Method Article

Modelowanie sieci funkcjonalnej do nawigacji przestrzennej w ludzkim mózgu

DOI:

10.3791/65150

⸱

October 13th, 2023

 ,  ,  , 
1Department of Psychology and Behavioral Sciences, Zhejiang University, 2Department of Neuroscience, Max Planck Institute for Empirical Aesthetics, 3Department of Psychiatry of Sir Run Run Shaw Hospital, Zhejiang University School of Medicine

In This Article

Summary

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

Ten artykuł przedstawia integracyjne podejście do badania funkcjonalnej sieci do nawigacji przestrzennej w ludzkim mózgu. Podejście to obejmuje wielkoskalową metaanalityczną bazę danych neuroobrazowania, funkcjonalne obrazowanie rezonansu magnetycznego w stanie spoczynku oraz techniki modelowania sieci i teorii grafów.

Abstract

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

Nawigacja przestrzenna to złożona funkcja polegająca na integracji i manipulacji informacjami multisensorycznymi. Korzystając z różnych zadań nawigacyjnych, uzyskano wiele obiecujących wyników dotyczących specyficznych funkcji różnych regionów mózgu (np. hipokampa, kory śródwęchowej i obszaru przyhipokampa). Ostatnio zasugerowano, że niezagregowany proces sieciowy obejmujący wiele oddziałujących na siebie regionów mózgu może lepiej scharakteryzować neuronalne podstawy tej złożonej funkcji. W artykule przedstawiono integracyjne podejście do konstruowania i analizowania funkcjonalnie specyficznej sieci nawigacji przestrzennej w ludzkim mózgu. Krótko mówiąc, to integracyjne podejście składa się z trzech głównych kroków: 1) identyfikacji obszarów mózgu ważnych dla nawigacji przestrzennej (definicja węzłów); 2) oszacowanie funkcjonalnej łączności między każdą parą tych regionów i skonstruowanie macierzy połączeń (budowa sieci); 3) zbadanie właściwości topologicznych (np. modułowości i małej światowości) wynikowej sieci (analiza sieci). Zaprezentowane podejście, z perspektywy sieci, może pomóc nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób nasz mózg wspiera elastyczną nawigację w złożonych i dynamicznych środowiskach, a ujawnione właściwości topologiczne sieci mogą również dostarczyć ważnych biomarkerów do kierowania wczesną identyfikacją i diagnozą choroby Alzheimera w praktyce klinicznej.

Introduction

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

Funkcjonalna specyficzność to podstawowa zasada organizacji ludzkiego mózgu, która odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu funkcji poznawczych1. Nieprawidłowości w organizacji swoistości funkcjonalnej mogą odzwierciedlać charakterystyczne upośledzenia poznawcze i związane z nimi patologiczne podstawy głównych zaburzeń mózgu, takich jak autyzm i choroba Alzheimera2,3. Podczas gdy konwencjonalne teorie i badania koncentrują się na pojedynczych obszarach mózgu, takich jak wrzecionowaty obszar twarzy (FFA) do rozpoznawania twarzy4 i obszar miejsca parahipokampa (PPA)

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

UWAGA: Całe oprogramowanie używane tutaj jest pokazane w Tabeli Materiałów. Dane wykorzystane w tym badaniu do celów demonstracyjnych pochodziły z Human Connectome Project (HCP: http://www. humanconnectome.org)15. Wszystkie procedury eksperymentalne zostały zatwierdzone przez Institutional Review Board (IRB) na Uniwersytecie Waszyngtońskim. Dane obrazowe w zbiorze danych HCP zostały pozyskane za pomocą zmodyfikowanego skanera 3T Siemens Skyra z 32-kanałową cewką głowicy. Inne parametry akwizycji obrazu są szczegółowo opisane we wcześniejszym artykule16. Na potrzeby demonstracji pobrano minimalną ilość ws....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Sieci nawigacyjne
W niniejszym badaniu zidentyfikowano 27 regionów mózgu, które są związane z nawigacją przestrzenną, poprzez włączenie najnowszej bazy danych neuroobrazowania metaanalizy i atlasu AICHA. Regiony te składały się z obszarów przyśrodkowych, skroniowych i ciemieniowych, które były często zgłaszane w badaniach neuroobrazowania nawigacyjnego. Rozkład przestrzenny tych regionów jest pokazany w Rysunek 5A i Rysunek 5C.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Oczekuje się, że neuronauka sieciowa pomoże w zrozumieniu, w jaki sposób sieć mózgowa wspiera funkcje poznawcze człowieka32. Protokół ten demonstruje integracyjne podejście do badania funkcjonalnej sieci do nawigacji przestrzennej w ludzkim mózgu, co może również zainspirować modelowanie sieci dla innych konstruktów poznawczych (np. języka).

Podejście to składało się z trzech głównych kroków: definicji węzła, budowy sieci i analizy sieci. Podczas gdy budowa sieci i anal.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Autorzy oświadczają, że nie występuje konflikt interesów.

Acknowledgements

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

Xiang-Zhen Kong był wspierany przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (32171031), STI 2030 - Major Project (2021ZD0200409), Fundusze Badań Podstawowych dla Uniwersytetów Centralnych (2021XZZX006) oraz Centrum Technologii Informacyjnych Uniwersytetu Zhejiang.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Zestaw narzędzi do łączności mózgu (BCT)Mikail Rubinov & Olaf Sporns 2019The Brain Connectivity Toolbox (brain-connectivity-toolbox.net) to zestaw narzędzi MATLAB do analizy sieci złożonych (grafów) strukturalnych i funkcjonalnych zestawów danych dotyczących połączeń mózgowych. 
GRETNAJinhui Wang i wsp.2GRETNA to zestaw narzędzi do teoretycznej analizy sieci grafowej, który umożliwia naukowcom przeprowadzanie kompleksowej analizy topologii konektomu mózgu poprzez integrację większości miar sieciowych badanych w obecnej dziedzinie neuronauki.
MATLABMathWorks2021aMATLAB to platforma programistyczna i obliczeniowa używana przez miliony inżynierów i naukowców do analizy danych, opracowywania algorytmów i tworzenia modeli.
PythonGuido van Rossum i wsp.3.8.6Python to język programowania, który pozwala na szybszą pracę i bardziej efektywną integrację systemów.
Statystyczne mapowanie parametryczne (SPM)Karl Friston i wsp.al 12Statystyczne mapowanie parametryczne  Odnosi się do konstruowania i oceny przestrzennie rozszerzonych procesów statystycznych wykorzystywanych do testowania hipotez dotyczących funkcjonalnych danych obrazowych.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kanwisher, N. Functional specificity in the human brain: a window into the functional architecture of the mind. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (25), 11163-11170 (2010).
  2. Coughlan, G., Laczo, J., Hort, J., Minihane, A. M., Hornberger, M.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Spatial NavigationFunctional Brain NetworkNetwork AnalysisFMRI DataBrain ConnectivityGraph TheoryHippocampus FunctionSmall WorldnessClustering CoefficientAlzheimer s Biomarkers

Related Articles