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Medicine

Network Analysis della modalità predefinita rete tramite connettività funzionale MRI in epilessia del lobo temporale

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

La rete di default Mode (DMN) in epilessia del lobo temporale (TLE) viene analizzata nello stato di riposo del cervello utilizzando la connettività funzionale a base di semi-MRI (fcMRI).

Abstract

Connettività funzionale MRI (fcMRI) è un metodo fMRI che esamina la connettività di diverse aree cerebrali basate sulla correlazione delle fluttuazioni del segnale BOLD nel tempo. Epilessia del lobo temporale (TLE) è il tipo più comune di epilessia adulta e coinvolge molteplici reti del cervello. La modalità di rete predefinita (DMN) è coinvolto in cosciente, riposo cognizione stato ed è pensato per essere coinvolti in TLE dove convulsioni provocano perdita di coscienza. Il DMN in epilessia è stato esaminato utilizzando sementi a base di fcMRI. I mozzi anteriore e posteriore del DMN stati usati come semi in questa analisi. I risultati mostrano una disconnessione tra anteriore e mozzi posteriori del DMN in TLE durante lo stato basale. Inoltre, una maggiore connettività DMN ad altre regioni del cervello a sinistra TLE con ridotta connettività in diritto TLE è rivelato. L'analisi dimostra come fcMRI a base di semi-possono essere utilizzati per sondare le reti cerebrali in disturbi cerebrali come TLE.

Introduction

Functional MRI Connettività (fcMRI) è un approccio analitico relativamente recente ai dati fMRI che quantifica il rapporto tra le diverse regioni del cervello basato sulla somiglianza del loro livello di ossigenazione del sangue dipendente (BOLD) serie storica segnale – questo è chiamato connettività "funzionale", ed è distinguibile da connettività anatomica che descrive l'esistenza di collegamenti fisici tra regioni (ad esempio fibre di materia bianca). In una particolare applicazione di questo approccio, la serie temporale sono raccolti quando il partecipante non è impegnato in un compito o è nel cosiddetto "stato di riposo".

Sebbene descritto per primo nel 1995 1, c'è stato interesse immenso in fcMRI conseguente circa 1.000 pubblicazioni relative alla tecnica nel 2012. FcMRI ha vantaggi intrinseci rispetto basate su operazioni fMRI in (1) che non vi è alcun compito specifico da eseguire, ( 2) La cooperazione soggetto ènon necessario, (3) gruppi di dati possono essere utilizzati per eseguire query diverse reti diverse, meglio (4) rapporto segnale rumore è presente probabilmente dovuto a differenze nelle energetica cerebrali coinvolte, e (5) l'elusione dei confonde relativi alle attività 2. Come prova del suo concetto, modifiche fcMRI hanno dimostrato di corrispondere alle variazioni EEG 3 e potenziali di campo locali 4 nel cervello.

Tecniche di analisi fcMRI includono tecniche di ROI / a base di semi-, analisi delle componenti indipendenti (ICA), analisi di teoria dei grafi, nesso di causalità di Granger, i metodi locali (ampiezza delle oscillazioni a bassa frequenza, l'analisi di omogeneità regionale), e altri cinque. Nessuna singola tecnica ha ancora dimostrato la netta superiorità rispetto ad un altro, anche se i metodi più diffusi sono metodi ICA 6 di semi-based e. Seed-based fcMRI correla fluttuazioni temporali segnale BOLD da una parte preselezionata della rete putativo in esame definito il "seme1; o "regione di interesse (ROI)" a tutte le altre parti del cervello. Le aree del cervello che mostra BOLD correlatore segnale alla zona sementi sono pensati per delimitare parti della rete coinvolti. Al contrario, ICA utilizza un'analisi basata sui dati model-free per estrarre aree cerebrali spazio-temporalmente correlate (componenti indipendenti, CI), analizzando le caratteristiche del segnale emodinamiche del tutto il cervello 5.

Nel manoscritto attuale, una descrizione dei metodi utilizzati in uno studio pubblicato in precedenza di riposo Stato basato seme-analisi della connettività del DMN in TLE è presentato 7. TLE è la forma più comune di epilessia adulta. In aggiunta alle crisi epilettiche, TLE provoca disfunzioni delle reti multiple cerebrali, tra cui memoria, il comportamento, il pensiero e la funzione sensoriale 8. Il DMN è costituito da regioni cerebrali che sottendono cosciente, cognizione di riposo-stato. Il DMN è stato segnalato per essere coinvolti in crisi associate consc ridottaiousness 9,10. Inoltre, l'ippocampo è la struttura chiave coinvolti nella TLE ed è stato pensato per essere componente del DMN. Tuttavia, la connettività del PCC alla formazione dell'ippocampo è più debole di altri organi di DMN, quali mediale prefrontale e parietale inferiore. Ciò suggerisce che l'ippocampo è o una sottorete del DMN o una rete 11,12 interagenti. Questi comune tra TLE e DMN sollevano la possibilità che DMN connettività funzionale è alterata in TLE. Questa analisi mette a confronto il DMN di soggetti con TLE ai controlli sani al fine di conoscere il coinvolgimento di DMN in TLE. La connettività di semi posto nei principali hub del DMN – le regioni del mozzo anteriore e posteriore sono stati analizzati 12. I semi sono stati inseriti nel mozzo posteriore costituito dalla retrosplenium / precuneus (DSR / PCUN) così come il mozzo anteriore costituito da corteccia prefrontale ventromediale (vmPFC) in pazienti con TLE e incontrolli sani di individuare le anteriori e posteriori sottoreti del DMN.

Protocol

1. Soggetti La popolazione di studio di 36 soggetti comprende tre gruppi: a destra TLE (n = 11), a sinistra TLE (n = 12), e controlli sani (n = 13). Ottenere il consenso informato scritto da tutti i soggetti. Lo studio segue le linee guida della University of California, Los Angeles (UCLA) Institutional Review Board. I gruppi di soggetti con epilessia dovrebbero essere i pazienti che sono candidati per la resezione del lobo temporale anteriore, come determinato dal monitoraggio video-EEG, MRI del ce…

Representative Results

La figura 1 mostra il DMN rivelato con connettività da un seme posteriore (Rsp / PCUN, colori rosso-giallo) e un seme anteriore (vmPFC, colori blu-verde) e confronta le reti trovate nei diversi gruppi di soggetti (Figure 1A-C) e tra l'altro, cioè controlli sani rispetto a tutti i pazienti con TLE (Figure 1D e 1E), quindi controlli sani comparati separatamente a sinistra TLE (figure 1F ed 1G) e destra TLE (…

Discussion

L'epilessia è pensato per essere una malattia di rete, e le anomalie delle reti coinvolte sono presenti durante la crisi e nello stato interictale 21. Basata su attività fMRI è stato utilizzato per analizzare le anomalie del linguaggio e reti di memoria in TLE 8. FcMRI ha vantaggi inerenti studiare il DMN 12 in quanto è una rete attiva principalmente nello stato di riposo. Il DMN è una rete di regioni del cervello che è stato trovato per essere attivo in individui svegli che ve…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Finanziamento per questa ricerca è stato fornito dalla Fondazione Epilessia of America, Baylor College of Medicine computazionale e integrative Biomedical Research Center (CIBR) Semi di Grant Awards (ZH), NIH NINDS-K23 di Grant NS044936 (JMS); . e The Family Foundation Leff (JMS) L'acquisizione dei dati è stata assistita da: Elizabeth Pierce (UCLA).

Materials

MRI machine
Linux workstation with image analysis software installed
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References

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Keywords: Network AnalysisDefault Mode NetworkFunctional Connectivity MRITemporal Lobe EpilepsySeed-based AnalysisBOLD SignalBrain ConnectivityAnterior And Posterior HubsBrain NetworksResting State Cognition
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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).
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