采用基于种子点的功能连接MRI(fcMRI)分析颞叶癫痫(TLE)患者脑部静息状态下的默认模式网络(DMN)。
方法文章
采用基于种子点的功能连接MRI(fcMRI)分析颞叶癫痫(TLE)患者脑部静息状态下的默认模式网络(DMN)。
功能连接磁共振成像(fcMRI)是一种功能性磁共振成像方法,通过分析不同脑区之间血氧水平依赖(BOLD)信号随时间波动的相关性,来研究脑区间连接性。颞叶癫痫(TLE)是成人中最常见的癫痫类型,涉及多个脑网络。默认模式网络(DMN)参与意识状态下的静息态认知过程,被认为在TLE中受到癫痫发作导致的意识障碍影响。本研究采用基于种子点的fcMRI方法考察癫痫中的DMN。分析中将DMN的前部和后部中枢作为种子点。结果表明,在TLE患者的基线状态下,DMN的前部与后部中枢之间存在连接中断。此外,左侧TLE患者显示DMN与其他脑区的连接增强,而右侧TLE患者则表现为连接减弱。该分析展示了如何利用基于种子点的fcMRI方法探究TLE等脑部疾病中的脑网络异常。
功能连接磁共振成像(fcMRI)是一种相对较新的fMRI数据分析方法,通过量化不同脑区血氧水平依赖(BOLD)信号时间序列的相似性来评估它们之间的关系——这被称为“功能”连接,区别于描述脑区间是否存在物理连接的解剖连接(例如, 白质纤维)。在该方法的一个特殊应用中,时间序列数据是在受试者未执行任何任务 或处于所谓“静息状态”时采集的。
尽管功能连接磁共振成像(fcMRI)最早于1995年被描述1,但近年来对其研究兴趣激增,仅2012年就有约1,000篇与该技术相关的出版物。与基于任务的功能磁共振成像(fMRI)相比,fcMRI具有以下内在优势:(1)无需执行特定任务;(2)不需要受试者的主动配合;(3)同一数据集可用于分析多个不同的脑网络;(4)信噪比较优,可能与大脑能量代谢的差异有关;(5)避免了与任务相关的混杂因素2。作为概念验证,已发现fcMRI的变化与脑电图(EEG)3以及脑内局部场电位4的变化相对应。
功能磁共振成像(fcMRI)分析技术包括基于感兴趣区域(ROI)或种子点的方法、独立成分分析(ICA)、图论分析、格兰杰因果分析、局部方法(低频波动振幅、区域同质性分析)以及其他方法5。目前尚无单一技术被证明明显优于其他方法,尽管 其中最常用的方法是基于种子点和ICA的方法6。基于种子点的fcMRI通过将预设网络中预先选定的“种子”区域或“感兴趣区域(ROI)”的BOLD信号时间波动与其他全脑区域进行相关性分析,来识别功能连接。大脑中BOLD信号与种子区域呈相关的区域被认为代表了该功能网络的组成部分。相比之下,ICA采用一种无模型、数据驱动的分析方法,通过对全脑血流动力学信号特征的分析,提取在时空上具有相关性的脑区(即独立成分,ICs)5。
本文介绍了一项先前发表的研究中所采用的方法,该研究针对颞叶癫痫(TLE)患者默认模式网络(DMN)的静息态种子点功能连接性进行了分析7。TLE 是成人中最常见的癫痫类型。除癫痫发作外,TLE 还会导致多种脑网络功能障碍,包括记忆、行为、思维和感觉功能8。DMN 由支持清醒状态下静息态认知的大脑区域构成。已有研究报道 DMN 参与了与意识降低相关的癫痫发作过程9,10。此外,海马是 TLE 中关键的脑结构,被认为可能是 DMN 的组成部分之一。然而,后扣带回皮层(PCC)与海马结构之间的功能连接强度弱于其与其他 DMN 成分(如内侧前额叶皮层和下顶叶皮层)之间的连接。这表明海马可能属于 DMN 的一个子网络 ,或是一个与 DMN 相互作用的独立网络11,12。TLE 与 DMN 之间的这些共性提示,DMN 的功能连接可能在 TLE 中发生了改变。本分析通过比较 TLE 患者与健康对照者的 DMN,以深入理解 DMN 在 TLE 中的参与情况。研究分析了放置于 DMN 主要中枢区域——前部和后部枢纽区域——的种子点的功能连接12。在 TLE 患者和健康对照者中,分别将种子点置于由后脾回/楔前叶(Rsp/PCUN)组成的后部枢纽,以及由腹内侧前额叶皮层(vmPFC)组成的前部枢纽,以识别 DMN 的前部和后部子网络。
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1. 受试者
2. 成像
3. BOLD 数据的预处理
4. 统计学方法
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图1展示了以后部种子点(Rsp/PCUN,红黄色)和前部种子点(vmPFC,蓝绿色)进行功能连接分析所揭示的默认网络(DMN),并比较了不同受试者组中的网络模式(图1A-C),以及各组之间的差异:健康对照组与所有颞叶癫痫(TLE)患者之间的比较(图1D 和 1E);健康对照组分别与左侧TLE患者(图1F 和 1G)及右侧TLE患者(图1H 和 1I)的比较。此外,还展示了左侧TLE与右侧TLE之间的直接比较结果(图1J 和 1K)。
长时程增强(TLE)
TLE 包括患有右侧或左侧 TLE 的受试者。与对照组相比,该合并组从后部到前部默认模式网络(DMN)区域...
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癫痫被认为是一种网络性疾病,其相关网络的异常存在于发作期以及发作间期21。基于任务的功能磁共振成像(fMRI)已被用于分析颞叶癫痫(TLE)中语言和记忆网络的异常8。功能连接磁共振成像(FcMRI)在研究默认模式网络(DMN)方面具有内在优势,因为该网络主要在静息状态下活跃12。默认模式网络是一组脑区网络,发现在清醒且未受干扰、处于自发思维状态的个体中具有活动性。这些脑区包括腹内侧前额叶皮层(vmPFC)、压后皮层/楔前叶(Rsp/PCUN)、后扣带皮层、下顶叶区域、外侧颞叶区域以及海马12,17。默认模式网络被认为是意识状态的神经基础。据报道,在影响意识、记忆和社会认知的疾病中,如失神发作、阿尔茨海默病以及孤独症/精神分裂症中,该网络均发生改变22-26。
颞叶与默认模式网络(DMN)有着复杂的连接关系。DMN 的继发性参与可能介导了颞叶癫痫(TLE)对认知和意识的影响12,27。这种 DMN 的继发性参与也可能导致其他影响颞叶/边缘系统的疾病(如精...
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Engel 博士获得美国国立卫生研究院(NIH)基金 P01 NS02808、R01 NS33310 和 U01 NS42372 的资助,拥有专利 WO 2009/123734A1 和 WO 2009/123735A1,从 MedLink、Wolters Kluwer、Blackwell 和 Elsevier 获得版税,并曾从 Medtronic、Wolters Kluwer 和 Best Doctors 获得酬金。Stern 博士曾担任 UCB 和 Lundbeck 的付费顾问。Stern 博士是《MedLink Neurology》的编辑,并从 Wolters Kluwer 和 McGraw-Hill 获得版税。其余作者无任何披露内容或 利益冲突需要声明。
本研究的资助来源包括: 美国癫痫基金会、贝勒医学院计算与整合生物医学研究中心(CIBR)种子基金奖(ZH); 美国国立神经疾病与中风研究所(NIH-NINDS)K23 奖项 NS044936(JMS);以及 莱夫家族基金会(JMS)。 数据采集协助单位:Elizabeth Pierce(加州大学洛杉矶分校,UCLA)。
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