Denne oppgaven beskriver hvordan å implementere en psychophysiological samhandling analyse for å vise oppgave-avhengige endringer i funksjonelle tilkobling mellom valgte frø regionen og voxels i andre regioner av hjernen. Psychophysiological samhandling er en populær metode å undersøke aktiviteten effekter på hjernen tilkobling, skiller seg fra tradisjonelle univariate aktivisering effekter.
I neuroimaging måler funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) blod-oksygenering-nivå avhengige (fet) signalet i hjernen. Graden av korrelasjon av fet signalet i romlig uavhengig områder av hjernen definerer funksjonelle tilkobling av disse regionene. Under en kognitiv fMRI aktivitet, kan en psychophysiological interaksjon (PPT) analyse brukes til å undersøke endringer i funksjonelle tilkobling under spesifikke kontekster definert av kognitiv oppgaven. Et eksempel på en slik oppgave er en som engasjerer minnesystemet, deltagerne skal lære par relatert ord (koding) og husker den andre ord i et par når presentert med det første ordet (henting). I studien brukt vi denne typen assosiativ minne aktivitet og en generalisert PPI (gPPI) analyse sammenligne endringer i hippocampus tilkobling i eldre voksne som er bærere av Alzheimers sykdom (AD) genetisk risikofaktor apolipoprotein-E epsilon-4 ( APOEΕ4). Spesielt viser vi at funksjonelle tilkobling av delområder hippocampus endringene under koding og henting, to aktive faser av aktiviteten assosiativ minne. Kontekst-avhengige endringer i funksjonelle tilkobling av hippocampus var signifikant forskjellig i bærere av APOEε4 sammenlignet med ikke-bærere. PPI analyser gjør det mulig å undersøke endringer i funksjonelle tilkobling, forskjellig fra univariate viktigste effekter, og sammenligne disse endringene på tvers av grupper. Dermed kan en PPT-analyse avdekke komplisert oppgave effekter i bestemte kohorter som tradisjonelle univariate metoder ikke fange. PPI analyser kan imidlertid bestemme retningen eller årsakssammenheng mellom funksjonelt tilkoblet. Likevel gir PPI analyser viktig middel for å generere spesifikke hypoteser om funksjonelle forhold som kan testes med kausale modeller. Hjernen er stadig omtalt tilkobling og nettverk, er PPT en viktig metode for å analysere fMRI aktivitetsdata i tråd med gjeldende oppfatning av den menneskelige hjernen.
Begrepet “connectome” ble lansert i 2005 markerer et paradigmeskifte i nevrovitenskap som fortsetter i dag1. Hjernen er stadig beskrevet i form av funksjonelle nettverk, tilkobling og samhandling mellom og regioner i stor skala. Likevel avgrensning av regionale funksjonelle spesialisering og assosiasjoner mellom fMRI-målt aktivitet og oppgave krav er fortsatt gyldig og nyttig tilnærminger. I lys av den voksende interessen i connectomics vokser funksjonell tilkobling tilnærminger til aktivitet fMRI analyse i popularitet. En tilnærming til måle funksjonelle tilkobling endres avhengig av aktivitet krever gjør bruk av begrepet PPI. En PPT er en aktiv oppgave fase eller oppgaven etterspørsel («psycho») med funksjonell tilkobling (“physio») av et område av interesse eller”frø”i hjernen. PPI er forskjellig fra bivariate, korrelasjon-basert analyse av funksjonelle tilkobling, som generelt måler graden av sammenheng mellom aktiviteten i to områder uten begrensninger knyttet til oppgaven krav.
Konseptet og rammen av en PPT-analyse ble opprinnelig beskrevet av Friston og kolleger i 19972. Forfatterne hevdet at deres tilnærming var viktig fordi det ville tillate etterforskningen av å være mer funksjonelt spesifikk og tillate slutninger at aktiviteten i et distale frø kan være modulerende aktivitet skyldes en oppgave etterspørsel. I 2012, McLaren og kolleger lagt til denne original rammeverk og beskrevet en gPPI tilnærming der alle oppgave faser og deres samspill er inkludert i en enkelt modell3. Dette fører til resultater som er mer følsom og bestemt oppgave fase og samhandling etterforsket. Det er denne oppdaterte gPPI tilnærming som vi bruker i dag studere (se trinn 6.2.2 i protokollen). GPPI tilnærmingen har nå blitt sitert i over 200 studier. For klarhets heretter vi bruker ‘PPI’ å beskrive vanlige funksjonene i både standard og generalisert versjon. ‘gPPI’ brukes til å diskutere bestemte fremskritt forbundet med nyere rammen.
Det overordnede målet med en PPT analyse er å forstå hvordan kravene til en kognitiv aktivitet påvirker eller modulerer funksjonelle tilkobling av en frø-regionen. En PPT analyse krever en sterk en priori hypotese. Aktivitet i regionen frø må være modulated av oppgaven for at PPT tilnærmingen å arbeide effektivt4. For eksempel studien bygger vi våre seedet markering på sterke bevis at hippocampus aktivitet modulert av kognitiv kravene til en minne-aktivitet. Bruker PPT, kan regioner som er betydelig mer eller mindre funksjonelt koblet til hippocampus oppgaven faser identifiseres. Kort sagt, spørre vi, “i hvilke områder er aktiviteten mer korrelert med frø under sammenheng A mot planlagte?” Vi kan også be det logiske motsatt (som det er viktig å forstå forskjellen): “i hvilke områder er aktivitet mindre korrelert med frø under sammenheng A i forhold til grunnlinjen?” Når tolke gruppe forskjeller i PPI effekter, er det viktig å undersøke dataene og enten positiv eller negativ endring i funksjonelle tilkobling eller begge, driver gruppen forskjeller.
PPI tilnærmingen er brukt til å studere dynamisk oppgave kontroll huber i sunn kontroller, hvordan modulering av funksjonelle tilkobling er relatert til cognitive gjennomførelse i Alzheimers sykdom (AD), intelligens i personer med autisme, motor nettverkstilkobling i personer med Parkinsons sykdom, ansikt på personer med Dysmorfofobi og anoreksi, følelser regulering, minne og mange andre spørsmål knyttet til tilkobling5,6,7 ,8,9,10,11. Studien sammenligne vi endringer i funksjonelle tilkobling av delområder av hippocampus under minne koding og henting mellom en gruppe individer økt genetisk risiko for Annonsen til en gruppe uten risikofaktor12. Følgende beskriver protokollen som vi brukte, bruke gPPI tilnærming, som tillater oss å teste hvis oppgave-skapte endringer i funksjonelle tilkobling forskjellig i samarbeid med tilstedeværelse av APOEε4, en genetisk risikofaktor for Annonsen.
Oppgavebaserte fMRI studier ble utformet for å avdekke statistiske relasjoner mellom bestemte kognitive prosesser eller krav og endringer i fet signal i forhold til en opprinnelig plan måling. Denne tradisjonelle tilnærmingen er nyttig for å identifisere bestemte regioner i hjernen hvor aktivitet modulert med en eksperimentell oppgave. Derimot er en PPT analyse hovedsakelig opptatt modulering av funksjonelle tilkobling eller synkronisering av aktivitet, som en oppgave-indusert kognitive prosessen. PPI måler sammenhe…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av det nasjonale Institutt for aldring (bevilgning nummer R01AG013308 til SYB, F31AG047041 til TMH). Forfatterne brukte beregningsorientert og lagringstjenester knyttet Hoffman2 delt klyngen levert av UCLA Institute for Digital forskning og utdannings forskning Technology Group.
3T manetic resonance imaging scanner | Siemens Medical Solutions | MAGNETOM Trio, A Tim System | 3T MRI Scanner |
FSL (FMRIB Software Library) | Oxford University | Version 6.0 | Functional Imaging Processing Software |
AFNI (Analysis of Functional Neuroimaging) | National Institute of Mental Health, National Institutes of Health | Any version after May 2015 | Functional Imaging Processing Software |
SPM8 (Statistical Parametric Mapping) | University College of London | SPM8 | Functional Imaging Processing Software |
Matlab Software | The Mathworks, Inc | Version R2012a | Computing Software |
SDS Software | Applied Biosystems, Inc | 7900HT Fast Real-Time PCR System | Real Time PCR |
Taqman Assays | ThermoFisher Scientific | Specific to SNP | SNP Genotyping |