Modelagem da Rede Funcional para Navegação Espacial no Cérebro Humano

Resumo

Este artigo apresenta uma abordagem integrativa para investigar a rede funcional para navegação espacial no cérebro humano. Esta abordagem incorpora um banco de dados meta-analítico de neuroimagem em larga escala, ressonância magnética funcional de repouso e modelagem de redes e técnicas teóricas de grafos.

Resumo

A navegação espacial é uma função complexa que envolve a integração e manipulação de informações multissensoriais. Usando diferentes tarefas de navegação, muitos resultados promissores foram alcançados nas funções específicas de várias regiões cerebrais (por exemplo, hipocampo, córtex entorrinal e área do lugar para-hipocampal). Recentemente, tem sido sugerido que um processo de rede não agregado envolvendo múltiplas regiões cerebrais interagindo pode caracterizar melhor a base neural dessa função complexa. Este artigo apresenta uma abordagem integrativa para a construção e análise de redes funcionalmente específicas para navegação espacial no cérebro humano. Resumidamente, essa abordagem integrativa consiste em três etapas principais: 1) identificar regiões cerebrais importantes para a navegação espacial (definição de nós); 2) estimar a conectividade funcional entre cada par dessas regiões e construir a matriz de conectividade (construção de rede); 3) investigar as propriedades topológicas (por exemplo, modularidade e pequena mundanidade) da rede resultante (análise de rede). A abordagem apresentada, a partir de uma perspectiva de rede, poderia nos ajudar a entender melhor como nosso cérebro suporta navegação flexível em ambientes complexos e dinâmicos, e as propriedades topológicas reveladas da rede também podem fornecer biomarcadores importantes para orientar a identificação precoce e o diagnóstico da doença de Alzheimer na prática clínica.

Introdução

A especificidade funcional é um princípio organizacional fundamental do cérebro humano, que desempenha um papel crucial na formação das funções cognitivas¹. Anormalidades na organização da especificidade funcional podem refletir deficiências cognitivas marcantes e os fundamentos patológicos associados de grandes distúrbios cerebrais, como autismo e doença de Alzheimer ^2,3. Embora as teorias e pesquisas convencionais tendam a se concentrar em regiões cerebrais únicas, como a área da face fusiforme (FFA) para reconhecimento facial⁴ e a área do lugar do parahipocamp....

Protocolo

NOTA: Todo o software usado aqui é mostrado na Tabela de Materiais. Os dados utilizados neste estudo para fins de demonstração foram do Projeto Conectoma Humano (HCP: http://www. humanconnectome.org)¹⁵. Todos os procedimentos experimentais foram aprovados pelo Comitê de Ética em Pesquisa (CEP) da Universidade de Washington. Os dados de imagem no conjunto de dados do HCP foram adquiridos usando um scanner 3T modificado Siemens Skyra com uma bobina de cabeça de 32 canais. Outros parâmetros de aquisição de imagens estão detalhados em um trabalho anterior¹⁶. Dados mínimos pré-processados foram baixados para ....

Resultados

As redes de navegação
O presente estudo identificou 27 regiões cerebrais associadas à navegação espacial, incorporando o mais recente banco de dados de neuroimagem de meta-análise e o atlas AICHA. Essas regiões consistiram das regiões medial temporal e parietal que têm sido comumente relatadas em estudos de neuroimagem de navegação. A distribuição espacial dessas regiões é mostrada nas Figuras 5A e 5C. Como comparação, também.......

Discussão

Espera-se que a neurociência em rede ajude a entender como a rede cerebral suporta as funções cognitivas humanas³². Este protocolo demonstra uma abordagem integrativa para estudar a rede funcional para navegação espacial no cérebro humano, que também pode inspirar a modelagem de redes para outros construtos cognitivos (por exemplo, linguagem).

Essa abordagem consistiu em três etapas principais: definição de nós, construção de rede e análise de rede. Enquanto a construçã.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Caixa de ferramentas de conectividade cerebral (BCT)	Mikail Rubinov & Olaf Sporns	2019	A Caixa de Ferramentas de Conectividade Cerebral (brain-connectivity-toolbox.net) é uma caixa de ferramentas MATLAB para análise de rede complexa (gráfico) de conjuntos de dados de conectividade cerebral estrutural e funcional.
GRETNA	, Jinhui Wang et al.	2	GRETNA é uma caixa de ferramentas de análise de rede teórica de grafos que permite aos pesquisadores realizar análises abrangentes sobre a topologia do conectoma cerebral, integrando a maioria das medidas de rede estudadas no campo atual da neurociência.
MATLAB	MathWorks	2021a	MATLAB é uma plataforma de programação e computação numérica usada por milhões de engenheiros e cientistas para analisar dados, desenvolver algoritmos e criar modelos.
Python	Guido van Rossum et al.	3.8.6	Python é uma linguagem de programação que permite trabalhar mais rapidamente e integrar seus sistemas de forma mais eficaz.
Mapeamento Paramétrico Estatístico (SPM)	Karl Friston et.al	12	Mapeamento Paramétrico Estatístico refere-se à construção e avaliação de processos estatísticos espacialmente estendidos usados para testar hipóteses sobre dados de imagem funcional.