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

Network Analyse av Standard Mode Network Bruke Funksjonell Connectivity MR i tinninglappen epilepsi

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

The Standard Mode Network (DMN) i tinninglappen epilepsi (TLE) er analysert i den hvilende tilstand av hjernen ved hjelp av frø-basert funksjonell tilkobling MRI (fcMRI).

Abstract

Funksjonell tilkobling MRI (fcMRI) er en fMRI metode som undersøker tilkobling av ulike hjerneområder basert på korrelasjon av BOLD signal svingninger over tid. Temporal Lobe Epilepsy (TLE) er den vanligste typen av voksen epilepsi og involverer flere hjernenettverk. Standardmodusen nettverk (DMN) er involvert i bevisst, hviletilstand kognisjon og antas å bli påvirket i TLE der anfall føre til svekkelse av bevissthet. Den DMN i epilepsi ble undersøkt ved hjelp av frø basert fcMRI. Fremre og bakre huber av DMN ble brukt som frø i denne analysen. Resultatene viser en frakobling mellom det fremre og bakre knutepunkter i dmn i TLE under basal tilstand. I tillegg økte DMN tilkobling til andre områder av hjernen i venstre TLE sammen med redusert tilkobling i høyre TLE er avslørt. Analysen demonstrerer hvordan frø-baserte fcMRI kan brukes til å undersøke cerebrale nettverk i hjernesykdommer slik som TLE.

Introduction

Funksjonell Connectivity MRI (fcMRI) er en relativt ny analytisk tilnærming til fMRI data som kvantifiserer sammenhengen mellom ulike områder av hjernen basert på likheten av deres blod oksygenenivåavhengig (BOLD) signal tidsserie – dette kalles "funksjonell"-tilkobling, og er skjelnes fra anatomisk tilkobling som beskriver eksistensen av fysiske forbindelser mellom regioner (for eksempel hvit materie fiber). I en spesiell anvendelse av denne tilnærmingen, er tidsserien samlet når deltakeren ikke er engasjert i en oppgave eller er i den såkalte "hviletilstand".

Selv om første gang beskrevet i 1995 en, har det vært enorm interesse for fcMRI resulterer i ca 1000 publikasjoner knyttet til teknikken i 2012. FcMRI har iboende fordeler over oppgavebasert fMRI i (1) at det ikke er bestemt oppgave som skal utføres, ( 2) lagt samarbeid erikke nødvendig, (3) datasett kan brukes til å spørre flere forskjellige nettverk, er (4) bedre signal til støy-forhold stede sannsynlig på grunn av forskjeller i hjerne energetics involvert, og (5) omgåelse av oppgaverelaterte confounds to. Som et bevis på konseptet har fcMRI forandringer er vist å samsvarer med endringer i EEG 3 og lokale feltpotensialer 4 i hjernen.

Teknikker for fcMRI analyse inkluderer avkastning / frø-baserte teknikker, uavhengig komponent analyse (ICA), grafteori analyse, Granger kausalitet analyse, lokale metoder (amplitude av lavfrekvente svingninger, regional homogenitet analyse), og andre fem. Ingen enkelt teknikken har ennå påvist klar overlegenhet over en annen, selv om de mest populære metodene er seedet basert og ICA metoder seks. Seed-baserte fcMRI korrelerer timelige svingninger i BOLD signal fra en forhåndsvalgt del av den antatte nettverket under studien kalt "Seed1; eller "region av interesse (ROI)" til alle andre deler av hjernen. Områder i hjernen som viser BOLD signal korrelering til frøet området antas å avgrense deler av de involverte nettverket. I kontrast, bruker ICA en modell-fri data-drevet analyse for å trekke spatio-timelig korrelerte hjernen områder (uavhengige komponenter, kretser) ved å analysere de hemodynamiske signal karakteristikker av hele hjernen fem.

I dagens manuskriptet, er en beskrivelse av metoder som brukes i en tidligere publisert studie av hviletilstand frø-basert tilkobling analyse av DMN i TLE presenteres syv. TLE er den vanligste form for voksen epilepsi. I tillegg til beslag, fører TLE dysfunksjon av flere hjernenettverk, inkludert hukommelse, atferd, tanke, og sensorisk funksjon åtte. Den DMN er konstituert av cerebral regioner subserving bevisst, hviletilstand kognisjon. Den DMN har blitt rapportert å være involvert i anfall assosiert med redusert consciousness 9,10. I tillegg, er hippocampus nøkkelstruktur som er involvert i TLE og har vært antatt å være del av dmn. Imidlertid er tilkobling av PCC til hippocampus dannelsen svakere enn med andre DMN komponenter, for eksempel medial prefrontal og dårligere parietal cortex. Dette tyder på at hippocampus er enten et delnettverk av DMN eller et samspill nettverk 11,12. Disse fellestrekk mellom TLE og DMN øke muligheten for at Dmn funksjonell tilkobling er endret på TLE. Denne analysen sammenligner DMN av individer med TLE med friske kontroller for å få innsikt i involvering av DMN i TLE. Tilkobling av frø som er plassert i de viktigste huber av DMN – fremre og bakre hub regioner ble analysert 12. Frøene ble plassert i det bakre nav bestående av retrosplenium / precuneus (Rsp / PCUN) samt fremre knutepunkt bestående av ventromediale prefrontale cortex (vmPFC) hos pasienter med TLE-og insunn kontroller for å identifisere de bakre og fremre subnett av DMN.

Protocol

En. Emner Studien populasjon av 36 individer omfatter tre grupper: høyre TLE (n = 11), venstre TLE (n = 12) og friske kontroller (n = 13). Innhente skriftlig informert samtykke fra alle fag. Studien følger retningslinjene fra University of California, Los Angeles (UCLA) Institutional Review Board. De epilepsi faggruppene bør være pasienter som er kandidater for fremre tinninglappen reseksjon som bestemmes av video-EEG overvåking, hjernen MRI, PET billeddiagnostikk, og nevropsykologiske tester. …

Representative Results

Figur 1 viser DMN avslørt med tilkobling fra en posterior frø (Rsp / PCUN, rød-gule farger) og en fremre frø (vmPFC, blå-grønne farger) og sammenligner de nettverkene som finnes i de ulike faggruppene (figur 1A-C) og mellom hverandre, nemlig friske kontroller sammenlignet med alle pasienter med TLE (figurene 1D og 1E), og deretter friske kontroller sammenlignet separat til venstre TLE (figurene 1F og 1G) og høyre…

Discussion

Epilepsy er antatt å være et nettverk sykdom, og forandringer i det involverte nett er til stede under anfall og i interiktal tilstand 21.. Oppgavebasert fMRI har blitt brukt til å analysere unormalt av språk og hukommelse nettverk i TLE åtte. FcMRI har naturgitte fordeler i å studere DMN 12 som det er et nettverk hovedsakelig aktiv i hviletilstand. Den DMN er et nettverk av hjernen som har blitt funnet å være aktiv i våken individer som er igjen uforstyrret og er engasjert i sp…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Finansiering for denne forskningen ble gitt av The Epilepsy Foundation of America, Baylor College of Medicine Computational og Integrative Biomedical Research Center (CIBR) Seed Grant Awards (ZH), NIH-ninds K23 Grant NS044936 (JMS); og The Leff Family Foundation (JMS) Datainnsamling ble assistert av: 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

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

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