Modellering van het functionele netwerk voor ruimtelijke navigatie in het menselijk brein

Summary

Dit artikel presenteert een integratieve benadering voor het onderzoeken van het functionele netwerk voor ruimtelijke navigatie in het menselijk brein. Deze aanpak omvat een grootschalige neuroimaging-meta-analytische database, functionele magnetische resonantiebeeldvorming in rusttoestand en netwerkmodellering en grafisch-theoretische technieken.

Abstract

Ruimtelijke navigatie is een complexe functie waarbij multisensorische informatie wordt geïntegreerd en gemanipuleerd. Met behulp van verschillende navigatietaken zijn veel veelbelovende resultaten bereikt op de specifieke functies van verschillende hersengebieden (bijv. hippocampus, entorhinale cortex en parahippocampus). Onlangs is gesuggereerd dat een niet-geaggregeerd netwerkproces waarbij meerdere op elkaar inwerkende hersengebieden betrokken zijn, de neurale basis van deze complexe functie beter kan karakteriseren. Dit artikel presenteert een integratieve benadering voor het construeren en analyseren van het functioneel specifieke netwerk voor ruimtelijke navigatie in het menselijk brein. In het kort bestaat deze integratieve benadering uit drie belangrijke stappen: 1) het identificeren van hersengebieden die belangrijk zijn voor ruimtelijke navigatie (knooppuntendefinitie); 2) het schatten van de functionele connectiviteit tussen elk paar van deze regio's en het construeren van de connectiviteitsmatrix (netwerkconstructie); 3) het onderzoeken van de topologische eigenschappen (bijv. modulariteit en kleinwereldigheid) van het resulterende netwerk (netwerkanalyse). De gepresenteerde benadering, vanuit een netwerkperspectief, zou ons kunnen helpen beter te begrijpen hoe onze hersenen flexibele navigatie ondersteunen in complexe en dynamische omgevingen, en de onthulde topologische eigenschappen van het netwerk kunnen ook belangrijke biomarkers bieden voor het begeleiden van vroege identificatie en diagnose van de ziekte van Alzheimer in de klinische praktijk.

Introduction

Functionele specificiteit is een fundamenteel organisatieprincipe van het menselijk brein, dat een cruciale rol speelt bij het vormgeven van cognitieve functies^. Afwijkingen in de organisatie van functionele specificiteit kunnen een weerspiegeling zijn van kenmerkende cognitieve stoornissen en de bijbehorende pathologische grondslagen van ernstige hersenaandoeningen zoals autisme en de ziekte van Alzheimer ^2,3. Terwijl conventionele theorieën en onderzoek de neiging hebben zich te concentreren op afzonderlijke hersengebieden, zoals het fusiforme gezichtsgebied (FFA) voor gezichtsherkenn....

Protocol

NOTITIE: Alle software die hier wordt gebruikt, wordt weergegeven in de materiaaltabel. De gegevens die in deze studie voor demonstratiedoeleinden werden gebruikt, waren afkomstig van het Human Connectome Project (HCP: http://www. humanconnectome.org)¹⁵. Alle experimentele procedures werden goedgekeurd door de Institutional Review Board (IRB) van de Washington University. Beeldvormingsgegevens in de HCP-dataset werden verkregen met behulp van een gemodificeerde 3T Siemens Skyra-scanner met een 32-kanaals kopspoel. Andere parameters voor beeldacquisitie worden gedetailleerd beschreven in een eerder artikel¹⁶

Results

De navigatienetwerken
De huidige studie identificeerde 27 hersenregio's, die geassocieerd zijn met ruimtelijke navigatie, door de nieuwste meta-analyse neuroimaging-database en de AICHA-atlas op te nemen. Deze regio's bestonden uit de mediale temporale en de pariëtale regio's die vaak zijn gerapporteerd in neuroimaging-navigatiestudies. De ruimtelijke spreiding van deze regio's is weergegeven in figuur 5A en figuur 5C. Ter ve.......

Discussion

Netwerkneurowetenschap zal naar verwachting helpen begrijpen hoe het hersennetwerk menselijke cognitieve functies ondersteunt³². Dit protocol demonstreert een integratieve benadering voor het bestuderen van het functionele netwerk voor ruimtelijke navigatie in het menselijk brein, wat ook kan inspireren tot netwerkmodellering voor andere cognitieve constructen (bijv. taal).

Deze aanpak bestond uit drie hoofdstappen: knooppuntdefinitie, netwerkconstructie en netwerkanaly.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Brain connectivity toolbox (BCT)	Mikail Rubinov & Olaf Sporns	2019	The Brain Connectivity Toolbox (brain-connectivity-toolbox.net) is a MATLAB toolbox for complex-network (graph) analysis of structural and functional brain-connectivity data sets.
GRETNA	Jinhui Wang et al.	2	GRETNA is a graph theoretical network analysis toolbox which allows researchers to perform comprehensive analysis on the topology of brain connectome by integrating the most of network measures studied in current neuroscience field.
MATLAB	MathWorks	2021a	MATLAB is a programming and numeric computing platform used by millions of engineers and scientists to analyze data, develop algorithms, and create models.
Python	Guido van Rossum et al.	3.8.6	Python is a programming language that lets you work more quickly and integrate your systems more effectively.
Statistical Parametric Mapping (SPM)	Karl Friston et.al	12	Statistical Parametric Mapping refers to the construction and assessment of spatially extended statistical processes used to test hypotheses about functional imaging data.