Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

تحليل شبكة من وضع الشبكة الافتراضية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الربط في صرع الفص الصدغي

Published: August 5, 2014 doi: 10.3791/51442
Automatic Translation
1,2, 3, 4, 4, 4
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

ووضع الشبكة الافتراضي (DMN) في صرع الفص الصدغي (TLE) يتم تحليلها في حالة الراحة في الدماغ باستخدام اتصال الوظيفية القائمة على البذور التصوير بالرنين المغناطيسي (fcMRI).

Abstract

الاتصال ظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (fcMRI) هو أسلوب الرنين المغناطيسي الوظيفي الذي يدرس التواصل بين مناطق المخ المختلفة استنادا إلى ارتباط تقلبات إشارة BOLD مع مرور الوقت. صرع الفص الصدغي (TLE) هو النوع الأكثر شيوعا من الصرع الكبار ويشمل شبكات الدماغ متعددة. وتشارك شبكة الوضع الافتراضي (DMN) في واعية، والإدراك حالة الراحة، ويعتقد أن تتأثر في TLE حيث تسبب نوبات انخفاض الوعي. تم فحص DMN في الصرع باستخدام البذور مقرها fcMRI. واستخدمت المحاور الأمامية والخلفية من DMN كما البذور في هذا التحليل. تظهر النتائج انفصال بين الأمامي والخلفي من محاور DMN في TLE أثناء حالة القاعدية. بالإضافة إلى ذلك، زيادة الربط DMN إلى مناطق أخرى من الدماغ في الجهة اليسرى TLE جنبا إلى جنب مع انخفاض في اتصال الحق TLE يتم الكشف عنها. يوضح تحليل كيف يمكن استخدام fcMRI القائم على البذور لبحث شبكات الدماغي في اضطرابات الدماغ مثل TLE.

Introduction

وظيفية الربط التصوير بالرنين المغناطيسي (fcMRI) هو نهج تحليلية حديثة نسبيا لبيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي يحدد مقدار العلاقة بين مناطق الدماغ المختلفة استنادا إلى تشابه مستواها الأوكسجين في الدم تعتمد (BOLD) إشارة السلاسل الزمنية - وهذا ما يسمى "وظيفية" الاتصال، و تمييزها عن الربط التشريحية التي توضح وجود اتصالات فعلية بين المناطق (مثل ألياف المادة البيضاء). في تطبيق خاص لهذا النهج، يتم جمع سلسلة زمنية عندما لا تعمل المشارك في مهمة أو في ما يسمى ب "دولة يستريح".

على الرغم من وصف لأول مرة في عام 1995 1، كان هناك اهتمام هائل في fcMRI مما أدى إلى ما يقرب من 1،000 المطبوعات ذات الصلة تقنية في عام 2012. fcMRI له فوائد جوهرية على الرنين المغناطيسي الوظيفي القائم على المهمة في (1) أنه ليس هناك مهمة محددة يتعين القيام بها، ( 2) التعاون الموضوعليس من الضروري، (3) مجموعات البيانات يمكن استخدامها لعدة شبكات الاستعلام مختلفة، (4) إشارة إلى نسبة الضوضاء أفضل من المحتمل بسبب وجود خلافات في علم الطاقة الدماغية المعنية، و (5) من التحايل يفند المتعلقة مهمة 2 الحالي. كدليل على مفهومها، وقد تبين أن التغييرات fcMRI لتتوافق مع التغيرات في EEG 3 وامكانات الحقل المحلية 4 في الدماغ.

وتشمل تقنيات التحليل fcMRI تقنيات ROI / القائم على البذور، وتحليل عنصر المستقلة (ICA)، وتحليل نظرية الرسم البياني، جرانجر تحليل السببية، وأساليب المحلية (السعة تقلبات منخفضة التردد، وتحليل التجانس الإقليمي)، وغيرها 5. لا تقنية واحدة حتى الآن أظهرت تفوق واضح على آخر، على الرغم من أن الأساليب الأكثر شعبية هي القائمة على البذور وطرق ICA 6. ووصف القائم على البذور fcMRI يرتبط التقلبات الزمانية في إشارة BOLD من جزء انتقاؤه من الشبكة المفترضة تحت الدراسة "SEED1؛ أو "المنطقة ذات الاهتمام (ROI)" لجميع الأجزاء الأخرى من الدماغ. ويعتقد أن مناطق الدماغ التي تبين BOLD ربط إشارة إلى منطقة البذور لترسيم أجزاء من الشبكة المعنية. في المقابل، يستخدم ICA تحليل البيانات مدفوعة خالية من نموذج لاستخراج مناطق الدماغ مرتبطة المكانية والزمان (مكونات المستقلة، والمرحلية) من خلال تحليل خصائص إشارة الدورة الدموية في الدماغ كله 5.

في المخطوطة الحالية، وقدم وصفا للأساليب المستخدمة في دراسة نشرت في وقت سابق من حالة الراحة تحليل الربط القائم على البذور من DMN في TLE 7. TLE هو الشكل الأكثر شيوعا من الصرع الكبار. بالإضافة إلى المضبوطات، ويسبب ضعف TLE شبكات الدماغ متعددة بما في ذلك الذاكرة والسلوك والفكر، والوظيفة الحسية 8. وتشكل DMN صنف الدماغي subserving واعية، والإدراك للدولة يستريح. وقد ذكرت وDMN أن تشارك في المضبوطات يرتبط بانخفاض consciousness 9،10. بالإضافة إلى ذلك، قرن آمون هو هيكل الرئيسيين المشاركين في TLE ولقد كان يعتقد أن يكون عنصرا من عناصر DMN. ومع ذلك، فإن التواصل بين PCC إلى تشكيل الحصين أضعف من المكونات مع DMN أخرى، مثل الفص الجبهي الإنسي والقشور الجداري السفلي. هذا يشير إلى أن الحصين هو إما الشبكة الفرعية للDMN أو 11،12 شبكة المتفاعل. هذه القواسم المشتركة بين TLE وDMN رفع احتمال ان يتم تبديل DMN اتصال وظيفية في TLE. هذا التحليل يقارن DMN من الموضوعات مع TLE لضوابط صحية لاكتساب نظرة ثاقبة إشراك DMN في TLE. التواصل بين البذور وضعها في مراكز رئيس DMN - المناطق محور الأمامي والخلفي وقد تم تحليل 12. وضعت البذور في المحور الخلفي يتألف من retrosplenium / precuneus (RSP / PCUN) وكذلك محور الأمامي تتكون من قشرة الفص الجبهي بطني إنسي (vmPFC) في المرضى الذين يعانون من TLE وصحية ضوابط لتحديد الخلفي والأمامي من الشبكات الفرعية DMN.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. الموضوعات

  1. يشمل مجتمع الدراسة من 36 مواضيع 3 مجموعات: الحق TLE (ن = 11)، غادر TLE (ن = 12)، والاصحاء (ن = 13). الحصول على موافقة خطية من علم جميع المواد الدراسية. يتبع المبادئ التوجيهية الدراسة من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA) مجلس المراجعة المؤسساتي.
  2. يجب أن تكون المجموعات موضوع الصرع المرضى الذين هم المرشحين لاستئصال الفص الصدغي الأمامي على النحو الذي يحدده الفيديو EEG الرصد والتصوير بالرنين المغناطيسي الدماغ، والتصوير PET، واختبار النفسية العصبية. ينبغي على المرضى الاستمرار الأدوية المعتادة أثناء الفحص الرنين المغناطيسي الوظيفي، وينبغي ألا يتم فحصها فورا بعد الاستيلاء. تأكد من أن جميع المواد لديها الرنين المغناطيسي الدماغ طبيعية وخالية من المرض العصبية (بخلاف الصرع في مجموعات المرضى) أو تستخدم الأدوية العصبية.

2. التصوير

  1. استخدام نظام التصوير بالرنين المغناطيسي 3 تسلا للتصوير. الحصول على شرائح المحوري للصور الفنية باستخدام مستو ايماج صدىوأشارت جي (برنامج التحصين الموسع) وتسلسل للصور التشريحية باستخدام التدرج مدلل (SPGR) التسلسل.
  2. أداء التصوير الوظيفي باستخدام المعلمات التالية: TR = 2،000 ميللي ثانية، TE = 30 مللي ثانية، فوف = 210 مم، مصفوفة = 64 × 64، شريحة سمك 4 مم، 34 شرائح. استخدام المعلمات التالية لالتصوير ذات الدقة العالية الهيكلية: TR = 20 ميللي ثانية، TE = 3 ميللي ثانية، فوف = 256 مم، مصفوفة = 256 × 256، شريحة سمك 1 مم، 160 شرائح.
  3. كل دورة التصوير يجب أن تستمر 20 دقيقة. اطلب من المشاركين للاسترخاء مع عيون مغلقة. لم يكن يحتاج إلى مدخلات السمعية الخاصة.

3. تجهيزها من البيانات BOLD

  1. Preprocess البيانات باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي FSL (مكتبة البرامج fMRIB) برنامج الإصدار 4.1.6 (أكسفورد، المملكة المتحدة، www.fmrib.ox.ac.uk / FSL) 13،14. وينبغي أن تشمل خطوات تجهيزها التالية: استخدم FSL MCFLIRT لإزالة حركة الرأس قطعة أثرية 15. استخدام BET FSL لإزالة الأنسجة nonbrain 16 مع خيار BET-F لملفات BOLD. هذا واحد يساعد المدى وخطوات تحليل urther على أنسجة المخ وحدها.
  2. في الفذ، تشغيل تحليل معالجة الحد الأدنى مع التسجيل. حدد "تحليل المستوى الأول" وتغيير "تحليل كامل" إلى "ما قبل احصائيات" من أعلى اثنين من الأزرار.
    1. ضمن علامة التبويب احصائيات ما قبل، قم بإلغاء "BET استخراج الدماغ" وحدد "لا" ل "تصحيح الحركة" (وهذه كانت قد فعلت أعلاه). تسجيل ظيفية (BOLD) الصور إلى التشريحية (SPGR) الصور، ومن ثم على مستوى (MNI) الصورة. هذه النتائج في توليد مصفوفات التحول، والتي تستخدم في وقت لاحق خلال تحليل لتشوه البذور المختارة في الفضاء القياسية في الفضاء الدماغ في هذا الموضوع.
  3. استخدام مصفوفة التحول ولدت (المسمى "standard2example_func.mat") وتحويل السائل النخاعي ورويس المادة البيضاء في الفضاء BOLD الفردية.
    1. استخراج سلسلة زمنية من السائل النخاعي ورويس المادة البيضاء باستخدام الأمر fslmeants،باستخدام العائد على الاستثمار في الفضاء تخضع الفردية كقناع. تطبيع سلسلة زمنية المستخرجة باستخدام برنامج "R". وتستخدم هذه السلسلة الزمنية كمعاملات تراجع في وقت لاحق GLM لإزالة إشارات مصطنعة المقابلة من التحليل.
  4. الخطوة التالية هي إزالة الحركة المتعلقة التحف الموضوع. لالانحدار من المعلمات الحركة، تعيين التالية ضمن FSL الفذ قبل تشغيله.
    1. ضمن علامة التبويب بيانات، استخدم لتصحيح الحركة وملف استخراج الدماغ كمدخلات، تعيين قيمة TR لتتوافق مع مجموعة البيانات الخاصة بك. تعيين تمريرة عالية تصفية باستخدام 100 مرشح ثانية. سوف تمرير تصفية عالية إزالة إشارات من أي مصلحة، والتي هي من التردد المنخفض جدا. وسيتم تطبيق مرشح تمرير منخفض لإزالة الإشارات عالية التردد لاحقا في الخطوة 4.1.
    2. ضمن علامة التبويب احصائيات ما قبل، اختر "بلا" تحت عنوان "تصحيح الحركة"، كما تم القيام به بالفعل. ازل "BET استخراج الدماغ"، كما تم القيام به بالفعل. أداء تجانس المكانيةباستخدام 5 ملم ذات العرض الكامل نصف الحد الأقصى (FWHM).
    3. ضمن علامة التبويب الإحصائيات وتتراجع المعلمات حركة 6 و مشتقاتها الزمنية. حدد "لا" للالتفاف وتحقق "تطبيق تصفية الزمانية." استخدام إخراج FSL MCFLIRT للحصول على ملفات نص المعلمات الحركة، التي يمكن أن تكون المدخلات ثم إلى نموذج تحليل FEAT إلى التراجع هذه في النموذج الخطي العام (GLM)
    4. أيضا إضافة CSF والإشارات المادة البيضاء التي تم استخراجها وتطبيع في الخطوات السابقة إلى GLM. حدد "لا" للالتفاف، إضافة المشتقة الزمنية، وإلغاء "تطبيق تصفية الزمنية".

4. الأساليب الإحصائية

  1. مخلفات من تجهيزها المذكورة أعلاه ينبغي أن تستخدم لارتباط القائم على البذور. يجب أن يمرر هذه المخلفات الأولى من خلال مرشح تمرير منخفض من 0.1 هرتز، ثم تهين بطرح نفسه، قسمة الناتج على الانحراف المعياري، ومن ثم تحجيم بإضافةينبغي تحديد 100. بذور بقطر 6 ملم في MNI الفضاء القياسية باستخدام برنامج MRICron.
  2. الخلفي والأمامي بذور يجب أن تتوافق مع الإحداثيات التالية: (1) المنطقة RSP / PCUN (س = 2، ص = -60، ض = 36) و (2) قشرة الفص الجبهي بطني إنسي (vmPFC؛ س = 3، ص = 60، ض = -1). وقد تم تحديد هذه المواقع المصنفة ضمن ضوابط صحية وتتحول إلى فضاء الموضوع في الخطوة التالية 17-19.
    1. وينبغي بعد ذلك أن تتحول البذور لفرد مساحة كل موضوع في المخ وظيفية من MNI الفضاء القياسية. لهذا، استخدم مصفوفة التحول إنشاؤها أعلاه (المسمى "standard2example_func.mat") لتحويل البذور من معيار (MNI) مساحة للفرد وظيفية (BOLD) الفضاء.
    2. استخدام fslmeants الأمر لاستخراج سلسلة زمنية من تهين وتحجيم المتبقية، وذلك باستخدام البذور في الفضاء تخضع الفردية كقناع سابقا. تطبيع سلسلة زمنية المستخرجة باستخدام الناعمةوير "R".
  3. ينبغي أن تحسب الارتباط الجزئي بين voxels البذور وجميع voxels الدماغ الأخرى بشكل منفصل لكل موضوع لكل شوط. لهذا، في واجهة المستخدم الرسومية FSL الفذ، حدد "تحليل المستوى الأول"، ثم "الإحصائيات + احصائيات ما بعد". ضمن علامة التبويب بيانات، يجب استخدام المتبقية تهين وتحجيم سابقا كمدخل إلى الفذ.
  4. تعيين تمريرة عالية تصفية قطع إلى 10،000، كما هو بالفعل مرت المتبقية عالية في 100 ثانية. ضمن علامة التبويب الإحصائيات، إلغاء تحديد "استخدام FILM prewhitening"، واستخدام البذور السلاسل الزمنية استخراج وتطبيع سابقا في GLM. ضمن علامة التبويب بعد احصائيات، تعيين عتبة Z-القانون الأساسي المطلوب إلى قيمة 2.0.
  5. قبل تشغيل تحليل مجموعة الجمع بين أشواط داخل الموضوعات، Z وفيشر تحويل ينبغي أن يقوم على COPE (التباين تقديرات معلمة) ملف الناتجة عن تحليل الارتباط تشغيل سابقا (الخطوة 4.3). تسجيل نسخة الاب البياناتام في "ريج" دليل تحليل الفذ القيام به في الخطوة 3.1 في المدى ارتباط الخطوة 4.3.
  6. تشغيل تحليل مستوى أعلى من خلال الجمع بين أشواط داخل كل موضوع. لهذا، في واجهة المستخدم الرسومية FSL الفذ، حدد "تحليل المستوى العالي"، ثم "الإحصائيات + احصائيات ما بعد". ضمن "بيانات" علامة التبويب، اختيار "المدخلات هي الدلائل FEAT المستوى الأدنى" وأدخل أشواط الموضوع من الخطوة 4.4. ضمن "الإحصائيات" علامة التبويب، اختيار "الآثار المختلطة: عملية شريان الحياة بسيطة". إعداد نموذج يعني كما أثر؛ أدخل قيمة 1 لكل من المدى في هذا الموضوع.
  7. الجمع بين البيانات عبر أشواط بين الموضوعات، والعادية المربعات (OLS) وينبغي استخدام تحليل بسيط آثار مختلطة. لهذا، في واجهة المستخدم الرسومية FSL الفذ، اختر "تحليل المستوى العالي"، و "الإحصائيات + احصائيات ما بعد". ضمن علامة التبويب بيانات، اختر "المدخلات هي الدلائل FEAT المستوى الأدنى" وأدخل أشواط المواضيع 'جنبا إلى جنب من الخطوة 4.5.
  8. ضمن علامة التبويب الإحصائيات، اختر "الآثار المختلطة: عملية شريان الحياة بسيطة" 'إعداد النموذج بوصفه 3 مجموعات؛ أدخل قيمة 1 للمجموعة ينتمي كل موضوع، 0 خلاف ذلك. وينبغي أن يتم تحليل مجموعة على كل فوكسل باستخدام ANOVA في اتجاه واحد مع ثلاثة مستويات والذي يتفق مع المجموعات الثلاث (الحق TLE، غادر TLE، والاصحاء).
  9. إلى عتبة الصور إحصائية Z استخدام الكتلة تشكيل عتبة Z> 2.0 وتصحيح عتبة هامة مجموعة من ع = 0.05 20. للحصول على الصحيح ض القيم على الخريطة الارتباط، Z عكس فيشر تحويل ينبغي أن يقوم على النتائج.
  10. يجب مقارنة التناقضات المحددة التالية (1) الحق TLE> ضوابط؛ (2) ترك TLE> ضوابط؛ (3) الحق TLE> ترك TLE؛ (4) ترك TLE> الحق TLE؛ (5) التحكم> الحق TLE؛ (6) التحكم> ترك TLE؛ (7) TLE (يمين مجتمعة واليسار)> السيطرة؛ و (7) التحكم> TLE (يمين مجتمعة واليسار).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 1 كشف DMN مع اتصال من البذور الخلفي (RSP / PCUN، والألوان الأحمر والأصفر) والبذور الأمامي (vmPFC، والألوان الزرقاء والخضراء) ويقارن الشبكات وجدت في المجموعات موضوع مختلف (أرقام 1A-C) وبين بعضها البعض، وهي ضوابط صحية لجميع المرضى مقارنة مع TLE (أرقام 1D و1E)، ثم الاصحاء مقارنة منفصل إلى اليسار TLE (أرقام 1F و1G) والحق TLE (أرقام 1H و1I). وأظهرت المقارنة المباشرة بين اليسار واليمين TLE أيضا (أرقام 1J و1K).

TLE

وتشمل الموضوعات TLE وجود إما اليمين أو اليسار TLE. مقارنة مع الضوابط، وهذه المجموعة مجتمعة خفضت اتصال من الخلفي للمنطقة DMN الأمامي (الشكل 1D، والألوان الحمراء) وكذلك تخفيض الاتصال من المنطقة DMN الأمامي إلى الخلفي مكونات (1D الشكل، والألوان الزرقاء). كما أظهرت الموضوعات مع TLE زيادة الربط الجبهي الجداري مع الأمامي والخلفي DMN (الشكل 1E، أزرق / الألوان الحمراء).

اليسار TLE

قد الموضوعات مع اليسار TLE انخفاض التواصل بين DMN الخلفي مع المناطق DMN الأمامي والحصين، parahippocampus، جذع الدماغ، وسطي القشرة القذالي (الشكل 1F، والألوان الحمراء). باستخدام البذور الأمامي، وانخفاض اتصال مع مكونات الخلفي (الحصين، التلفيف parahippocampal، التلفيف المغزلي، التلفيف اللغات، التلفيف الحزامي) كان ينظر أيضا (الشكل 1F، والألوان الزرقاء). تم العثور على الموضوعات مع اليسار TLE لدينا شبكة شبه صادي توسيع متصلا الخلفي والأمامي البذور (الشكل 1G، والألوان الأحمر والأزرق) شركاتحمراء مكتوب لضوابط صحية.

TLE الحق

كما في حالة من الموضوعات مع اليسار TLE، ذوي الحق TLE خفضت اتصال من البذور DMN الخلفي مع المكونات DMN الأمامي (الشكل 1H، والألوان الحمراء). ان البذور الأمامي تخفيض الاتصال إلى المناطق الخلفية (الحصين الثنائية، putamen، المذنبة) والأمامي DMN نفسها. (الشكل 1H، والألوان الزرقاء). وشملت المجالات مع ربط زيادة الخلفي والأمامي البذور في حق TLE اليسار القشرة الوحشي الزمنية، precuneus، الحزامي، والقشرة الحركية التكميلية. (الشكل 1I).

الحق في مقابل اليسار TLE

المقارنة المباشرة من حق TLE مع اليسار TLE كشفت الاتصال زادت من البذور الخلفي DMN إلى التلفيف فوق الهامش الأيسر في الجهة اليسرى TLE (الشكل 1J، والألوان الحمراء) وكذلك البذور DMN الأمامية الجبهية لالمناطق (الشكل 1J، والألوان الزرقاء) مقابل حق TLE. شملت مجالات الربط المتزايد للبذور الخلفي في حق TLE الحصين اليسار، مغزلي ومناطق المهاد الثنائية والدماغ. شملت مجالات الربط المتزايد للبذور الأمامي في حق TLE precuneus والمناطق مهادي الثنائية، ومناطق الدماغ. (الشكل 1K).

الشكل 1
الشكل 1. مقارنة DMN في TLE مقارنة مع الاصحاء. يظهر الربط DMN باستخدام البذور الخلفي (DMN الخلفي، RSP / PCUN، والألوان الأحمر والأصفر) والبذور الأمامي (vmPFC، والألوان الزرقاء والخضراء) في مختلف الجماعات الموضوع (AC)، TLE مقارنة مع الاصحاء (DE)، غادر TLE مقارنة مع الاصحاء (FG)، والحق TLE مقارنة مع الاصحاء (مرحبا)، والحق TLE مقارنة إلى اليسار TLE (JK). C-مراقبة؛ L يسار TLE؛ R-حق TLE. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ويعتقد أن يكون الصرع مرض الشبكة، وشذوذات في الشبكات المعنية موجودة خلال المضبوطات والنشبات في الدولة 21. وقد استخدم الرنين المغناطيسي الوظيفي على أساس مهمة لتحليل تشوهات اللغة وشبكات الذاكرة في TLE 8. FcMRI ديه المزايا الكامنة في دراسة DMN 12 كما هو شبكة تنشط بشكل رئيسي في حالة الراحة. وDMN هو عبارة عن شبكة من مناطق الدماغ التي تم العثور عليها أن تكون نشطة في الأفراد الذين مستيقظا استثارته ويشاركون في أفكار عفوية. وقد تبين أن هذه المناطق لتشمل vmPFC، RSP / PCUN، القشرة الحزامية الخلفية والمناطق الجداري السفلي، المناطق الزمنية الجانبية، والحصين 12،17. ويعتقد أن DMN لتكون ركيزة للدولة واعية. وقد أفيد أن يتغير في الظروف التي تؤثر على الوعي والذاكرة والإدراك الاجتماعي مثل نوبات الغياب، مرض الزهايمر، ومرض التوحد / الفصام، respectively 22-26.

يرتبط الفص الصدغي بشكل معقد إلى DMN. تورط الثانوية للDMN قد توسط آثار TLE على الإدراك والوعي 12،27. هذا التدخل الثانوية للDMN قد يكون أيضا المسبب للآثار السريرية من الشروط الأخرى التي تؤثر على الفص / الجهاز الحوفي الزمانية مثل الفصام 25 ومرض الزهايمر 22،26. وقد أظهرت دراسات سابقة تورط DMN في TLE وغيرها من أشكال الصرع أثناء النوبات، خلال عمليات التصريف صرعي النشبات، وفي حالة النشبات 9،28-33. وتشير هذه الدراسات دورا مهما محتملا من DMN في electrographic النشبات والخصائص السلوكية نشبي من TLE. في التجربة الحالية، استخدمت fcMRI القائم على البذور لتحليل DMN في TLE في الدولة القاعدية لتقييم تأثير TLE على DMN. نموذج محور وتحدث عن DMN يفترض أن الأنظمة الفرعية الأساسية هي الخلفية(RSP / PCUN) والأمامي (vmPFC) المكونات. هنا، يتم فحص خصائص الاتصال من هذه المناطق الرئيسيان بشكل فردي لتقييم كيفية تأثير TLE الترابط والشبكات الفرعية المرتبطة بها.

في التحليل القائم على البذور الحالية يكشف عن انقطاع بين الأمامي والخلفي محاور من DMN. هذا التخفيض الاتصال وظيفية من المرجح المرتبطة إلى انخفاض في اتصال المادة البيضاء التشريحية بين الهياكل المعنية كما تبين في دراسة تبين الحد في وقت واحد في وظيفية والأبيض الربط بين المسألة DMN الخلفي وقرن آمون في المرضى الذين يعانون من TLE 34. وعلاوة على ذلك، فإنه يدل على زيادة عموما الاتصال في ترك TLE من المحاور الأمامية والخلفية من DMN إلى مناطق أخرى من الدماغ وانخفضت عموما في اتصال الحق TLE. وهذا يتفق مع الدراسات السابقة مما يدل على انخفاض في اتصال الحق TLE والزيادات التعويضيةمن الربط في ترك TLE 30،35. عموما، حق TLE يميل لإشراك الهياكل الثنائية، في حين غادر TLE ينطوي على إعادة توزيع التنشيط وظيفية 36،37. هذا هو بارز وخاصة في البذور الأمامي حيث ترك TLE على اتصال أكبر للمناطق شبه صادي، مقارنة مع الحق TLE (أرقام 1G، 1I، و1J). هذا، جنبا إلى جنب مع الربط السفلي من البذور الخلفي في ترك TLE مقارنة مع الضوابط (أرقام 1F و1K)، تشير إلى أن زيادة الربط الأمامي في الجهة اليسرى TLE يمكن أن تنجم عن انقطاع البذور الخلفي أو اتصالات بين الخلفية والأمامية البذور. يتم توصيل الحصين إلى DMN الأمامي الخلفي عن طريق DMN 34.

التقنية المستخدمة في هذه الدراسة يمكن تعديلها عن طريق تغيير موقع البذور وتوليد شبكات الدماغ المقابلة لمناطق أخرى من الدماغ. آلويمكن استخدام برامج التحليل ternative للقيام تحليل مماثل (على سبيل المثال، إدارة الأداء الاجتماعي، AFNI). التحليلات القائمة على ارتباط البذور تقتصر في أنها تتطلب فرضية بشأن هيكل الشبكة المفترضة قيد التحقيق لتحديد مسبقة من موقع هذه البذور. إذا كانت الفرضية الأساسية هي معيبة، فإن النتائج لن تكون الاستيراد.

يستريح للدولة fcMRI 2 يمكن أن توفر قدرا من الاتصال وظيفية بناء على التحويرات عفوية (أي تي تسأل لا علاقة لها) في إشارات BOLD. طريقتين استخداما لهذا الغرض هي الارتباطات البذور (منطقة الفائدة) على أساس وICA 6. يتطلب البذور أساس تحليل الارتباط فرضية بشأن هيكل الشبكة المفترضة قيد التحقيق لتحديد مسبقة من موقع هذه البذور. بعد اختيار الموقع البذور واستخراج إشارة BOLD من voxels تشكل البذور، وتحليل فوكسل تلو فوكسل من الدماغ كلهيتم تنفيذ لتحديد مناطق الدماغ الأخرى مع أنماط إشارة BOLD مماثلة، وهذا يلقي ضوءا على الشبكة المترابطة. طريقة أخرى لتحليل البذور عن طريق الربط بين الإشارة بين اثنين، أو متعددة، المناطق المثيرة للاهتمام. باستخدام مثل هذا الأسلوب، تم العثور على الربط أن تنخفض بين الحصين التقرحي وDMN الخلفي في TLE 38. من ناحية أخرى، ICA بيانات مدفوعة دون فرضية موجودة مسبقا ويحدد المكانية والزمان شبكات متميزة داخل الدماغ حالة الراحة. كما تم إجراء دراسة لDMN في TLE باستخدام ICA وتحديد انخفاض التواصل بين DMN الأمامي في المرضى الذين يعانون من اليمين واليسار TLE مقارنة مع الضوابط. ومع ذلك، أظهر تحليلنا العائد على الاستثمار (البذور) المستندة إلى وجود شبكة DMN الأمامي في TLE، الذي كان في الواقع أكثر اتساعا في الجهة اليسرى TLE مقارنة بالمجموعة الضابطة. هذا التناقض يمكن أن تكون ذات صلة إلى انقطاع المقترح الأمامي من DMN الخلفي، حيث فصل أسماء الشبكات الأمامي ORK هو أقل وضوحا عند تقييم شبكة تحديدها أساسا عن طريق الاتصالات الخلفي DMN. في اتفاق مع دراسة مسبقة، فإننا لا يمكن تكرار إشراك الزمانية إنسية في TLE 39.

يبين التحليل الحالي كيف يمكن استخدام fcMRI القائم على البذور لبحث شبكات الدماغي في اضطرابات الدماغ مثل TLE. تحديد هذه الاختلافات مجموعة يساعد فهم شذوذ وظيفية في الحالات المرضية فتح إمكانية التطبيقات المستقبلية التي تنفذ التحليلات التي يمكن أن تفسر على مستوى موضوع واحد 2.

واحد الحد من هذا التحليل هو عدم القدرة على تحديد حالة مستيقظا / نائما في هذا الموضوع. ارتبط النوم مع انخفاض الاتصال DMN من القشرة الأمامية مع النوم العميق 40 أو 41 مع التخدير العام. هناك ما يبرر إجراء مزيد من التحقيقات لاستكشاف ما إذا كانت هذه النتائج يمكن استنساخها عن طريق التحكم عن حالة سكون.

ق ق = "jove_content"> خطوات حاسمة ضمن بروتوكول الموصوفة هنا تشمل ما يلي: أ) الخطوات تجهيزها؛ ب) تحديد مكان البذور؛ ج) استخراج الوقت بالطبع من البذور المحدد (ق)؛ د) ربط الوقت بالطبع أعلاه إلى voxels الدماغ المتبقية؛ ه) توليد خرائط للمناطق الدماغ المترابطة لتصور شبكة الدماغ المقابلة لأصل محدد؛ و) المقارنة بين شبكة خرائط الدماغ وبالتالي ولدت للبحث عن الاختلافات في مجموعة شبكات البذور.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ويتم تمويل المنح من قبل الدكتور إنجل NIH P01 NS02808، R01 NS33310، وU01 NS42372، وبراءات الاختراع WO 2009/123734A1، وWO 2009/123735A1، يتلقى الإتاوات من MedLink، ولترز كلوير، بلاكويل، وإلسفير، وتلقت الأتعاب من ميدترونيكس ، ولترز كلوير، وأفضل الأطباء. وقد عمل الدكتور ستيرن كمستشار دفعت لUCB ووندبيك. الدكتور ستيرن هو رئيس تحرير MedLink الأعصاب، وتلقت الإتاوات من ترز كلوير ومن ماكجرو هيل. المؤلفين المتبقية ليس لها الإفصاحات أو تضارب المصالح أن يعلن.

Acknowledgments

وقدمت التمويل لهذا البحث من قبل مؤسسة الصرع الأمريكية، كلية بايلور لمركز البحوث الطبية الحيوية التكاملية (CIBR) البذور جوائز المنحة (ZH) الطب الحاسوبية و؛ NIH-K23 NINDS NS044936 غرانت (الدائرة)؛ . ومؤسسة عائلة ليف (الدائرة) وساعد الحصول على البيانات من قبل: اليزابيث بيرس (UCLA).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

الطب، العدد 90، افتراضي وضع الشبكة (DMN)، صرع الفص الصدغي (TLE)، الرنين المغناطيسي الوظيفي، التصوير بالرنين المغناطيسي، التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الاتصال (fcMRI)، ومستوى الأوكسجين في الدم تعتمد (BOLD)
تحليل شبكة من وضع الشبكة الافتراضية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الربط في صرع الفص الصدغي
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Haneef, Z., Lenartowicz, A., Yeh, H. … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter