Temporal Lob Epilepsi Fonksiyonel Bağlantı MRI kullanarak Varsayılan Mod Ağı Ağ Analizi
Summary
Temporal Lob Epilepsi Varsayılan Mod Ağı (DMN) (TLE) tohum-tabanlı fonksiyonel bağlantı MRI (fcMRI) kullanarak beynin dinlenme durumu analiz edilir.
Abstract
Fonksiyonel bağlantı MRG (fcMRI) zamanla BOLD sinyal dalgalanmalar korelasyon göre farklı beyin bölgelerinin bağlantısını inceleyen bir fMRI yöntemdir. Temporal Lob Epilepsi (TLE) erişkin epilepsi en sık görülen tipidir ve çoklu beyin ağları içerir. Varsayılan mod ağ (DMN) bilinçli, dinlenme devlet biliş katılır ve nöbetler bilinç bozukluğu neden nerede TLE'de etkilendiği düşünülmektedir. Epilepside DMN tohum fcMRI dayalı kullanılarak incelenmiştir. DMN ön ve arka göbekler bu analizde tohum olarak kullanılmıştır. Sonuçlar bazal devlet sırasında anterior ve TLE'de DMN'nin arka hub arasında bir kopukluk gösterir. Buna ek olarak, birlikte sol TLE diğer beyin bölgelerine artan DMN bağlantısı sağ TLE içinde bağlılık azalma ortaya çıkar. Analiz tohum bazlı fcMRI gibi TLE gibi beyin bozukluklarında beyin ağları araştırmak için nasıl kullanılabileceğini göstermektedir.
Introduction
Fonksiyonel Bağlantı MRG (fcMRI) kan oksijenlenme düzeyi bağımlı (BOLD) sinyal zaman serisi benzerliğe göre farklı beyin bölgeleri arasındaki ilişkiyi nicelleştiren fMRI veri görece yeni bir analitik yaklaşım – bu "işlevsel" bağlantısı denir, ve bir bölgeleri (örneğin, beyaz madde lifler) arasındaki fiziksel bağlantıların varlığını tarif anatomik bağlantı ayırt. Katılımcı bir görev yapan ya da sözde "dinlenme devlet" değil zaman bu yaklaşımın bir özel uygulama olarak, zaman serisi toplanır.
İlk olarak 1995 1 tarif olmasına rağmen, fcMRI 2012 yılında teknikle ilgili yaklaşık 1.000 yayınlarda sonuçlanan büyük ilgi olmuştur. FcMRI (, (1) yapılması gereken özel bir görev olduğunu görev odaklı fMRI üzerinde içsel faydaları vardır 2) konu işbirliğigerekli değildir, (3) veri setleri birkaç farklı ağları sorgulamak için kullanılabilir, gürültü oranı (4) daha iyi sinyal nedeniyle ilgili serebral enerjetiklerine farklılıklar, ve görevle ilgili karıştırıcılar 2 (5) atlanması ihtimali mevcut. Anlayışı bir kanıtı olarak, fcMRI değişiklikler beyinde EEG 3 değişiklikler ve yerel alan potansiyelleri 4, karşılık gelecek şekilde gösterilmiştir.
FcMRI analiz teknikleri ROI / tohum tabanlı teknikler, bağımsız bileşen analizi (ICA), grafik teorisi analizi, Granger nedensellik analizi, yerel yöntemler (düşük frekanslı dalgalanmalar, bölgesel homojenlik analizi genlik), ve diğerleri 5 sayılabilir. En popüler yöntem tohum temelli ve ICA yöntemleri 6 olmasına rağmen tek bir teknik, henüz başka bir yere açık bir üstünlük göstermiştir. Tohum bazlı fcMRI çalışma kapsamında, varsayılan ağın önceden seçilmiş bir kısmından KALIN sinyali zamansal dalgalanmalar ilişkilendirir "Tohum olarak adlandırılan1; ya da beynin diğer bölgelerine "ilgi bölgesi (ROI)". Tohum alanına KALIN sinyal korele gösteren beyin alanları dahil olan ağda ağın kısımlarını ayırmak düşünülmektedir. Buna karşılık, ICA tüm beyinde 5 hemodinamik sinyal özelliklerini analiz ederek uzay-zamansal olarak ilişkili beyin alanları (Bağımsız Bileşenleri, IC) ayıklamak için bir model ücretsiz veri odaklı analiz kullanır.
Mevcut yazıda, TLE en DMN dinlenme durumu tohum bazlı bağlantı analizi, daha önce yayınlanan çalışmada kullanılan yöntemlerin bir tarifi 7 sunulmuştur. TLE yetişkin epilepsi en sık görülen şeklidir. Nöbetlere ek olarak, TLE hafıza, davranış, düşünce ve duyusal fonksiyon 8 dahil olmak üzere birden beyin ağlarının disfonksiyon neden olur. DMN bilinçli, dinlenme-devlet biliş subserving beyin bölgelerinde oluşmaktadır. DMN azaltılmış consc ile ilişkili nöbet dahil olmak üzere bildirilmiştiriousness 9,10. Buna ek olarak, hipokampus TLE katılan önemli bir yapıdır ve DMN bileşeni olduğu düşünülmektedir. Ancak, hipokampal oluşumuna PCC bağlantısı gibi medial prefrontal ve parietal korteks gibi diğer DMN bileşenler ile daha zayıftır. Bu, hipokampus DMN alt ağ ya da bir etkileşen bir ağ ya da 11,12 olduğunu göstermektedir. TLE ve DMN arasındaki bu benzerlikleri fonksiyonel bağlantı TLE'de değişmiş DMN'ye ihtimalini yükseltmek. Bu analiz TLE'de DMN'nin katılımı içgörü kazanmak için sağlıklı kontrollere TLE deneklerin DMN karşılaştırır. DMN baş hub yerleştirilen tohum bağlantısı – ön ve arka merkez bölgeleri 12, analiz edilmiştir. Tohumlar retrosplenium / precuneus (Rsp / PCUN) yanı sıra, TLE olan hastalarda ve ventromedial prefrontal korteks (vmPFC) 'den oluşan ön göbek oluşan posterior merkezi olarak yerleştirildiSağlıklı DMN'nin posterior ve anterior subnetworks belirlemek için kontrol eder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Epilepsi bir ağ hastalık olduğu düşünülen ve ilgili ağların anormallikleri nöbetler sırasında ve interiktal devlet 21 mevcut olmasıdır. Görev tabanlı fMRI TLE'de 8 dil ve bellek ağları anormallikleri analiz etmek için kullanılır olmuştur. FcMRI bu dinlenme durumunda özellikle aktif bir ağ olarak DMN 12 okuyan doğasında avantajları vardır. DMN rahatsız edilmeden bırakılır ve spontan düşünceler yapan uyanık bireylerde aktif olduğu bulunmuştur beyin…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
NIH-NINDS K23 Hibe NS044936 (JMS), bu araştırma için fon Amerika Epilepsi Vakfı, Tıp Hesaplamalı ve Bütünleştirici Biyomedikal Araştırma Merkezi (CIBR) Tohum Hibe Ödülleri (ZH) Baylor College tarafından sağlandı; . Elizabeth Pierce (UCLA): ve Leff Aile Vakfı (JMS) Veri toplama Asisti.
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).
