JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Medicine

Netværk Analyse af standardtilstanden netværk ved hjælp af Funktionel Connectivity MRI ved FLE

Published: August 05, 2014
doi:
10.3791/51442
, , , ,
1Department of Neurology,Baylor College of Medicine, 2Neurology Care Line,Michael E. DeBakey VA Medical Center, 3Semel Institute for Neuroscience and Human Behavior,University of California, Los Angeles, 4Department of Neurology,University of California, Los Angeles

Summary

Standardtilstanden Network (DMN) ved FLE (TLE) er analyseret i den hvilende tilstand af hjernen ved hjælp af frø-baserede funktionelle konnektivitet MRI (fcMRI).

Abstract

Funktionel konnektivitet MRI (fcMRI) er en fMRI metode, der undersøger tilslutning af forskellige områder i hjernen baseret på korrelation af BOLD signal udsving over tid. FLE (TLE) er den mest almindelige form for voksen epilepsi og involverer flere netværk i hjernen. Standardtilstanden netværk (DMN) er involveret i bevidst hviletilstand kognition og menes at være påvirket i TLE hvor anfald medføre forringelse af bevidsthed. DMN i epilepsi blev undersøgt ved hjælp af frø baserede fcMRI. De forreste og bageste knudepunkter i DMN blev brugt som frø i denne analyse. Resultaterne viser en afbrydelse mellem den forreste og bageste knudepunkter i DMN i FLE under den basale tilstand. Desuden øgede DMN forbindelse til andre områder af hjernen i venstre TLE sammen med nedsat tilslutningsmuligheder i højre TLE er afsløret. Analysen viser, hvordan frø-baserede fcMRI kan anvendes til at probe cerebrale net hjernesygdomme såsom TLE.

Introduction

Funktionel Connectivity MRI (fcMRI) er en forholdsvis ny analytisk tilgang til fMRI data, der kvantificerer sammenhængen mellem de forskellige områder i hjernen baseret på ligheden mellem deres blodets iltning niveau afhængig signal serie (FED) tid – dette kaldes "funktionel" tilslutning, og er skelnes fra anatomisk konnektivitet, der beskriver eksistensen af fysiske forbindelser mellem regioner (f.eks hvide substans fibre). I en særlig anvendelse af denne fremgangsmåde, er tidsserien indsamles, når deltageren ikke er involveret i en opgave eller er i den såkaldte "hvile tilstand".

Selvom første gang beskrevet i 1995 1, har der været en enorm interesse i fcMRI resulterer i cirka 1.000 publikationer i forbindelse med teknikken i 2012. FcMRI har iboende fordele i forhold til task-baseret fMRI i (1), at der ikke er nogen specifik opgave, der skal udføres, ( 2) emne samarbejde erikke nødvendigt, (3) datasæt kan anvendes til at forespørge flere forskellige netværk (4) bedre signal-støj-forhold er til stede sandsynligvis på grund af forskelle i cerebrale energetik involveret, og (5) omgåelse af opgavemæssige confounds 2. Som et bevis på sit koncept, er blevet vist fcMRI ændringer at korrespondere med ændringer i EEG 3 og lokale feltpotentialer 4 i hjernen.

Teknikker til fcMRI analysen indeholde ROI / frø-baserede teknikker, uafhængig komponent analyse (ICA), grafteori analyse, Granger kausalitet analyse, lokale metoder (amplitude udsving lav frekvens, regional homogenitet analyse), og andre 5. Ingen enkelt teknik har endnu vist klar overlegenhed over en anden, selv om de mest populære metoder er frø-baserede og ICA-metoder 6. Seed-baserede fcMRI korrelerer tidsmæssige udsving i BOLD signal fra en forvalgt del af det formodede netværk under undersøgelse betegnes "seed1; eller "region af interesse (ROI)" til alle andre dele af hjernen. Områder af hjernen viser BOLD signal korrelerende til frøet område menes at afgrænse dele af de involverede netværk. I modsætning hertil bruger ICA en model-fri datastyret analyse til at udtrække spatio-tidsmæssigt korrelerede områder i hjernen (Independent Komponenter, ICS) ved at analysere de hæmodynamiske signal karakteristika hele hjernen 5..

I den nuværende manuskript er en beskrivelse af metoder, der anvendes i en tidligere offentliggjort undersøgelse af hviletilstand frø-baserede konnektivitet analyse af DMN i FLE præsenteret 7. TLE er den mest almindelige form for voksen epilepsi. Ud over anfald, TLE forårsager dysfunktion af flere hjernens netværk, herunder hukommelse, adfærd, tanker og sensorisk funktion 8. DMN udgøres af cerebrale regioner subserving bevidst, hvile-state kognition. DMN er blevet rapporteret at være involveret i anfald forbundet med reduceret consciousness 9,10. Derudover hippocampus er nøglen struktur involveret i TLE og er blevet anset for at være del af DMN. Men forbinde PCC til hippocampusformationen er svagere end med andre DMN komponenter, såsom mediale præfrontale og ringere parietale cortex. Dette antyder, at hippocampus er enten et undernetværk DMN eller interagerende netværk 11,12. Disse fællestræk mellem TLE og DMN hæve muligheden for, at DMN funktionelle konnektivitet er ændret i FLE. Denne analyse sammenligner DMN af forsøgspersoner med TLE til raske kontrolpersoner at få indsigt i inddragelse af DMN i FLE. Forbinde frø placeret i de vigtigste knudepunkter i DMN – de forreste og bageste hub regioner blev analyseret 12. Frøene blev placeret i den bageste nav bestående af retrosplenium / precuneus (Rsp / PCUN) samt den forreste nav bestående af ventromedial præfrontale cortex (vmPFC) hos patienter med TLE ograske kontrolpersoner at identificere de bageste og forreste subnetværk af DMN.

Protocol

1. Emner Undersøgelsen befolkning på 36 forsøgspersoner omfatter 3 grupper: højre TLE (n = 11), venstre TLE (n = 12) og raske kontroller (n = 13). Indhente skriftligt informeret samtykke fra alle fag. Undersøgelsen følger retningslinjerne fra University of California, Los Angeles (UCLA) Institutional Review Board. Epilepsien faggrupper bør være patienter, der er kandidater til anterior tindingelappen resektion som bestemt ved hjælp af video-EEG overvågning, hjerne MRI, PET billedbehandling…

Representative Results

Figur 1 viser DMN afsløret med tilslutning fra en posterior frø (RSP / PCUN, rød-gule farver) og en forreste frø (vmPFC, blå-grønne farver), og sammenligner de netværk, der findes i de forskellige faggrupper (figur 1A-C) og mellem hinanden, nemlig raske kontroller i forhold til alle patienter med TLE (figur 1D og 1E), og derefter raske kontroller sammenlignet separat til venstre TLE (figur 1F og 1G) og højre TLE…

Discussion

Epilepsi menes at være et netværk sygdom og abnormiteter i de involverede netværk er til stede under anfald og interictal tilstand 21. Task-baserede fMRI er blevet anvendt til at analysere abnormiteter i sprog og hukommelse net TLE 8. FcMRI har iboende fordele i at studere DMN 12, da det er et netværk primært aktiv i hviletilstand. DMN er et netværk af områder af hjernen, der har vist sig at være aktive i vågne personer, der er uforstyrret og er engageret i spontane tanker. Diss…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Finansieringen af denne forskning blev leveret af Epilepsi Foundation of America, Baylor College of Medicine Computational og Integrativ Biomedical Research Center (CIBR) Frø Grant Awards (ZH), NIH-NINDS K23 Grant NS044936 (JMS); . og The Leff Family Foundation (JMS) Dataopsamling blev bistået af: Elizabeth Pierce (UCLA).

Materials

MRI machine
Linux workstation with image analysis software installed
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Fox, M. D., Greicius, M. Clinical applications of resting state functional connectivity. Front. Syst. Neurosci. 4, 1-13 (2010).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Biswal, B. B., et al. Toward discovery science of human brain function. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 4734-4739 (2010).
  7. 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).
  8. Pillai, J. J., Williams, H. T., Faro, S. Functional imaging in temporal lobe epilepsy. Semin. Ultrasound. CT MR. 28, 437-450 (2007).
  9. Blumenfeld, H., et al. Positive and negative network correlations in temporal lobe epilepsy. Cereb. Cortex. 14, 892-902 (2004).
  10. Dupont, P., et al. Dynamic perfusion patterns in temporal lobe epilepsy. Eur. J. Nucl. Med. Imaging. 36, 823-830 (2009).
  11. 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).
  12. Buckner, R. L., Andrews-Hanna, J. R., Schacter, D. L. The brain’s default network. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1124, 1-38 (2008).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Smith, S. M. Fast robust automated brain extraction. Hum. Brain Mapp. 17, 143-155 (2002).
  17. Raichle, M. E., et al. A default mode of brain function. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 676-682 (2001).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Spencer, S. S. Neural networks in human epilepsy: evidence of and implications for treatment. Epilepsia. 43, 219-227 (2002).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Garrity, A. G., et al. Aberrant "default mode" functional connectivity in schizophrenia. Am. J. Psychiatry. 164, 450-457 (2007).
  25. 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).
  26. Jones, D., et al. Age-related changes in the default mode network are more advanced in Alzheimer disease. Neurology. 77, 1524-1531 (2011).
  27. Kobayashi, Y., Amaral, D. G. Macaque monkey retrosplenial cortex II. Cortical afferents. J. Comp. Neurol. 466, 48-79 (2003).
  28. Dupont, P., et al. Dynamic perfusion patterns in temporal lobe epilepsy. Eur. J. Nuclear Med. Mol. Imaging. 36, 823-830 (2009).
  29. Laufs, H., et al. Temporal lobe interictal epileptic discharges affect cerebral activity in “default mode” brain regions. Hum. Brain Mapp. 28, 1023-1032 (2007).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Hamandi, K., et al. EEG-fMRI of idiopathic and secondarily generalized epilepsies. Neuroimage. 31, 1700-1710 (2006).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Pereira, F. R., et al. Asymmetrical hippocampal connectivity in mesial temporal lobe epilepsy: evidence from resting state fMRI. BMC Neurosci. 11, 1-13 (2010).
  36. Dupont, S., et al. Bilateral hemispheric alteration of memory processes in right medial temporal lobe epilepsy. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatr. 73, 478-485 (2002).
  37. Vlooswijk, M. C., et al. Functional MRI in chronic epilepsy: associations with cognitive impairment. Lancet Neurol. 9, 1018-1027 (2010).
  38. 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).
  39. Zhang, Z., et al. Altered spontaneous neuronal activity of the default-mode network in mesial temporal lobe epilepsy. Brain Res. 1323, 152-160 (2010).
  40. 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).
  41. 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).

Tags

Keywords: Network AnalysisDefault Mode NetworkFunctional Connectivity MRITemporal Lobe EpilepsySeed-based AnalysisBOLD SignalBrain ConnectivityAnterior And Posterior HubsBrain NetworksResting State Cognition
check_url/51442?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Haneef, Z., Lenartowicz, A., Yeh, H. J., Engel Jr., J., Stern, J. M. Network Analysis of the Default Mode Network Using Functional Connectivity MRI in Temporal Lobe Epilepsy. J. Vis. Exp. (90), e51442, doi:10.3791/51442 (2014).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image