Modelado de la red funcional para la navegación espacial en el cerebro humano

Resumen

Este artículo presenta un enfoque integrador para investigar la red funcional para la navegación espacial en el cerebro humano. Este enfoque incorpora una base de datos metaanalítica de neuroimagen a gran escala, imágenes de resonancia magnética funcional en estado de reposo y técnicas de modelado de redes y teoría de grafos.

Resumen

La navegación espacial es una función compleja que implica la integración y manipulación de información multisensorial. Utilizando diferentes tareas de navegación, se han logrado muchos resultados prometedores sobre las funciones específicas de varias regiones del cerebro (por ejemplo, el hipocampo, la corteza entorrinal y el área del lugar parahipocampal). Recientemente, se ha sugerido que un proceso de red no agregada que involucra múltiples regiones cerebrales que interactúan puede caracterizar mejor la base neuronal de esta función compleja. Este artículo presenta un enfoque integrador para la construcción y el análisis de la red funcionalmente específica para la navegación espacial en el cerebro humano. Brevemente, este enfoque integrador consta de tres pasos principales: 1) identificar regiones cerebrales importantes para la navegación espacial (definición de nodos); 2) estimar la conectividad funcional entre cada par de estas regiones y construir la matriz de conectividad (construcción de redes); 3) investigar las propiedades topológicas (por ejemplo, modularidad y pequeño mundanidad) de la red resultante (análisis de redes). El enfoque presentado, desde una perspectiva de red, podría ayudarnos a comprender mejor cómo nuestro cerebro soporta la navegación flexible en entornos complejos y dinámicos, y las propiedades topológicas reveladas de la red también pueden proporcionar biomarcadores importantes para guiar la identificación temprana y el diagnóstico de la enfermedad de Alzheimer en la práctica clínica.

Introducción

La especificidad funcional es un principio de organización fundamental del cerebro humano, que desempeña un papel crucial en la configuración^{de las funciones} cognitivas. Las anomalías en la organización de la especificidad funcional pueden reflejar deficiencias cognitivas distintivas y las bases patológicas asociadas a los principales trastornos cerebrales, como el autismo y la enfermedad de Alzheimer ^2,3. Si bien las teorías y la investigación convencionales han tendido a centrarse en regiones cerebrales individuales, como el área facial fusiforme (FFA) para el reconocimiento facial

Protocolo

NOTA: Todo el software utilizado aquí se muestra en la Tabla de Materiales. Los datos utilizados en este estudio con fines demostrativos fueron del Proyecto Conectoma Humano (HCP: http://www. humanconnectome.org)¹⁵. Todos los procedimientos experimentales fueron aprobados por la Junta de Revisión Institucional (IRB, por sus siglas en inglés) de la Universidad de Washington. Los datos de imágenes en el conjunto de datos de HCP se adquirieron utilizando un escáner 3T Siemens Skyra modificado con una bobina de cabezal de 32 canales. Otros parámetros de adquisición de imágenes se detallan en un artículo anterior^16....

Resultados

Las redes de navegación
El presente estudio identificó 27 regiones cerebrales, que están asociadas con la navegación espacial, mediante la incorporación de la última base de datos de neuroimágenes de metaanálisis y el atlas AICHA. Estas regiones consistieron en las regiones temporal medial y parietal que se han reportado comúnmente en los estudios de neuroimagen de navegación. La distribución espacial de estas regiones se muestra en la Figura 5A y

Discusión

Se espera que la neurociencia de redes ayude a comprender cómo la red cerebral apoya las funciones cognitivas humanas³². Este protocolo demuestra un enfoque integrador para estudiar la red funcional para la navegación espacial en el cerebro humano, que también puede inspirar el modelado de redes para otras construcciones cognitivas (por ejemplo, el lenguaje).

Este enfoque consistió en tres pasos principales: definición de nodos, construcción de redes y análisis de redes.......

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Caja de herramientas de conectividad cerebral (BCT)	Mikail Rubinov & Olaf Sporns	2019	The Brain Connectivity Toolbox (brain-connectivity-toolbox.net) es una caja de herramientas de MATLAB para el análisis de redes complejas (grafos) de conjuntos de datos de conectividad cerebral estructural y funcional.
GRETNA,	Jinhui Wang et al.	2	GRETNA es una caja de herramientas de análisis de redes teóricas de grafos que permite a los investigadores realizar un análisis exhaustivo sobre la topología del conectoma cerebral mediante la integración de la mayoría de las medidas de red estudiadas en el campo actual de la neurociencia.
MATLAB	MathWorks	2021a	MATLAB es una plataforma de programación y computación numérica utilizada por millones de ingenieros y científicos para analizar datos, desarrollar algoritmos y crear modelos.
Pitón	Guido van Rossum et al.	3.8.6	Python es un lenguaje de programación que le permite trabajar más rápidamente e integrar sus sistemas de manera más efectiva.
Mapeo Estadístico Paramétrico (SPM)	Karl Friston et.al	12	Mapeo Estadístico Paramétrico  Se refiere a la construcción y evaluación de procesos estadísticos espacialmente extendidos utilizados para probar hipótesis sobre datos de imágenes funcionales.