Anvendelsen af Granger kausalitet analyse af styret funktionelle forbindelsen i Alzheimers sygdom og Mild kognitiv svækkelse

Summary

Baseret på hvilende tilstand funktionel magnetisk resonans med Granger kausalitet analyse, undersøgte vi ændringerne i styret funktionelle forbindelsen mellem den bageste cingulate cortex og hele hjernen på patienter med Alzheimers sygdom (AD), patienter med Mild kognitiv svækkelse (MCI) og raske kontrolpersoner.

Abstract

Nedsat funktionel connectivity i standard Mode netværk (DMN) kan være involveret i udviklingen af Alzheimers sygdom (AD). Den bageste Cingulate Cortex (PCC) er potentielle imaging markør for overvågning progression af annonce. Tidligere undersøgelser fokusere ikke på den funktionelle forbindelse mellem PCC og noder i områder uden for DMN, men vores undersøgelse er et forsøg på at udforske disse overset funktionelle forbindelser. For at indsamle data, brugte vi funktionel magnetisk resonans Imaging (fMRI) og Granger kausalitet analyse (GCA). fMRI indeholder en ikke-invasiv metode til at studere det dynamiske samspil mellem de forskellige hjerneregioner. GCA er en statistiske hypotese test for at afgøre om engangs serie er nyttige i forudsige en anden. I enkle vendinger, er det dømt ved at sammenligne "Kendt alle oplysninger på i sidste øjeblik, distribution af sandsynligheden for X i denne tid" og "Kendt alle oplysninger på i sidste øjeblik undtagen Y, distribution af sandsynligheden for X i denne tid", til at afgøre, om der er en kausal sammenhæng mellem Y og X. Denne definition er baseret på fuldstændig informationskilde og stationære kronologisk rækkefølge. Det vigtigste skridt i denne analyse er at bruge X og Y at fastlægge regressionsligningen og tegner en årsagssammenhæng ved en hypotetisk test. Da GCA kan måle kausale effekter, brugte vi det til at undersøge anisotropy af den funktionelle connectivity og udforske hub funktion af det parlamentariske samarbejdsudvalg. Her, vi screenet 116 deltagere til MR scanning, og efter forbehandling oplysninger indhentet fra neuroimaging, vi brugte GCA for at udlede årsagssammenhæng for hver node. Endelig konkluderede vi, at styret forbindelsen er signifikant forskellig mellem Mild Cognitive Værdiforringelse (MCI) og AD grupper, både fra PCC til hele hjernen og hele hjernen til det parlamentariske samarbejdsudvalg.

Introduction

Annonce er en degenerativ sygdom i centralnervesystemet, der kan diagnosticeres ved hjælp af histopatologi, Elektrofysiologi og neuroimaging¹. Den hukommelsesrelaterede DMN er et afgørende system med interagerende hjernen regionerne tilknyttet AD, og dens unormal funktion er karakteristisk for annonce^2,3. Udvalget er en vigtig region for traditionelle standardnetværk i hvilende tilstand og spiller afgørende roller i episodisk hukommelse, rumlige opmærksomhed, selvevaluering og andre kognitive funktioner^4,5,6,7. Derudover kan det være en billeddannelse markør for overvågning AD progression. Bruger GCA, fandt Liao et al. , at PCC er en region af flere cytoarchitectonics med flere forbindelser og spiller en vigtig rolle i funktionel hjerne struktur⁸. Zhong et al. rapporterede, at udvalget var et konvergens center, som modtog interaktioner af de fleste af de andre regioner inden for DMN³. Desuden demonstreret Miao et al. , at PCC i regionerne DMN hub har den største kausal effekt forhold med andre noder⁹. Alt dette tyder på at styret tilslutning af til PCC er værdifulde i AD forskning og PCC skal være yderligere studeret sammen, dybdegående som et afgørende område af DMN.

De tidligere undersøgelser var begrænset til forbindelsen mellem udvalget og andre regioner inden for DMN; men ændringer i styret funktionel forbindelse mellem PCC og hjernen regionerne uden for DMN samt deres indflydelse på annonce endnu ikke er udforsket¹⁰. Vores undersøgelse undersøgt yderligere dette uudforskede funktionelle connectivity i normale raske kontrolpersoner, patienter med MCI og patienter med annonce. Ved at observere den rettet forbindelse mellem PCC og hele hjerneregioner, vi havde til formål at belyse de funktionelle ændringer i hjernen relateret til annonce progression, og dermed etablere en roman objektivt grundlag for at vurdere sværhedsgraden af sygdommen.

Funktionelle connectivity refererer til et tværregionalt samspil, der kan være repræsenteret af synkron lavfrekvente svingninger (LFFs) i den cerebrale blod ilt niveau afhængige (fed) fMRI signal. Derfor, for at observere den funktionelle forbindelse mellem udvalget og andre områder af hjernen, analyserede vi den funktionelle forbindelse mellem udvalget og hele hjernen netværk af fMRI med GCA, med PCC som Region af interesse (ROI). Denne teknik stammer direkte de grundlæggende forhold for hver node ved hjælp af data fra neuroimaging¹¹. For nylig, GCA har været anvendt til elektroencefalografi (EEG) og fMRI undersøgelser for at afsløre de kausale effekter blandt hjernen regioner¹². Alle disse undersøgelser viste, at GCA teknik kan være optimale til påvisning af årsagssammenhæng for hver node i hjernen.

Discussion

Denne rapport præsenterer en proces for at sammenligne den styret funktionelle forbindelse fra PCC til hele hjernen og fra hele hjernen til PCC mellem AD, MCI og kontrolgrupper. Desuden, et vigtigt skridt i denne proces er klassificering og screening af prøven før forsøget. Således er klassificering og screening kriterier afgørende for nøjagtigheden af resultaterne kan blive påvirket, hvis de er fejlagtige. Som anført i protokollen, brugte vi 2011 NINCDS-ADRDA diagnostiske kriterier og MMSE og kriterierne for identifikation og klassificering af MCI; vores screeningskriterierne er også nævnt i den ovennævnte protokol. Vi udelukket de patienter, der ikke var egnet til retssagen, og så præcist klassificeret de resterende patienter, som er grundlæggende for efterfølgende forsøg. Den kritiske GCA analyse stammer den styret funktionelle forbindelse fra PCC til hele hjernen og fra hele hjernen til PCC mellem AD, MCI, og kontrolgrupper ved hjælp af data opnået fra neuroimaging. Vi præsenterede detaljerne i GCA analyse i denne protokol. Denne teknologi fundet signifikante forskelle mellem grupperne i styret connectivity, og forklaret godt sammenhængen mellem de funktionelle ændringer og AD progression.

I vores analyse af data for denne undersøgelse opstod forskelle mellem enkeltpersoner (ikke herunder alder, køn og uddannelsesniveau, da disse er ens mellem de 3 grupper, og derfor er det vanskeligt at foretage en objektiv vurdering af konklusionerne). Du kan løse dette problem, analyserer vi data af grupperne i stedet for de individuelle data. Variabler i hver gruppe er repræsenteret som middelværdien og SD og de løbende variabler som tal og procenter, ved hjælp af chi-square test. Gennem denne kvantitative vurdering, kan vi objektivt evaluere styret forbindelsen mellem PCC og regionen hele hjernen og belyse de funktionelle ændringer forbundet med progression af annonce i hjernen.

Selv om lineær korrelation og uafhængige komponent analyse (ICA) har været meget anvendt til at studere den funktionelle connectivity, har disse resultater ingen retningsvirkning. GCA kan udnyttes, ikke kun til at måle de kausale effekter af fMRI tidsserier, men også at vise dynamics og retning af fed signalet fra rs-fMRI^14,15.

Vi analyserede styret forbindelsen mellem udvalget og hele hjernen netværket med GCA med PCC som ROI og fundet forskelle i rettet forbindelse mellem Annoncen, MCI, og styre grupper. Vi konkluderede således, at PCC, som et vigtigt knudepunkt i regionen DMN hjernen har en betydelig indvirkning på AD progression. PCC kan ikke kun vise abnormaliteter i den modtagende oplysninger men også vise abnormaliteter i datatransmissionsnet. Desuden, viser denne undersøgelse, at videregivelse af oplysninger i alle områder af hjernen med unormale forbindelser er retningsbestemt, bortset fra enkelte noder (venstre midterste frontal gyrus og venstre precuneus), da abnormiteter i disse områder af hjernen er ensidige. En anden interessant konstatering af denne undersøgelse er, at disse forbindelse anomalier synes at forekomme overvejende i venstre hjernehalvdel. Dette kan være fordi den dominerende halvkugle (venstre hjernehalvdel) er mere modtagelige for skade end den højre hjernehalvdel, fører til tidlig metaboliske tilbagegang og atrofi¹⁶.

Der er dog nogle begrænsninger i vores undersøgelse. For GCA teknologi, når samplingfrekvens når 2 s, forskellige hæmodynamiske forsinkelser er vanskeligt at opnå nøjagtigt¹⁷, og de langsomme dynamikken i fed signal på 2 s kan forårsage nogle hurtige kausal sammenhæng tab¹⁸. Som et resultat, kan denne begrænsning føre til afvigelse af eksperimentelle data. Da testen stikprøvestørrelse ikke var tilstrækkeligt stort nok, er yderligere prøver afgørende for at kontrollere resultaterne.

I øjeblikket har nogle undersøgelser anvendes multivariat GCA teknikker til at beskrive de kausale sammenhænge mellem flere områder af hjernen. I teorien er multivariat GCA en forbedret teknik, der kan afsløre kompleksiteten af retningsbestemt connectivity i hjernen; Det har imidlertid flere tekniske udfordringer end bivariate GCA som hæmodynamiske forsinkelsen varierer med region¹². Vores fremtidige mål er at løse udfordringer af multivariat GCA og anvende det til forskning til at bedre demonstrere den komplekse retningsbestemte connectivity i hjernen.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
116 patients	Zhejiang Provincial People’s hospital	-	This study was approved by the ethics committee of Zhejiang Provincial People’s hospital. Every enrolled subject signed a written informed consent form.
Siemens Trio 3.0 T MRI scanner	Siemens, Erlangen, Germany	20571	Equipped with AudioComfort that reduces acoustic noise up to 90%; Provides high performance at a low noise level; Ultra light-weight coil; Unique MRI sequence design; Supports up to 400 pounds without restrictions.
RESTplus	Hangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, China	20160122	RESTplus evolved from REST (Resting-State fMRI Data Analysis Toolkit), a convenient toolkit to calculate Functional Connectivity (FC), Regional Homogeneity(ReHo), Amplitude of Low-Frequency Fluctuation (ALFF), Fractional ALFF (fALFF), Gragner causality, degree centrality, voxel-mirrored homotopic connectivity (VMHC) and perform statistical analysis.
DPARSF	Hangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, China	130615	Data Processing Assistant for Resting-State fMRI (DPARSF) is a convenient plug-in software within DPABI, which is based on SPM. You just need to arrange your DICOM files, and click a few buttons to set parameters, DPARSF will then give all the preprocessed data, functional connectivity, ReHo, ALFF/fALFF, degree centrality, voxel-mirrored homotopic connectivity (VMHC) results.
SPSS	SPSS Inc., Chicago, IL, USA	-	SPSS offers detailed analysis options to look deeper into your data and spot trends that you might not have noticed.