Methodenartikel

Toepassing van Granger causaliteit analyse van de gestuurde functionele verbinding in de ziekte van Alzheimer en Mild cognitief stoornis

DOI:

10.3791/56015

⸱

7 augustus 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Zhejiang Chinese Medical University, 2Department of Psychiatry, Zhejiang Provincial People's Hospital, 3Department of Radiology, Zhejiang Provincial People's Hospital

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gebaseerd op rust statuswaarden functionele magnetische resonantie imaging met Granger causaliteit analyse, onderzochten we de wijzigingen in de gestuurde functionele connectiviteit tussen het posterieure cingularis cortex en de hele hersenen in patiënten met de ziekte van Alzheimer (AD), patiënten met milde cognitieve stoornis (MCI) en gezonde controles.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Verminderde functionele connectiviteit in de standaard modus netwerk (DMN) kan worden betrokken bij de progressie van de ziekte van Alzheimer (AD). De Posterior cingularis Cortex (PCC) is een potentiële imaging marker voor het toezicht op de progressie van AD. Eerdere studies deed niet richten op de functionele connectiviteit tussen de PCC en de knooppunten in gebieden buiten de DMN, maar onze studie is een poging om het verkennen van deze over het hoofd gezien functionele verbindingen. Voor het verzamelen van gegevens, hebben we gebruikt functionele magnetische resonantie Imaging (fMRI) en Granger causaliteit analyse (GCA). fMRI biedt een niet-invasieve methode voor het bestuderen van de dynamische interacties tussen de verschillende hersengebieden. GCA is een statistische hypothesen test om te bepalen of eenmalige serie nuttig is bij het voorspellen van een ander. In eenvoudige termen, wordt het beoordeeld door het vergelijken van de 'bekende alle informatie op het laatste moment, de verdeling van de waarschijnlijkheid van X op dit moment' en de 'bekende alle informatie op het laatste moment behalve Y, de verdeling van de waarschijnlijkheid van X op dit moment', om te bepalen of er een oorzakelijk verband tussen Y en X. Deze definitie is gebaseerd op de volledige informatiebron en stationaire chronologische volgorde. De belangrijkste stap van deze analyse is het gebruik van X en Y de regressievergelijking te tekenen van een oorzakelijk verband door een hypothetische test. Omdat GCA causaal gevolgen meten kan, wij gebruikten het om te onderzoeken de anisotropie van de functionele connectiviteit en verkennen van de hub-functie van de PSC. Hier, we gescreend 116 deelnemers voor het scannen van de MRI, en na het voorbewerken van de gegevens die zijn verkregen uit neuroimaging, gebruikten we GCA voor het afleiden van het oorzakelijk verband van elk knooppunt. Tot slot, wij geconcludeerd dat de gestuurde verbinding aanzienlijk tussen de groepen van milde cognitieve stoornis (MCI) en AD, zowel vanuit de PCC aan het hele brein het hele brein aan de PCC verschilt.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

AD is een degeneratieve ziekte van het centrale zenuwstelsel die kunnen worden gediagnosticeerd met behulp van Histopathologie, elektrofysiologie en neuroimaging1. De geheugen-gerelateerde DMN is een vitaal systeem van de interactie hersengebieden AD is gekoppeld, en de abnormale functie is kenmerkend voor AD2,3. De PCC is een belangrijk gebied van de traditionele standaardnetwerk in de rusttoestand en cruciale rol in het episodische geheugen, ruimtelijke aandacht, zelfevaluatie en andere cognitieve functies4,5,6,7speelt. Het zou bovendien een imaging marker voor controle van AD progressie. Met behulp van GCA, vond Liao et al. dat de PCC een regio in meerdere cytoarchitectonics met meerdere verbindingen is en een belangrijke rol in de hersenen van de functionele structuur8 speelt. Zhong et al. rapporteerde dat de PCC was een centrum van de convergentie die interacties van de meeste andere regio's binnen de DMN3ontvangen. Bovendien, Miao et al. aangetoond dat het PCC in de regio DMN hub's, de grootste causale effect-relatie met andere knooppunten9heeft. Al deze gegevens blijkt dat de gestuurde aansluiting van de PCC waardevol in AD onderzoek is en de PCC moet verder worden bestudeerd samen, diepgaande als een vitale regio van de DMN.

De vorige studies werden beperkt tot de connectiviteit tussen de PCC en andere regio's binnen de DMN; echter, de veranderingen in gestuurde functionele connectiviteit tussen de PCC en hersenen regio's buiten de DMN, evenals hun invloed op advertentie nog niet hebben onderzocht10. Onze studie verder onderzocht deze onontgonnen functionele connectiviteit in normale gezonde controles, patiënten met MCI en patiënten met AD. Door het observeren van de gestuurde connectiviteit tussen de PCC en de hele hersengebieden, we gericht op verheldering van de functionele veranderingen in de hersenen aan AD progressie gerelateerde, en daardoor een roman objectieve basis voor de beoordeling van de ernst van de ziekte.

Functionele connectiviteit verwijst naar een interregionale interactie die kan worden vertegenwoordigd door synchrone fluctuaties van de lagefrequentie (LFFs) in het cerebrale bloed zuurstof niveau afhankelijk (BOLD) fMRI signaal. Dus, om het observeren van de functionele connectiviteit tussen de PCC en andere hersengebieden, geanalyseerd wij de functionele connectiviteit tussen de PCC en de hele hersenen netwerk door fMRI GCA, met de PCC als de regio van belang (ROI). Deze techniek is rechtstreeks afgeleid van de fundamentele relatie van elk knooppunt met behulp van gegevens die zijn verkregen van neuroimaging11. Onlangs, GCA is vereffend electroencephalogram (EEG) en fMRI studies te onthullen van de causale effecten onder12regio's hersenen. Alle studies vermeld dat de GCA techniek optimaal is voor het opsporen van het oorzakelijk verband van elk knooppunt in de hersenen zou kunnen zijn.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie werd goedgekeurd door het Ethische Comité van het Zhejiang Provincial People's Hospital. Elke ingeschreven proefpersoon ondertekende een schriftelijke geïnformeerde toestemming.

1. Steekproefclassificatie en screening

  1. Diagnoseer en verdeel 116 patiënten in AD- en MCI-groepen.
    OPMERKING: Gebruik de diagnostische criteria van het National Institute of Neurological and Communicative Disorders and Stroke en de Alzheimer's Disease and Related Disorders Association (NINCDS-ADRDA) uit 2011 en de Mini-Mental State Examination (MMSE) criteria voor identificatie en classificatie van MCI, zoals in detail beschreven in Yu et al.10
  2. Selecteer deelnemers in de gezonde controlegroep.
    OPMERKING: De leeftijd, geslacht en opleidingsniveau van de controlegroep waren gematcht met de patiënten in de MCI- en AD-groepen.
  3. Beoordeel alle proefpersonen met MMSE10.
  4. Sluit de proefpersonen uit die niet voldeden aan de opnamecriteria. Voor alle proefpersonen worden de uitsluitingscriteria vermeld in Yu et al.10
  5. Gebruik MRI om proefpersonen te scannen; sluit proefpersonen uit met onbruikbare gegevens vanwege hoofdbewegingen.
    OPMERKING: Uiteindelijk hebben we 26 patiënten met MCI, 32 patiënten met AD en 58 controles gescreend.

2. Verwerving van neuroimaging

  1. Verwijder metalen en magnetische objecten voordat u de 3.0 T MRI-laboratorium binnengaat.
  2. Installeer een MRI-ontvangstspoel op het magnetische resonantie-scanbed. De ontvangstspoel is een 8-kanaals circulair gepolariseerde hersenfase-arrayspoel.
  3. Instrueer de deelnemer om op het bed te liggen en te blijven liggen met het hoofd vooruit en de lange as van het lichaam langs de lange as van het bed. Plaats het hoofd van de deelnemer op de beugel van de spoel en zorg ervoor dat de orbitomeatale lijn loodrecht op het bed staat.
  4. Instrueer de deelnemer om de bovenste ledematen aan de zijkanten van het lichaam te plaatsen, de ogen te sluiten, niet aan iets specifieks te denken en zo min mogelijk te bewegen tijdens de scan. Plaats schuimkussens op het hoofd in het bilaterale temporale gebied om hoofdbeweging te voorkomen en voorzie de deelnemer van een koptelefoon om het scannergeluid te verminderen.
    OPMERKING: Afmetingen van het schuimkussen zijn: lange diameter = 13 cm, korte diameter = 10 cm, de dikste dikte = 7 cm, de dunste dikte = 3 cm, gemiddelde dikte = 5 cm.
  5. Pas de positie van het hoofd aan door middel van de positioneringslicht zodat de sagittale positioneringscursor in het midden van het gezicht is, en de as-positioneringscursor parallel aan de laterale canthus is. Beweeg vervolgens het bed om de as-positioneringscursor op de wenkbrauwen of 2 cm eronder te houden.
  6. Beweeg het hoofd naar het midden van de magneet. Voer een fMRI-hersenscan uit, inclusief gradient Echo-Planar Imaging (EPI-BOLD) en 3D-T1-MPRAGE-beeldvorming.
    OPMERKING: Gebruik de volgende parameters:
    EPI-BOLD: TR/TE = 2.000/30 ms, laagdikte/laagstap = 3,2/0,8 mm, 31 plakken, matrix = 64 x 64, FOV = 220 x 220 mm, voxelgrootte = 3 x 3 x 4 mm, fliphoek = 90 °, scantijd van 484 s en een totaal van 240 scans.
    3D-T1-MPRAGE-beeldvorming: TR/TE = 8,5/3,2 ms, fliphoek = 15 °, beeldveld = 250 x 250 mm, matrix = 256 x 256, aantal plakken = 176, plakdikte/hiaat = 1/0 mm, scantijd van 353 s en een totaal van 192 scans.
  7. Zorg voor de veiligheid van de patiënt wanneer ze aan het einde van de scan het bed verlaten.

3. Gegevensvoorverwerking

OPMERKING: Analyseer de ruwe gegevens voor de hersenfunctie in rust door gebruik te maken van de Resting-State fMRI (rs-fMRI) Data Analysis Toolkit plus (RESTplus).

  1. Open RESTplus via MATLAB en klik links op Pipeline.
  2. Importeer de relevante bestanden naar RESTplus. Selecteer de werkmap en vervolgens de start-EPI en T1-mappen.
  3. Converteer DICOM-bestanden naar NIFTI. Schakel het vakje DICOM naar NIFTI in bij voorverwerking en schakel het vakje EPI DICOM naar NIFTI en de T1 DICOM naar NIFTI parameters in.
  4. Verwijder de eerste 10 tijdstippen door het vakje Verwijder eerste n tijdstippen in te schakelen en de n-parameter in te stellen op 10.
  5. Stel de plaksnede in volgens de rs-fMRI-parameters. Schakel het vakje Plaksnede in. Stel het aantal plakken in volgens de rs-fMRI-parameters van de studie. Voer de plakorde in.
    OPMERKING: De verwerving van gegevens van elke laag in de hersenscan vindt niet op hetzelfde tijdstip plaats, en moet daarom worden gekalibreerd naar hetzelfde tijdstip.
  6. Corrigeer de tijd en hoofdbeweging. Schakel Realign in.
    OPMERKING: Het uitsluitingscriterium voor overmatige hoofdbeweging was >2,0 mm translatie of >2,0 ° rotatie in elke richting. In de RESTplus is dit een standaardparameter (klik links op de optie 'Realign').
  7. Voer ruimtelijke normalisatie uit door gebruik te maken van T1-afbeelding geünificeerde segmentatie en alle hoofden genormaliseerd naar dezelfde ruimte. Schakel Normalize in en laat de standaardparameters onderaan staan. Selecteer

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Demografische informatie

Tabel 1 presenteert de kenmerken van de proefpersonen. Alle proefpersonen hadden een opleidingsniveau van middelbare school of hoger. Leeftijd, geslacht en opleidingsniveau waren vergelijkbaar tussen de drie groepen (P >0,05), terwijl de MMSE-scores significant verschilden (p <0,01).

Gedirigeerd hersenfunctioneel co...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit verslag presenteert een proces voor het vergelijken van de gestuurde functionele connectiviteit vanuit het PCC naar de hele hersenen en van de hele hersenen naar de PCC tussen AD, MCI- en controlegroepen. Bovendien is een belangrijke stap in dit proces de classificatie en de screening van monster voordat het experiment. Dus, de indeling en de screening van de criteria zijn van cruciaal belang omdat de nauwkeurigheid van de resultaten kan worden beïnvloed als ze verkeerde. Zoals vermeld in het protocol, we gebruikten ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs verklaren dat zij niet geen concurrerende financiële belangen hoeft.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs bedanken Gongjun JI voor ondersteuning van de software van de computer. Dit onderzoek werd slechts gedeeltelijk ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (nr. 81201156, 81271517); de Zhejiang provinciale Natural Science Foundation van China (nr. LY16H180007, LY13H180016, 2013C33G1360236), en de Stichting van de wetenschap van de Commissie van de gezondheid van de provincie Zhejiang (nr. 2013RCA001, 201522257).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
116 patientenZhejiang Provincial People’s hospital-Deze studie werd goedgekeurd door de ethische commissie van Zhejiang Provincial People’s hospital. Elke ingeschreven proefpersoon tekende een schriftelijke geïnformeerde toestemmingsverklaring.
Siemens Trio 3.0 T MRI scannerSiemens, Erlangen, Duitsland20571Uitgerust met AudioComfort die akoestisch geluid tot 90% reduceert; Biedt hoge prestaties op een laag geluidsniveau; Ultra lichtgewicht spoel; Unieke MRI-sequentieontwerp; Ondersteunt tot 400 pond zonder beperkingen.
RESTplusHangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, China20160122RESTplus is geëvolueerd uit REST (Resting-State fMRI Data Analysis Toolkit), een handige toolkit om Functionele Connectiviteit (FC), Regionale Homogeneïteit (ReHo), Amplitude van Laagfrequente Fluctuatie (ALFF), Fractionele ALFF (fALFF), Gragner causaliteit, graad centraliteit, voxel-gespiegelde homotopische connectiviteit (VMHC) te berekenen en statistische analyse uit te voeren.
DPARSFHangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, China130615Data Processing Assistant for Resting-State fMRI (DPARSF) is een handige plug-in software binnen DPABI, die gebaseerd is op SPM. Je hoeft alleen maar je DICOM-bestanden te rangschikken en een paar knoppen te klikken om parameters in te stellen, DPARSF geeft dan alle voorbewerkte gegevens, functionele connectiviteit, ReHo, ALFF/fALFF, graad centraliteit, voxel-gespiegelde homotopische connectiviteit (VMHC) resultaten.
SPSSSPSS Inc., Chicago, IL, USA-SPSS biedt gedetailleerde analyse-opties om dieper in je gegevens te kijken en trends te ontdekken die je misschien niet had opgemerkt.

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Delbeuck, X., Van der Linden, M., Collette, F. Alzheimer's disease as a disconnection syndrome? Neuropsychol Rev. 13 (2), 79-92 (2003).
  2. Wang, K., et al. Altered functional connectivity in early Alzheimer's disease: a resting-state fMRI study. Hum Brain Mapp. 28 (10), 967-978 (2007).
  3. Zhong, Y., et al. Altered effective connectivity patterns of the default mode network in Alzheimer's disease: an fMRI study. Neurosci Lett. 578, 171-175 (2014).
  4. Gusnard, D. A., Raichle, M. E., Raichle, M. E. Searching for a baseline: functional imaging and the resting human brain. Nat Rev Neurosci. 2 (10), 685-694 (2001).
  5. Greicius, M. D., Krasnow, B., Reiss, A. L., Menon, V. Functional connectivity in the resting brain: a network analysis of the default mode hypothesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 100 (1), 253-258 (2003).
  6. Ries, M. L., et al. Task-dependent posterior cingulate activation in mild cognitive impairment. NeuroImage. 29 (2), 485-492 (2006).
  7. Braak, H., Braak, E. Neuropathological stageing of Alzheimer-related changes. Acta Neuropathol. 82 (4), 239-259 (1991).
  8. Liao, W., et al. Evaluating the effective connectivity of resting state networks using conditional Granger causality. Biol Cybern. 102 (1), 57-69 (2010).
  9. Miao, X., Wu, X., Li, R., Chen, K., Yao, L. Altered connectivity pattern of hubs in default-mode network with Alzheimer's disease: an Granger causality modeling approach. PloS one. 6 (10), e25546(2011).
  10. Yu, E., et al. Directed functional connectivity of posterior cingulate cortex and whole brain in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment. Curr Alzheimer Res. , (2016).
  11. Kaminski, M., Ding, M., Truccolo, W. A., Bressler, S. L. Evaluating causal relations in neural systems: granger causality, directed transfer function and statistical assessment of significance. Biol Cybern. 85 (2), 145-157 (2001).
  12. Zang, Z. X., Yan, C. G., Dong, Z. Y., Huang, J., Zang, Y. F. Granger causality analysis implementation on MATLAB: a graphic user interface toolkit for fMRI data processing. J Neurosci Methods. 203 (2), 418-426 (2012).
  13. Hedden, T., et al. Disruption of functional connectivity in clinically normal older adults harboring amyloid burden. J Neurosci. 29 (40), 12686-12694 (2009).
  14. Liao, W., et al. Small-world directed networks in the human brain: multivariate Granger causality analysis of resting-state fMRI. NeuroImage. 54 (4), 2683-2694 (2011).
  15. Liao, W., et al. Evaluating the effective connectivity of resting state networks using conditional Granger causality. Biol Cybern. 102 (1), 57-69 (2010).
  16. Zhang, H. Y., et al. Detection of PCC functional connectivity characteristics in resting-state fMRI in mild Alzheimer's disease. Behav Brain Res. 197 (1), 103-108 (2009).
  17. Deshpande, G., Hu, X., Stilla, R., Sathian, K. Effective connectivity during haptic perception: a study using Granger causality analysis of functional magnetic resonance imaging data. NeuroImage. 40 (4), 1807-1814 (2008).
  18. Bressler, S. L., Seth, A. K. Wiener-Granger causality: a well established methodology. NeuroImage. 58 (2), 323-329 (2011).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Functionele connectiviteitDefault Mode Networkposterior cingulate cortexfunctionele MRIgerichte connectiviteithersennetwerkanalysevoxel gewijze analyse

Gerelateerde artikelen