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Neurociência

fMRI 및 확산 - 가중 영상을 사용하여 뇌의 구조와 기능의 공동 분석

Published: November 08, 2012
doi:
10.3791/4125
, , , , , ,
1Center for the Neural Basis of Cognition, 2Department of Psychology,University of Pittsburgh, 3Department of Psychology,Carnegie Mellon University , 4Department of Bioengineering,University of Pittsburgh

Summary

우리는 자기 공명 영상 (MRI)를 사용하여 뇌 기능과 구조의 동시 분석을위한 새로운 접근 방식을 설명합니다. 우리는 고해상도 확산 – 가중 영상과 흰색 물질 섬유 tractography로 뇌 구조를 신고 할 수 있습니다. 표준 구조 MRI는 달리,이 기술은 우리가 직접 뇌 네트워크의 기능 속성에 해부학 적 연결을 연관 할 수 있습니다.

Abstract

복잡한 계산 시스템의 연구는 이러한 회로 다이어그램과 같은 네트워크지도에 의해 촉진된다. 뇌 영역 충족이 크게 다른 뇌 영역과의 연결로 정의 할 수있는 기능 역할로, 뇌를 공부할 때 이러한 매핑은 특히 정보입니다. 이 보고서에서, 우리는 자기 공명 영상 (MRI)를 사용하여 뇌의 구조와 기능을 관련하여에 대한 소설, 비 침습적 방법을 설명합니다. 이 방법, 장거리 섬유 연결과 기능 영상 자료의 구조 이미지의 조합은 별개의 두인지 영역, 시각주의와 얼굴 인식에 도시된다. 구조 영상은 뇌의 흰색 물질 섬유 책자 (그림 1)을 따라 물 분자의 확산을 추적 확산 – 가중 영상 (음주 운전) 및 섬유 tractography과 수행됩니다. 이러한 섬유 책자를 시각화함으로써, 우리는 뇌의 장거리 결합 구조를 조사 할 수 있습니다. 결과는 favora를 비교bly 음주 운전, 확산 텐서 영상 (DTI)에서 가장 널리 사용되는 기법 중 하나. DTI는 뇌 기능의 상세한 해부학 – 정보 모델을 구축을 위해 자사의 유틸리티를 제한 섬유 책자의 복잡한 구성을 해결 할 수 없습니다. 반면에, 우리의 분석은 정밀도와 정확도로 알려진 neuroanatomy을 재현. 이 장점은 데이터 수집 절차에 부분적으로 인해 : 경로의 소수 (예, 6, 12)에서 많은 DTI 프로토콜 측정 확산하면서, 우리는 257 방향으로 확산을 평가하고 확산 스펙트럼 이미징 (DSI) 1, 2 프로토콜을 채용 자기 그라데이션 강도의 범위에서. 또한, DSI 데이터는 우리가 획득 한 데이터를 재구성에 대한보다 정교한 방법을 사용 할 수 있습니다. 이 실험 (영상 관심과 얼굴 인식)에서, tractography들은 기능 네트워크를 형성하는 무언가 가설을 지원, 해부학 적 연결되어있는 인간의 뇌의 공동 활성화 영역을 보여줍니다. 음주 운전은 우리가 "회로 디를 만들 수 있습니다agram "관심의 네트워크의 모니터링 작업 관련 뇌 활동의 목적으로, 개별 주체의 기초에 재현.

Protocol

1. MR 데이터 수집을위한 장비 도 2 및도 3은 확산 MRI 획득, 데이터 복구 및 섬유 추적에서 만든 할 선택의 숫자를 요약. 이 선택은 일반적으로 무역 오프를 포함하고, 최선의 선택 하나의 연구 목표에 따라 달라 않을 수 있습니다. 예를 들어, DSI와 멀티 쉘 HARDI은 (그림 2 참조) 일반적으로 DTI보다 높은 'B-값 "(즉, 강한 확산 가중치)을 사용합?…

Discussion

고해상도 음주 운전 및 섬유 tractography은 인간의 뇌의 결합 구조를 조사하는 강력한 방법을 제공합니다. 여기, 우리는이 구조 아키텍처는 의미 fMRI에 의해 평가 뇌 기능과 관련이있는 것으로 증거를 제시한다. fMRI 작업 활성화에 따라 tractography 씨앗을 사용하여, 우리는 시각적 인 관심을 동안 공동 운영중인 뇌 영역 기능 neuroanatomy의 사전 지식 (그림 7)과 해부학 connectedconsistent 있다는 ?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

목록 응답 및 자금 출처. 작품은 NIH RO1-MH54246 (MB), 국립 과학 재단 (National Science Foundation) BCS0923763 (MB), 계약 NBCHZ090439 아래의 국방 고급 연구 프로젝트 기관 (DARPA) (WS), 수상 N00014-11 이하 해군 연구 (ONR)의 사무실에 의해 지원됩니다 -1-0399 (WS) 및 계약 W911NF-10-2-0022 (WS)에서 육군 리서치 연구소 (백작). 이 프리젠 테이션에 포함 된 전망, 의견, 및 / 또는 연구 결과는 저자의 이러한하며 위의 기관이나 국방의 미국학과의 공식 전망이나 정책, 명시 적 또는 묵시적인을 대표로 해석되어서는 안됩니다.

Referências

  1. Wedeen, V. a. n. J., Hagmann, P., Tseng, W. I., Reese, T. G., Weisskoff, R. M. Mapping complex tissue architecture with diffusion spectrum magnetic resonance imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 54 (6), 1377-1386 (2005).
  2. Wedeen, V. J., Wang, R. P., Schmahmann, J. D., Benner, T., Tseng, W. Y. I., Dai, G., Pandya, D. N., et al. Diffusion spectrum magnetic resonance imaging (DSI) tractography of crossing fibers. NeuroImage. 41 (4), 1267-1277 (2008).
  3. Pipe, J. Pulse Sequences for Diffusion-weighted MRI. Diffusion MRI: From quantitative measurement to in-vivo neuroanatomy. , 12-35 (2009).
  4. Le Bihan, D., Poupon, C., Amadon, A., Lethimonnier, F. Artifacts and pitfalls in diffusion MRI. Journal of Magnetic Resonance Imaging: JMRI. 24 (3), 478-488 (2006).
  5. Tuch, D. S. Q-ball imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 52 (6), 1358-1372 (2004).
  6. Sakaie, K. E., Lowe, M. J. An objective method for regularization of fiber orientation distributions derived from diffusion-weighted MRI. NeuroImage. 34 (1), 169-176 (2007).
  7. Reese, T. G., Benner, T., Wang, R., Feinberg, D. A., Wedeen, V. J. Halving imaging time of whole brain diffusion spectrum imaging and diffusion tractography using simultaneous image refocusing in EPI. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 29 (3), 517-522 (2009).
  8. Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
  9. Cox, R. W., Hyde, J. S. Software tools for analysis and visualization of fMRI data. NMR in Biomedicine. 10 (4-5), 171-178 (1997).
  10. Goebel, R. BRAINVOYAGER: a program for analyzing and visualizing functional and structural magnetic resonance data sets. NeuroImage. 3, S604 (1996).
  11. Smith, S. M., Jenkinson, M., Woolrich, M. W., Beckmann, C. F., Behrens, T. E. J., Johansen-Berg, H., Bannister, P. R., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, S208-S219 (2004).
  12. Woolrich, M. W., Jbabdi, S., Patenaude, B., Chappell, M., Makni, S., Behrens, T., Beckmann, C., et al. Bayesian analysis of neuroimaging data in FSL. NeuroImage. 45, S173-S186 (2009).
  13. Friston, K. J. . Statistical parametric mapping: the analysis of functional brain images. , (2007).
  14. Nichols, T., Hayasaka, S. Controlling the familywise error rate in functional neuroimaging: a comparative review. Statistical Methods in Medical Research. 12 (5), 419-446 (2003).
  15. Benjamini, Y., Hochberg, Y. Controlling the false discovery rate: a practical and powerful approach to multiple testing. Journal of the Royal Statistical Society, Series B (Methodological. 57 (1), 289-300 (1995).
  16. Logan, B. R., Rowe, D. B. An evaluation of thresholding techniques in fMRI analysis. NeuroImage. 22, 95-108 (2004).
  17. Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. Estimation of the effective self-diffusion tensor from the NMR spin echo. Journal of Magnetic Resonance, Series B. 103 (3), 247-254 (1994).
  18. Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophysical Journal. 66 (1), 259-267 (1994).
  19. Frank, L. R. Anisotropy in high angular resolution diffusion-weighted MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 45 (6), 935-939 (2001).
  20. Frank, L. R. Characterization of anisotropy in high angular resolution diffusion-weighted MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1083-1099 (2002).
  21. Tuch, D. S., Reese, T. G., Wiegell, M. R., Makris, N., Belliveau, J. W., Wedeen, V. J. High angular resolution diffusion imaging reveals intravoxel white matter fiber heterogeneity. Magnetic Resonance in Medicine. 48 (4), 577-582 (2002).
  22. Descoteaux, M., Angelino, E., Fitzgibbons, S., Deriche, R. Regularized, fast, and robust analytical Q-ball imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 58 (3), 497-510 (2007).
  23. Tuch, D. S. Q-ball imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 52 (6), 1358-1372 (2004).
  24. Yeh, F. C., Wedeen, V. J., Tseng, W. -. Y. I. Generalized Q-sampling imaging. IEEE Transactions on Medical Imaging. 29 (9), 1626-1635 (2010).
  25. Wang, R., Benner, T., Sorensen, A. G., Wedeen, V. J. Diffusion Toolkit: a software package for diffusion imaging data processing and tractography. Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. , 3720 (2007).
  26. Sundaram, S. K., Kumar, A., Makki, M. I., Behen, M. E., Chugani, H. T., Chugani, D. C. Diffusion tensor imaging of frontal lobe in autism spectrum disorder. Cereb Cortex. 18 (11), 2659-2665 (2008).
  27. Greenberg, A. S., Verstynen, T., Chiu, Y. -. C., Yantis, S., Schneider, W., Behrmann, M. Visuotopic Cortical Connectivity Underlying Attention Revealed with White-Matter Tractography. The Journal of Neuroscience. 32 (8), 2773-2782 (2012).
  28. Slotnick, S. D., Yantis, S. Efficient acquisition of human retinotopic maps. Human Brain Mapping. 18 (1), 22-29 (2003).
  29. Greenberg, A. S., Esterman, M., Wilson, D., Serences, J. T., Yantis, S. Control of spatial and feature-based attention in frontoparietal cortex. The Journal of Neuroscience. 30 (43), 14330-14339 (2010).
  30. Kastner, S., Ungerleider, L. G. Mechanisms of visual attention in the human cortex. Annual Review of Neuroscience. 23, 315-341 (2000).
  31. Bürgel, U., Amunts, K., Hoemke, L., Mohlberg, H., Gilsbach, J. M., Zilles, K. White matter fiber tracts of the human brain: Three-dimensional mapping at microscopic resolution, topography and intersubject variability. NeuroImage. 29 (4), 1092-1105 (2006).
  32. Behrens, T. E. J., Jbabdi, S. . MR Diffusion Tractography. Diffusion MRI: From quantitative measurement to in-vivo neuroanatomy. , 333-352 (2009).
  33. Verstynen, T., Jarbo, K., Pathak, S., Schneider, W. In vivo mapping of microstructural somatotopies in the human corticospinal pathways. Journal of Neurophysiology. 105 (1), 336-346 (2011).
  34. Jarbo, K., Verstynen, T., Schneider, W. In vivo quantification of global connectivity in the human corpus callosum. NeuroImage. , (2012).
  35. Verstynen, T., Badre, D., Jarbo, K., Schneider, W. Microstructural organizational patterns in the human corticostriatal system. , (2012).
  36. Wang, Y., Fernández-Miranda, J. C., Verstynen, T., Pathak, S., Schneider, W. Identifying human brain tracts with tractography and fiber microdissection: mapping connectivity of the middle longitudinal fascicle as the dorsal auditory pathway. , (2012).
  37. Fernandez-Miranda, J. C., Engh, J. A., Pathak, S. K., Madhok, R., Boada, F. E., Schneider, W., Kassam, A. B. High-definition fiber tracking guidance for intraparenchymal endoscopic port surgery. Journal of Neurosurgery. 113 (5), 990-999 (2010).
  38. Fernandez-Miranda, J. C., Engh, J., Pathak, S., Wang, Y., Jarbo, K., Verstynen, T., Boada, F., Schneider, W., Friedlander, R. High-definition fiber tractography of the human brain: neuroanatomical validation and neurosurgical applications. , (2012).
  39. Shin, S., Verstynen, T., Pathak, S., Jarbo, K., Hricik, A., Maserati, M., Beers, S., Puccio, A. M., Okonkwo, D., Schneider, W. High definition fiber tracking for assessment of neurologic deficit in a case of traumatic brain injury. Journal of Neurosurgery. , (2012).
  40. Mori, S., Crain, B. J., Chacko, V. P., Van Zijl, P. C. M. Three-dimensional tracking of axonal projections in the brain by magnetic resonance imaging. Annals of Neurology. 45 (2), 265-269 (1999).
  41. Tournier, J., Mori, S., Leemans, A. Diffusion tensor imaging and beyond. Magnetic Resonance in Medicine. 65 (6), 1532-1556 (2011).
  42. Seunarine, K. K., Alexander, D. C. . Multiple Fibers: Beyond the Diffusion Tensor. Diffusion MRI: From quantitative measurement to in-vivo neuroanatomy. , (2009).

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Citar este artigo
Phillips, J. S., Greenberg, A. S., Pyles, J. A., Pathak, S. K., Behrmann, M., Schneider, W., Tarr, M. J. Co-analysis of Brain Structure and Function using fMRI and Diffusion-weighted Imaging. J. Vis. Exp. (69), e4125, doi:10.3791/4125 (2012).
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