Netwerk Analyse van de default-Functioneel Connectiviteit MRI in temporale kwab epilepsie
Summary
De standaardmodus Network (DMN) in temporale kwab epilepsie (TLE) wordt geanalyseerd in de rusttoestand van de hersenen met behulp van zaad-gebaseerde functionele connectiviteit MRI (fcMRI).
Abstract
Functionele connectiviteit MRI (fcMRI) is een fMRI-methode die de connectiviteit van verschillende hersengebieden op basis van de correlatie van BOLD signaal schommelingen in de tijd onderzoekt. Temporale kwab epilepsie (TLE) is de meest voorkomende vorm van volwassen epilepsie en bestaat uit meerdere hersenen netwerken. De standaard modus netwerk (DMN) is betrokken bij bewustzijn, rusttoestand cognitie en wordt verondersteld te worden beïnvloed in TLE waar epileptische aanvallen kunnen veroorzaken vermindering van het bewustzijn. De DMN bij epilepsie werd onderzocht met behulp van zaad gebaseerd fcMRI. De voorste en achterste naven van de DMN werden gebruikt als zaden in deze analyse. De resultaten tonen een scheiding tussen de voorste en achterste naven van de DMN in TLE in de basale toestand. Daarnaast werd een verhoogde DMN connectiviteit met andere hersengebieden in de linker TLE samen met een verminderde connectiviteit in juiste TLE wordt onthuld. De analyse toont hoe-zaad gebaseerde fcMRI kan worden om cerebrale netwerken probe bij dementie zoals TLE.
Introduction
Functionele connectiviteit MRI (fcMRI) is een relatief recente analytische benadering van fMRI data die de relatie tussen verschillende hersengebieden gebaseerd op de gelijkenis van hun bloed zuurstof niveau afhankelijk (BOLD) signaal tijdreeksen kwantificeert – dit is "functioneel" connectiviteit genoemd, en is onderscheiden van anatomische connectiviteit die het bestaan van fysieke verbindingen tussen de regio's (bijvoorbeeld witte stof vezels) beschrijft. In een bijzondere toepassing van deze benadering worden de tijdreeks opgevangen bij de deelnemer niet is betrokken bij een taak of in de zogenaamde "rusttoestand".
Hoewel het eerst beschreven in 1995 1, is er enorme belangstelling fcMRI resulteert in ongeveer 1.000 publicaties in verband met de techniek in 2012. FcMRI heeft intrinsieke voordelen ten opzichte van taakgericht fMRI in (1) dat er geen specifieke taak uit te voeren, ( 2) onderwerp samenwerking isniet nodig, (3) datasets kunnen worden gebruikt om verschillende netwerken te vragen, (4) een betere signaal-ruisverhouding aanwezig is waarschijnlijk te wijten aan verschillen in de cerebrale energetica betrokken, en (5) omzeiling van taakgerichte verwart 2. Als bewijs van het concept zijn fcMRI veranderingen aangetoond corresponderen met veranderingen in het EEG 3 en typisch veldpotentialen 4 in de hersenen.
Technieken van fcMRI analyse omvatten ROI /-zaad-gebaseerde technieken, onafhankelijke componenten analyse (ICA), grafentheorie analyse, Granger causaliteitsanalyse, plaatselijke werkwijzen (amplitude van laagfrequente fluctuaties, regionale homogeniteit analyse), en anderen 5. Geen enkele techniek is nog duidelijk blijk gaf van superioriteit over de andere, hoewel de meest populaire methoden zijn-zaad-based en ICA methoden 6. Zaad-gebaseerde fcMRI correleert temporele fluctuaties in BOLD signaal van een vooraf gekozen deel van het vermeende netwerk onder studie aangeduid als de "zaad1; of "gebied van belang (ROI)" naar alle andere delen van de hersenen. Hersengebieden geeft BOLD signaal correleren van het zaad gebied wordt gedacht dat delen van het betrokken netwerk bakenen. In tegenstelling, ICA maakt gebruik van een model-free data-driven analyse om spatio-temporeel gecorreleerd hersengebieden (onafhankelijke componenten, IC's) te halen door het analyseren van de hemodynamische signaal kenmerken van het gehele brein 5.
In de huidige manuscript wordt een beschrijving van methoden die in een eerder gepubliceerde studie rusttoestand zaad gebaseerde analyses van de DMN in TLE ingediend 7. TLE is de meest voorkomende vorm van volwassen epilepsie. Naast aanvallen, TLE veroorzaakt disfunctie van meerdere netwerken hersenen met inbegrip van geheugen, gedrag, denken en zintuiglijke functie 8. De DMN wordt gevormd door cerebrale regio subserving bewuste, rust-toestand cognitie. De DMN is gemeld te worden betrokken bij aanvallen in verband met verminderde consciousness 9,10. Bovendien, de hippocampus is de sleutel structuur betrokken bij TLE en is gedacht aan component van de DMN zijn. De connectiviteit van de PCC de hippocampale formatie zwakker dan bij andere DMN componenten, zoals mediale prefrontale en inferieure pariëtale cortex. Dit suggereert dat de hippocampus ofwel een subnetwerk van de DMN of een samenwerkend netwerk 11,12. Deze overeenkomsten tussen TLE en DMN opperen de mogelijkheid dat DMN functionele connectiviteit is veranderd in TLE. Deze analyse vergelijkt het DMN van patiënten met TLE met gezonde controles om inzicht te krijgen in de betrokkenheid van DMN in TLE krijgen. De connectiviteit van zaden geplaatst in de belangrijkste hubs van de DMN – de voorste en achterste hub regio's werden geanalyseerd 12. Zaden werden in de achterste naaf bestaande uit de retrosplenium / precuneus (Rsp / PCUN) en de voorste naaf bestaande uit de ventromediale prefrontale cortex (vmPFC) bij patiënten met TLE en geplaatstgezonde controles om de achterste en voorste subnetwerken van de DMN identificeren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Epilepsie wordt gedacht aan een netwerk ziekte, en afwijkingen van de betrokken netwerken aanwezig zijn tijdens aanvallen en in de interictale staat 21. Taakgebaseerd fMRI is gebruikt om afwijkingen van de taal en geheugen netwerken TLE 8 analyseren. FcMRI heeft inherente voordelen in het bestuderen van de DMN 12 want het is een netwerk vooral actief in de rusttoestand. De DMN is een netwerk van hersengebieden die is gevonden actief in wakkere mensen die ongestoord zijn links en zijn bez…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financiering voor dit onderzoek werd verstrekt door The Epilepsy Foundation of America, Baylor College of Medicine Computational and Integrative Biomedical Research Center (CIBR) Seed Grant Awards (ZH); NIH-NINDS K23 Grant NS044936 (JMS); . en The Leff Family Foundation (JMS) Data acquisitie werd bijgestaan door: Elizabeth Pierce (UCLA).
Materials
| MRI machine |
| Linux workstation with image analysis software installed |
References
- 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).
