JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicine

Analys av standardläge nätverk med Funktionell Connectivity MRI i Oral Lobe Epilepsi Network

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

Standardläget Network (DMN) i temporallobdemens Epilepsi (TLE) analyseras i vilande tillstånd i hjärnan med hjälp av frö-baserad funktionell uppkoppling MRI (fcMRI).

Abstract

Funktionell anslutning MRI (fcMRI) är en fMRI metod som undersöker anslutning av olika hjärnområden som bygger på sambandet mellan BOLD signalförändringar över tid. Temporal Lobe epilepsi (TLE) är den vanligaste typen av vuxna epilepsi och involverar flera hjärnnätverk. Standardläge nätverk (DMN) är inblandad i medvetet, vilotillstånd kognition och tros påverkas i TLE där beslag orsakar nedsatt medvetande. Den DMN i epilepsi undersöktes med hjälp av frö baserad fcMRI. De främre och bakre nav i DMN användes som frön i denna analys. Resultaten visar en frånkoppling mellan den främre och bakre nav i DMN i TLE under basala tillstånd. Dessutom ökade DMN anslutning till andra delar av hjärnan i vänster TLE tillsammans med minskad anslutning i rätt TLE avslöjas. Analysen visar hur frö-baserade fcMRI kan användas för att undersöka hjärn nätverk i hjärnan såsom TLE.

Introduction

Funktionell Connectivity MRI (fcMRI) är ett relativt nytt analytiskt förhållningssätt till fMRI data som kvantifierar förhållandet mellan olika områden i hjärnan som bygger på likheten mellan deras blodets syresättning nivåberoende (BOLD) signal tidsserier – detta kallas "funktionella" anslutning, och är särskiljas från anatomisk anslutning som beskriver förekomsten av fysiska förbindelser mellan regioner (t.ex. vita substansen fibrer). I en speciell tillämpning av denna metod är tidsserierna samlas in när deltagaren inte är upptagen med en åtgärd, eller är i den så kallade "vilande tillstånd".

Även om första beskrivs i 1995 1, har det skett enorma intresset fcMRI vilket resulterar i ca 1000 publikationer relaterade till den teknik under 2012. FcMRI har inneboende fördelar över uppgiftsbaserad fMRI i (1) att det inte finns någon specifik uppgift som skall utföras, ( 2) ämnessamarbete ärinte nödvändigt, (3) datauppsättningar kan användas för att söka i ett flertal olika nät, är (4) bättre signalbrusförhållande föreliggande sannolikt på grund av skillnader i cerebrala energetik är delaktig, och (5) kringgående av uppgiftsrelaterade blandar ihop två. Som ett bevis på dess koncept, har fcMRI förändringar visat sig överensstämma med förändringar i EEG 3 och lokala fältpotentialer 4 i hjärnan.

Tekniker för fcMRI analys inkluderar ROI / frö-baserade tekniker, oberoende komponentanalys (ICA), grafteori analys, Granger kausalitet analys, lokala metoder (amplitud av lågfrekventa svängningar, regional homogenitet analys) och andra 5. Ingen enskild teknik har ännu visat tydlig överlägsenhet över en annan, även om de mest populära metoderna är frö-baserade och ICA metoder 6. Frö-baserade fcMRI korrelerar tidsmässiga svängningar i BOLD signal från en förvald del av den förmodade nätverket studerade kallas "SEED1; eller "regionen av intresse (ROI)" till alla andra delar av hjärnan. Områden i hjärnan som visar BOLD signal korrelerande till utsädes område tros att avgränsa delar av den involverade nätverk. Däremot använder ICA en modell fritt datadriven analys för att extrahera spatio-temporalt korrelerade hjärnområden (oberoende komponenter, IC) genom att analysera de hemodynamiska signalegenskaper hela hjärnan 5.

I det aktuella manuskriptet, är en beskrivning av metoder som används i en tidigare publicerad studie av vilotillstånd frö-baserad anslutning analys av DMN i TLE presenterade 7. TLE är den vanligaste formen av vuxen epilepsi. Förutom kramper, TLE orsakar dysfunktion av multipla hjärn nätverk inklusive minne, beteende, tanke, och sensorisk funktion 8. Den DMN utgörs av cerebrala regioner subserving medvetet, vila-state kognition. Den DMN har rapporterats vara inblandade i anfall i samband med minskad beväiousness 9,10. Dessutom är hippocampus nyckeln struktur involverad i TLE och har tänkt på att vara del av DMN. Emellertid är uppkopplingen av PCC till hippocampusformationen svagare än med andra DMN komponenter, såsom medial prefrontal och underlägsna parietal cortex. Detta tyder på att hippocampus är antingen ett subnätverk för DMN eller ett samverkande nätverk 11,12. Dessa likheter mellan TLE och DMN höja möjligheten att DMN funktionell uppkoppling förändras i TLE. Denna analys jämför DMN av patienter med TLE till friska kontroller för att få insikt i medverkan av DMN i TLE. Uppkopplingen av frön som placerats i de viktigaste naven i den DMN – de främre och bakre nav regioner analyserades 12. Frön placerades i den bakre nav bestående av retrosplenium / precuneus (RSP / PCUN) såväl som den främre nav bestående av ventromedial prefrontala cortex (vmPFC) hos patienter som har TLE och ifriska kontroller för att identifiera de bakre och främre undernätverk i DMN.

Protocol

1. Ämnen Studien befolkning på 36 försökspersoner omfattar 3 grupper: höger TLE (n = 11), lämnade TLE (n = 12), och friska kontroller (n = 13). Skaffa skriftligt informerat samtycke från alla ämnen. Studien följer riktlinjerna från University of California, Los Angeles (UCLA) Institutional Review Board. De epilepsiämnesgrupper bör patienter som är kandidater för främre tinningloben resektion bestämt med video-EEG-övervakning, hjärna MRI, PET imaging och neuropsykologisk testning. P…

Representative Results

Figur 1 visar DMN avslöjade med anslutning via en bakre frö (RSP / PCUN, röd-gula färger) och en främre frö (vmPFC, blå-gröna färger) och jämför de nätverk som finns i de olika ämnesgrupperna (figur 1 A-C) och mellan varandra, det vill säga friska kontroller jämfört med alla patienter med TLE (figur 1D och 1E), och sedan friska kontroller jämfört separat till vänster TLE (figur 1F och 1G) och höger T…

Discussion

Epilepsi är tänkt att vara ett nätverk sjukdom, och avvikelser i de inblandade nätverken är närvarande under anfall och i Interiktal tillstånd 21. Uppgiftsbaserade fMRI har använts för att analysera avvikelser i språk-och minnesnätverk i TLE 8. FcMRI har inneboende fördelar i att studera DMN 12 eftersom det är ett nätverk främst verksamt i vilotillstånd. Den DMN är ett nätverk av områden i hjärnan som har visat sig vara aktiva i vakna individer som är kvar ostört oc…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Finansieringen för denna forskning gs av The Epilepsy Foundation of America, Baylor College of Medicine Computational och Integrative Biomedical Research Center (CIBR) Seed Grant Awards (ZH), NIH-NINDS K23 Grant NS044936 (JMS); . och The Leff Family Foundation (JMS) Datainsamling fick hjälp 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

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