliga strukturella MR dessa tekniker ger oss möjlighet att direkt relatera anatomisk anslutning till funktionella egenskaper hjärnan nätverk.

Abstract

Studiet av komplicerade beräkningsproblem system underlättas av nätverk kartor, t.ex. kopplingsscheman. Sådan kartläggning är särskilt informativt när man studerar hjärnan, som den funktionella roll som en hjärna område uppfyller i stort sett kan definieras av dess kopplingar till andra områden i hjärnan. I denna rapport beskriver vi en ny, icke-invasiv metod för att relatera hjärnans struktur och funktion med magnetisk resonanstomografi (MRT). Detta tillvägagångssätt, en kombination av strukturell avbildning av långväga fiberanslutningar och funktionella uppgifter avbildning, illustreras i två distinkta kognitiva domäner, visuell uppmärksamhet och ansikte uppfattning. Strukturell avbildning sker med diffusion-viktade bilder (DWI) och fiber tractography, som spårar spridningen av vattenmolekyler längs vita materia fiber skrifter i hjärnan (Figur 1). Genom att visualisera dessa fiber skrifter, kan vi undersöka långväga förenande arkitektur av hjärnan. Resultaten jämför favoranolikt med en av de mest använda teknikerna i DWI, diffusion tensor imaging (DTI). DTI inte kan lösa komplicerade konfigurationer av fiber skrifter, begränsar dess användbarhet för att konstruera detaljerade anatomiskt informerade modeller av hjärnans funktion. Däremot våra analyser reproducera kända neuroanatomi med precision och noggrannhet. Denna fördel beror delvis på datainsamling förfaranden: medan många DTI-protokoll åtgärd diffusion i ett fåtal riktningar (t.ex. 6 eller 12), vi använder en avbildning diffusion spektrum (DSI) ^{1, 2} protokoll som bedömer diffusion i 257 riktningar och vid ett område av magnetisk gradient styrkor. Dessutom DSI uppgifter gör att vi kan använda mer sofistikerade metoder för att rekonstruera förvärvade data. I två experiment (visuell uppmärksamhet och ansikte uppfattning), avslöjar tractography att sam-aktiva områden av den mänskliga hjärnan är anatomiskt förbundna, stödja existerande hypoteser som de bildar funktionella nätverk. DWI ger oss möjlighet att skapa en "krets diagram "och reproducera den på individuell-ämne grund, i syfte att övervaka uppgift relevant hjärnaktivitet i nätverk av intresse.

Protocol

1. Utrustning för MR Data Acquisition Figurerna 2 och 3 sammanfattar ett antal val som ska göras i spridning MRT förvärvet uppgifter återuppbyggnad och fiber spårning. Tänk på att dessa val vanligtvis innebär kompromisser, och det bästa valet kan bero på en s forskningsmål. Till exempel DSI och multi-skal HARDI (se figur 2) använder typiskt högre "b-värden" (dvs. starkare diffusion viktning) än DTI. Som ett resultat av dessa …

Discussion

Högupplöst DWI och fiber tractography ger en kraftfull metod för att undersöka den sammanbindande strukturen i den mänskliga hjärnan. Här presenterar vi bevis för att denna strukturella arkitekturen meningsfullt är relaterad till hjärnans funktion, bedöms av fMRI. Genom att använda tractography frön baserade på fMRI uppgift aktivering finner vi bevis på att områden i hjärnan som är co-aktiva under visuell uppmärksamhet är anatomiskt connectedconsistent med förkunskaper i funktionell neuroanatomi <st…