Method Article

广义心理相互作用 (PPI) 分析阿尔茨海默病遗传危险个体的记忆相关连通性

DOI:

10.3791/55394

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November 14th, 2017

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1Psychiatry and Biobehavioral Sciences, University of California, Los Angeles, 2Biospective, Inc.

In This Article

Summary

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这篇手稿描述了如何实现心理的交互分析, 揭示了任务相关的变化, 在功能连通性之间的选择种子区和体在其他区域的大脑。心理交互分析是一种常用的方法来检查任务对大脑连通性的影响, 有别于传统的单变量激活效应。

Abstract

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在神经影像学中, 功能性磁共振成像 (fMRI) 测量大脑中的血氧水平依赖性 (黑体) 信号。在大脑的空间独立区域中, 黑体信号的相关度定义了这些区域的功能连通性。在认知功能磁共振成像任务中, 可以使用心理交互 (PPI) 分析来检查在认知任务定义的特定上下文中, 函数连通性的变化。此类任务的一个示例是使用内存系统, 要求参与者学习对不相关的单词 (编码), 并在第一个单词 (检索) 时撤回对的第二个单词。在本研究中, 我们使用了这种类型的联想记忆任务和广义 PPI (gPPI) 分析来比较老年人的海马连接性的变化, 谁是阿尔茨海默病 (AD) 遗传危险因素载脂蛋白 E epsilon-4 (APOEε4)。具体来说, 我们表明, 在编码和检索过程中, 海马区的功能连通性会发生变化, 这是联想记忆任务的两个活动阶段。与比较相比, APOEε4携带者海马体功能连通性的上下文相关变化明显不同。PPI 分析可以检查功能连通性的变化, 不同于单变量的主要效果, 并且可以跨组比较这些变化。因此, PPI 分析可能揭示了传统单变量方法不捕获的特定群体中复杂的任务效果。然而, PPI 分析不能确定功能连通区域之间的方向性或因果关系。然而, PPI 分析提供了强大的手段, 产生特定的假设有关的功能关系, 可以测试使用因果模型。随着大脑在连通性和网络方面越来越被描述, PPI 是分析 fMRI 任务数据的重要方法, 它与人脑的当前概念是一致的。

Introduction

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"连接" 这个词是在2005年被创造出来的, 它标志着神经科学的范式转变, 并延续到今天的1。在功能网络、连通性和区域间的相互作用方面, 大脑的描述越来越广泛。然而, 区域功能专门化的划分和 fMRI 测量的活动与任务需求之间的联系仍然是有效的和有用的方法。鉴于对 connectomics 的兴趣越来越浓厚, 功能性的 fMRI 分析方法越来越受欢迎。一种测量依赖于任务需求的功能连通性变化的方法是利用 PPI 的概念。PPI 是一个活跃的任务阶段或特定的任务需求 ("心理") 与一个感兴趣的区域或 "种子" 在大脑中的功能连接 ("生理") 的相互作用。PPI 不同于双变量、关联的功能连通性分析, 一般衡量两个区域的活动之间的相关性, 而不受任务需求的约束。

PPI 分析的概念和框架最初是由 Friston 和同事在 1997年2中描述的。作者断言, 他们的方法是重要的, 因为它将允许对连通性的调查更具体功能, 并允许推断, 在远端种子的活动可能是调节活动的结果, 由任务的需求。在 2012年, 迈凯轮和同事增加了这个原始框架, 并描述了一种 gPPI 的方法, 其中所有的任务阶段及其交互都包含在一个模型3中。此方法导致对任务阶段和交互进行调查的结果更加敏感和具体。这是我们在本研究中使用的更新的 gPPI 方法 (请参见

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Protocol

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本研究是遵照加州大学洛杉矶分校机构审查委员会 (IRB) 的协议进行的, 并得到加州大学洛杉矶分校人类保护委员会的批准。所有参加者都给予书面知情同意, 以便在本研究中报名.

1. 参与者选择

  1. 获得 IRB 批准以执行该研究。
  2. 使用标准化的神经心理学电池对55岁及以上的人进行认知衰退的筛选。包括一般智力测试 (子的 WAIS III) 13 , 流利 (水果和蔬菜) 14 , 注意 (数字向前和向后) 13 , 语言 (波士顿命名测试) 15 , 语言内存 (Buschke-富尔德选择性提醒任务) 16 , WMS III 逻辑内存和语言配对学习 13 , 和视觉记忆 (雷伊-Osterrieth 图测试) 17 .
    1. 让参与者完成情绪调查表, 如汉密尔顿凹陷和焦虑清单 18 19 以及微型心理状态检查 ()

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Results

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有两个不同的主动任务阶段 (编码和检索) 和两个种子区域 (前和后海马) 有四条件来报告每个组的结果。组内任务激活映射 (此处未显示, 请参见哈里森et al., 201612) 显示枕叶、听觉皮层、顶叶大区、额叶区、颞上回和尾状突起 (更明显在检索过程中) 在两个实验组的编码和检索过程中有显著的加粗信号。在组内 PPI 分析显示, 没有明显增加的功能连接与前或后海马种子的任何 APOEε4载体或比较。内部 PPI 分析显示, APOEε4载流子在任务条件和海马次区域的功能连通性显著下降 (图 2)。在 APOEε4比较中, 在编码时只观察到后海马的功能连通性显著降低 (图 2)。正面和负面 PPI 图显示了 APOEε4载体和比较之间的差异在如何在记忆任务的海马功能连接变化。为了确定差异是否具有统计学意义, 有必要直接比较四结果38中的每一.......

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Discussion

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早期的任务型 fMRI 研究旨在揭示特定认知过程或需求之间的统计关系, 以及与基线测量相关的大胆信号的变化。这种传统的方法是有用的, 以确定大脑中的特定区域的活动是由实验任务调制。相比之下, PPI 分析主要关注的是功能连接的调制, 或活动的同步性, 这是由任务引起的认知过程造成的。PPI 度量在定义的感兴趣区域 (种子) 和其他大脑区域之间的上下文相关的功能连接, 而不仅仅是活动在局部区域的增加和减少。种子区域的选择必须是假设驱动的, 因为 PPI 分析将在种子区域的活动在一个单变量的框架内通过任务诱导的认知环境进行优化。然后, PPI 框架可用于探讨种子区域活动如何与其他区域在响应特定任务上下文 (如内存编码或检索) 时或多或少地同步。因此, 组之间的差异仅限于种子和其他由特定任务阶段调制的区域之间的功能连接更改。

对 GLM 的透彻了解对于实施 PPI 分析至关重要。一个完整的, 组比较 ppi 研究有三层次的线性建模: 第一级 (预处理, 任务, 和运动建模), 中级 ppi 模型 (添加种子 timecourse 和任务交互 EVs) 和更高层次的组比较模型 (组参数估计.......

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Disclosures

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副总经理是 Biospective、Inc. Biospective 的雇员, Inc. 没有处理任何所提供的数据。

Acknowledgements

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这项工作得到了国立老龄研究所 (R01AG013308 SYB、F31AG047041 至屯门) 的资助。作者使用了与 Hoffman2 共享集群相关的计算和存储服务, 由加州大学洛杉矶分校数字研究和教育研究技术小组提供。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3T 鬃共振成像扫描仪西门子医疗解决方案MAGNETOM Trio， A Tim 系统3T MRI 扫描仪
FSL（FMRIB 软件库）牛津大学6.0版功能成像处理软件
AFNI（功能神经成像分析）美国国立卫生研究院国家心理健康研究所2015 年 5 月之后的任何版本功能成像处理软件
SPM8 （统计参数映射）伦敦大学学院SPM8功能成像处理软件
Matlab 软件The Mathworks， Inc版本 R2012a计算软件
SDS 软件Applied Biosystems， Inc7900HT 快速实时 PCR 系统实时 PCR
Taqman 检测ThermoFisherSNPSNP 基因分型的科学特异性
系统

References

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  1. Sporns, O., Tononi, G., Kötter, R. The Human Connectome: A Structural Description of the Human Brain. PLoS Comput Biol. 1 (4), 42(2005).
  2. Friston, K. J., Buechel, C., Fink, G. R., Morris, J., Rolls, E., Dolan, R. J. Psychophysiological and modulatory interactions in neuroimaging. <....

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