Моделирование функциональной сети пространственной навигации в мозге человека

Summary

В данной работе представлен интегративный подход к исследованию функциональной сети пространственной навигации в мозге человека. Этот подход включает в себя крупномасштабную метааналитическую базу данных нейровизуализации, функциональную магнитно-резонансную томографию в состоянии покоя, а также методы моделирования сетей и теории графов.

Abstract

Пространственная навигация – это сложная функция, связанная с интеграцией и манипулированием мультисенсорной информацией. Используя различные навигационные задачи, было получено много многообещающих результатов по специфическим функциям различных областей мозга (например, гиппокампа, энторинальной коры и области парагиппокампа). Недавно было высказано предположение, что несовокупный сетевой процесс, включающий несколько взаимодействующих областей мозга, может лучше охарактеризовать нейронную основу этой сложной функции. В данной работе представлен интегративный подход к построению и анализу функционально-специфической сети пространственной навигации в мозге человека. Вкратце, этот интегративный подход состоит из трех основных этапов: 1) идентификация областей мозга, важных для пространственной навигации (определение узлов); 2) оценить функциональную связность между каждой парой этих регионов и построить матрицу связности (построение сети); 3) исследовать топологические свойства (например, модульность и малую мировость) результирующей сети (сетевой анализ). Представленный подход, с точки зрения сети, может помочь нам лучше понять, как наш мозг поддерживает гибкую навигацию в сложных и динамичных средах, а выявленные топологические свойства сети также могут предоставить важные биомаркеры для руководства ранним выявлением и диагностикой болезни Альцгеймера в клинической практике.

Introduction

Функциональная специфичность является основополагающим принципом организации человеческого мозга, который играет важнейшую роль в формировании когнитивных^{функций1}. Аномалии в организации функциональной специфичности могут отражать характерные когнитивные нарушения и связанные с ними патологические основы основных заболеваний головного мозга, таких как аутизм и болезнь Альцгеймера ^2,3. В то время как традиционные теории и исследования, как правило, сосредотачиваются на отдельных областях мозга, таких как веретенообразная область лица (FFA)^{для распознавания} лиц 4 и....

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Все программное обеспечение, используемое здесь, показано в таблице материалов. Данные, использованные в этом исследовании в демонстрационных целях, были взяты из проекта Human Connectome Project (HCP: http://www. humanconnectome.org)¹⁵. Все экспериментальные процедуры были одобрены Институциональным наблюдательным советом (IRB) при Вашингтонском университете. Данные визуализации в наборе данных HCP были получены с помощью модифицированного 3T сканера Siemens Skyra с 32-канальной головной катушкой. Другие параметры получения изображений подробно описаны в более ранней статье¹⁶. Для демонстрац....

Results

Навигационные сети
В настоящем исследовании были идентифицированы 27 областей мозга, которые связаны с пространственной навигацией, с использованием новейшей метааналитической базы данных нейровизуализации и атласа AICHA. Эти области состояли из медиальной, височной и теменной областей, о которых обычно сообщалось в навигационных нейровизуализационных исследованиях. Пространственное распределение этих областей показано на рисунках 5А и 5С

Discussion

Ожидается, что сетевая нейробиология поможет понять, как сеть мозга поддерживает когнитивные^{функции человека}. Этот протокол демонстрирует интегративный подход к изучению функциональной сети пространственной навигации в человеческом мозге, который также может вдохновить на сетевое моделирование для других когнитивных конструктов (например, языка).

Этот подход состоял из трех основных этапов: определение узла, построение сети и сетевой анализ. Несмотря на то, что построен.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Набор инструментов для подключения мозга (BCT)	Михаил Рубинов & Олаф Спорнс	2019	The Brain Connectivity Toolbox (brain-connectivity-toolbox.net) — это набор инструментов MATLAB для сложносетевого (графового) анализа структурных и функциональных наборов данных о связях мозга.
GRETNA	Jinhui Wang et al.	2	GRETNA — это набор инструментов теоретического сетевого анализа графов, который позволяет исследователям проводить всесторонний анализ топологии коннектома мозга, интегрируя большинство сетевых показателей, изучаемых в современной области нейробиологии.
MATLAB	MathWorks	2021a	MATLAB — это платформа для программирования и численных вычислений, используемая миллионами инженеров и ученых для анализа данных, разработки алгоритмов и создания моделей.
Python	Guido van Rossum et al.	3.8.6	Python - это язык программирования, который позволяет вам работать быстрее и более эффективно интегрировать ваши системы.
Статистическое параметрическое картирование (СЗМ)	Карл Фристон и др.	12	Статистическое параметрическое картирование  относится к построению и оценке пространственно протяженных статистических процессов, используемых для проверки гипотез о данных функциональной визуализации.