ניתוח רשת של ברירת מחדל מצב הרשת באמצעות קישוריות ה-MRI התפקודי באונה הטמפורלית אפילפסיה
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.
Protocol
Representative Results
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…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| MRI machine |
| Linux workstation with image analysis software installed |
Riferimenti
- 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).
