Modélisation du réseau fonctionnel pour la navigation spatiale dans le cerveau humain

Summary

Cet article présente une approche intégrative pour étudier le réseau fonctionnel de la navigation spatiale dans le cerveau humain. Cette approche intègre une base de données méta-analytique de neuroimagerie à grande échelle, l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle à l’état de repos, ainsi que des techniques de modélisation de réseau et de théorie des graphes.

Abstract

La navigation spatiale est une fonction complexe impliquant l’intégration et la manipulation d’informations multisensorielles. En utilisant différentes tâches de navigation, de nombreux résultats prometteurs ont été obtenus sur les fonctions spécifiques de diverses régions du cerveau (par exemple, l’hippocampe, le cortex entorhinal et la zone parahippocampique). Récemment, il a été suggéré qu’un processus de réseau non agrégé impliquant plusieurs régions cérébrales en interaction pourrait mieux caractériser la base neuronale de cette fonction complexe. Cet article présente une approche intégrative pour la construction et l’analyse du réseau fonctionnel spécifique pour la navigation spatiale dans le cerveau humain. Brièvement, cette approche intégrative se compose de trois grandes étapes : 1) identifier les régions cérébrales importantes pour la navigation spatiale (définition des nœuds) ; 2) d’estimer la connectivité fonctionnelle entre chaque paire de ces régions et de construire la matrice de connectivité (construction du réseau) ; 3) étudier les propriétés topologiques (par exemple, la modularité et la petitesse du monde) du réseau résultant (analyse du réseau). L’approche présentée, du point de vue du réseau, pourrait nous aider à mieux comprendre comment notre cerveau supporte une navigation flexible dans des environnements complexes et dynamiques, et les propriétés topologiques révélées du réseau peuvent également fournir des biomarqueurs importants pour guider l’identification précoce et le diagnostic de la maladie d’Alzheimer dans la pratique clinique.

Introduction

La spécificité fonctionnelle est un principe d’organisation fondamental du cerveau humain, qui joue un rôle crucial dans la formation des fonctions cognitives¹. Des anomalies dans l’organisation de la spécificité fonctionnelle peuvent refléter des déficiences cognitives caractéristiques et les fondements pathologiques associés à des troubles cérébraux majeurs tels que l’autisme et la maladie d’Alzheimer ^2,3. Alors que les théories et les recherches conventionnelles ont eu tendance à se concentrer sur des régions cérébrales uniques, telles que la zone faciale fusiforme (FFA) pour la reco....

Protocol

REMARQUE : Tous les logiciels utilisés ici sont indiqués dans le tableau des matériaux. Les données utilisées dans cette étude à des fins de démonstration proviennent du Human Connectome Project (HCP : http://www. humanconnectome.org)¹⁵. Toutes les procédures expérimentales ont été approuvées par l’Institutional Review Board (IRB) de l’Université de Washington. Les données d’imagerie de l’ensemble de données HCP ont été acquises à l’aide d’un scanner 3T Siemens Skyra modifié avec une bobine de tête à 32 canaux. D’autres paramètres d’acquisition d’images sont détaillés dans un article antérieur¹⁶. Un mini....

Results

Les réseaux de navigation
La présente étude a identifié 27 régions du cerveau, qui sont associées à la navigation spatiale, en incorporant la dernière base de données de neuroimagerie de méta-analyse et l’atlas AICHA. Ces régions étaient constituées des régions temporales médiales et pariétales qui ont été couramment rapportées dans les études de neuroimagerie de navigation. La répartition spatiale de ces régions est illustrée à la figure 5A et à

Discussion

On s’attend à ce que les neurosciences des réseaux aident à comprendre comment le réseau cérébral soutient les fonctions cognitives humaines³². Ce protocole démontre une approche intégrative de l’étude du réseau fonctionnel pour la navigation spatiale dans le cerveau humain, ce qui peut également inspirer la modélisation de réseau pour d’autres constructions cognitives (par exemple, le langage).

Cette approche se composait de trois étapes principales : la définition des.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Boîte à outils de connectivité cérébrale (BCT)	Mikail Rubinov & Olaf Sporns  ;	2019	The Brain Connectivity Toolbox (brain-connectivity-toolbox.net) est une boîte à outils MATLAB pour l’analyse de réseaux complexes (graphes) d’ensembles de données structurelles et fonctionnelles de connectivité cérébrale.
GRETNA	Jinhui Wang et al.	2	GRETNA est une boîte à outils d’analyse de réseau théorique des graphes qui permet aux chercheurs d’effectuer une analyse complète de la topologie du connectome cérébral en intégrant la plupart des mesures de réseau étudiées dans le domaine actuel des neurosciences.
MATLAB	MathWorks	2021a	MATLAB est une plateforme de programmation et de calcul numérique utilisée par des millions d’ingénieurs et de scientifiques pour analyser des données, développer des algorithmes et créer des modèles.
Python	, Guido van Rossum et al.	3.8.6	Python est un langage de programmation qui vous permet de travailler plus rapidement et d’intégrer vos systèmes plus efficacement.
Cartographie Paramétrique Statistique (SPM)	Karl Friston et.al  ;	12	Cartographie paramétrique statistique  ; fait référence à la construction et à l’évaluation de processus statistiques spatialement étendus utilisés pour tester des hypothèses sur des données d’imagerie fonctionnelle.