Summary
בהתבסס על מצב נח הדמיית תהודה מגנטית תפקודית עם ניתוח סיבתיות גריינג'ר, חקרנו את השינוי בקישוריות פונקציונלי מכוונת בין בקליפת cingulate האחורי ואת כל המוח בחולים עם מחלת אלצהיימר (AD), בחולים עם ליקוי קוגנטיבי מתון (MCI) ופקדים בריא.
Abstract
קישוריות מליקוי תפקודי ב רשת מצב ברירת המחדל (DMN) עשויים להיות מעורבים את ההתקדמות של מחלת אלצהיימר (AD). בקליפת Cingulate האחורי (PCC) הוא סמן ההדמיה פוטנציאליים לפיקוח ההתקדמות של המודעה. מחקרים קודמים לא התמקד קישוריות פונקציונלי בין צמתים באזורים בחוץ לעזאזל עם PCC, אבל המחקר שלנו הוא מאמץ כדי לחקור את הקשרים פונקציונלי תסולא בפז. עבור איסוף נתונים, השתמשנו דימות תהודה מגנטי תפקודי (fMRI), ניתוח סיבתיות גריינג'ר (GCA). fMRI מספק שיטה לא פולשנית ללמוד את האינטראקציות דינמי בין אזורי מוח שונים. GCA הוא מבחן השערות לקביעת אם סדרת חד פעמי הוא שימושי חיזוי נוסף. במילים פשוטות, זה נאמד על ידי השוואת מוכרות כל מידע על רגע האחרון, התפלגות ההסתברות של X בזמן הזה", מוכרות כל מידע על רגע האחרון למעט Y, התפלגות ההסתברות של X בזמן הזה", כדי לקבוע אם קיים קשר סיבתי בין Y ל- X. הגדרה זו מבוססת על מידע מלא המקור, נייח רצף כרונולוגי. השלב העיקרי של ניתוח זה הוא להשתמש X ו- Y כדי לבסס את נוסחת הרגרסיה וצייר קשר סיבתי על ידי מבחן היפותטי. מאז GCA יכול למדוד תופעות סיבתי, השתמשנו בו כדי לחקור את. בנוגע למקורו של קישוריות פונקציונלי ולחקור את תפקוד רכזת PCC. . הנה, הוקרנו המשתתפים 116 עבור סריקות MRI, לאחר preprocessing את הנתונים המתקבלים דימות מוחי, השתמשנו GCA להפיק את הקשר הסיבתי של כל צומת. לבסוף, הגענו למסקנה כי החיבור מכוונת הוא שונה באופן מהותי בין הקבוצות ליקוי קוגנטיבי מתון (MCI) ו- AD, מן PCC למוח שלם ומן למוח PCC שלם.
Introduction
המודעה היא מחלה ניוונית של מערכת העצבים המרכזית אשר ניתן לאבחן באמצעות histopathology, אלקטרופיזיולוגיה, דימות מוחי1. לעזאזל עם הקשורות לזיכרון היא מערכת חיוני של האזורים במוח שמעצבת הקשורים לספירה, תפקידה לא תקין הוא מאפיין של המודעה2,3. PCC אזור חשוב של הרשת מסורתי המוגדר כברירת מחדל במצב מנוחה, משחק תפקיד מרכזי זיכרון אפיזודי, בקשב המרחבי, הערכה עצמית, אחרים תפקודים קוגניטיביים4,5,6,7. בנוסף, ייתכן סמן ההדמיה למעקב אחר התקדמות לספירה. . Liao et al. , בעזרת GCA, נמצא כי PCC, אזור cytoarchitectonics מרובים עם חיבורים מרובים, ממלא תפקיד חשוב ב- מבנה מוח תפקודי8. Zhong. ואח דיווחו כי PCC מרכז התכנסות שקיבלו אינטראקציות מרוב של אזורים אחרים בתוך לעזאזל עם3. יתר על כן, מיאו. et al. הוכיח כי לעזאזל עם רכזת אזורים, PCC יש הקשר הסיבתי אפקט הכי טוב עם צמתים אחרים9. ביחד, כל הראיות עולה כי החיבור בבימויו של PCC יקר במחקר לספירה PCC צריך להיות רחוק חקר מעמיק כמו אזור חיוני לעזאזל.
המחקרים הקודמים הוגבלו למקום הקישוריות בין PCC ואזורים אחרים בתוך DMN; עם זאת, השינויים מכוונת פונקציונלי קישוריות בין האזורים PCC והמוח בחוץ את DMN, כמו גם והשפעתם על המודעה טרם אושרו בחנו10. המחקר שלנו חקר נוסף זה קישוריות פונקציונלי נחקרו ב מנגנון בריא נורמלי, חולים עם MCI, וחולים עם AD. על ידי התבוננות מכוונת קישוריות בין כל המוח אזורים PCC, אנחנו נועדו להבהיר את השינויים פונקציונליים במוח הקשורים לספירה התקדמות, ובכך ליצור בסיס הרומן אובייקטיבית להערכת חומרת המחלה.
קישוריות פונקציונלי מתייחס אינטראקציה interregional זה יכול להיות מיוצג על-ידי תנודות בתדר נמוך סינכרונית (LFFs) בתוך האות מוחי fMRI דם חמצן ברמה התלויים (מודגש). לכן, על מנת להתבונן קישוריות פונקציונלי בין PCC באזורים אחרים במוח, ניתחנו את קישוריות פונקציונלי בין PCC הרשת כל המוח באמצעות fMRI בעזרת GCA, PCC כמו האזור של הריבית (ROI). טכניקה זו נובע ישירות את הקשר הבסיסי של כל צומת שימוש בנתונים המתקבלים דימות מוחי11. לאחרונה הוחל GCA העוויתיים (EEG), מחקרי fMRI כדי לחשוף את ההשפעות סיבתי בין אזורי המוח12. כל המחקרים הללו ציינו כי הטכניקה GCA עשוי להיות אופטימלית עבור גילוי הקשר הסיבתי של כל צומת במוח.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
דו ח זה מציג תהליך להשוואת את מכוונת פונקציונלי קישוריות מן PCC את כל המוח וממנה את כל המוח PCC בין לספירה, MCI קבוצות שליטה. יתר על כן, צעד. מפתח בתהליך זה הוא סיווג הקרנת מדגם לפני הניסוי. לפיכך, את הסיווג וסינון קריטריונים הן חיוניות, משום יכולים להיות מושפעים הדיוק של התוצאות אם הם מוטעים. כמפורט בפרוטוקול, השתמשנו קריטריונים לאבחון של NINCDS-ADRDA 2011 MMSE ואת הקריטריונים עבור הזיהוי והסיווג של MCI; הקריטריונים הסינון שלנו נקראים גם בפרוטוקול לעיל. אנחנו לא נכלל מטופלים אשר היו לא מתאימים לכל אורך המשפט, ואז, מסווג במדויק את החולים הנותרים, וזה היסוד לניסויים הבאים. ניתוח ביקורתי GCA נובע קישוריות פונקציונלי מכוונת PCC את כל המוח וממנה את כל המוח כדי PCC בין המודעה, MCI, ועל קבוצות שליטה באמצעות הנתונים המתקבלים דימות מוחי. הצגנו את הפרטים של הניתוח GCA פרוטוקול זה. טכנולוגיה זו מצאו הבדלים משמעותיים בין הקבוצות בקישוריות מכוונת ולאחר שהסברנו היטב המתאם בין שינויים פונקציונליים והתקדמות לספירה.
בניתוח שלנו נתונים של מחקר זה, אירעה הבדלים בין אנשים (לא כולל גיל, מגדר, רמות השכלה, שכן אלה דומים בין 3 הקבוצות, מכאן, זה קשה לעשות הערכה אובייקטיבית של המסקנות). כדי לפתור בעיה זו, אנחנו מנתחים את הנתונים של הקבוצות, ולא את הנתונים האישיים. כמו הממוצע ו- SD, ואת המשתנים רציפה כמו מספרים ואחוזים, באמצעות מבחן מתפלג מיוצגים המשתנים בכל קבוצה. דרך הערכה כמותית, אנו יכולים להעריך קישוריות מכוונת בין PCC באזור המוח כולו באופן אובייקטיבי להבהיר את השינויים פונקציונלי הקשורים עם ההתקדמות של המודעה במוח.
למרות מתאם ליניארי, ניתוח רכיבים עצמאיים (ICA) היה בשימוש נרחב של חיבוריות פונקציונלי, תוצאות אלו יש directivity אין. יכול להיות מנוצל GCA לא רק כדי למדוד את ההשפעות סיבתי של סדרות זמן fMRI, אלא גם כדי להציג את הדינמיקה ואת הכיוון של האות מודגש המתקבל rs-fMRI14,15.
ניתחנו את קישוריות מכוונת בין PCC לבין הרשת כל המוח בעזרת GCA PCC וגם רועי ההבדלים שנמצאו מכוונת קישוריות בין המודעה, MCI, ולשלוט קבוצות. לפיכך, הגענו למסקנה כי PCC, בתור רכזת חשובה של האזור במוח לעזאזל עם, יש השפעה משמעותית על התקדמות לספירה. PCC עשוי לא רק להראות ליקויים במידע המקבל אלא גם להראות ליקויים בהעברת המידע. בנוסף, מחקר זה מראה כי העברת מידע בכל האזורים במוח עם חיבורים נורמלית היא כיוונית, למעט בודדים צמתים (השמאלי האמצעי הפיתול חזיתית, precuneus השמאלי), מאז העיוותים באזורים האלה במוח הם חד צדדיים. ממצא מעניין נוסף של מחקר זה הוא חריגות אלה חיבור נראה להתרחש בעיקר באונה השמאלית. ייתכן כי הכדור דומיננטי (האונה השמאלית) היא חשופה יותר לפגיעה מאשר האונה הימנית, המוביל ירידה מטבולית בתחילת ניוון16.
עם זאת, ישנן כמה מגבלות במחקר שלנו. לטכנולוגיה GCA, כאשר קצב הדגימה מגיע 2 s, עיכובים בגרימת שונים הן קשה להשיג באופן מדויק17, הדינמיקה איטי של והנועז אות ב 2 s יכול לגרום הפסד18כמה מהירה קשר סיבתי. כתוצאה מכך, מגבלה זו יכול להוביל הסטייה של הנתונים ניסיוני. מאז גודל המדגם המבחן לא היה מספיק גדול מספיק, דוגמאות נוספות הם חיוניים כדי לאמת את התוצאות.
כיום, מספר מחקרים השתמשו בטכניקות GCA כמנבאים כדי לתאר את קשרי הגומלין סיבתי בין אזורים במוח מרובים. בתיאוריה, הוא GCA רב משתנית טכניקת שיפור זה יכול לחשוף את המורכבות של קישוריות כיוונית במוח; עם זאת, יש אתגרים טכניים יותר מאשר bivariate GCA כמו עיכוב והמודינמיקה משתנה עם אזור12. המטרה בעתיד שלנו היא דרגת רב משתנית GCA ולהחלתו למחקר כדי להמחיש טוב יותר מורכבים קישוריות כיוונית של המוח.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים מצהירים כי אין הם לכל אינטרסים כלכליים מתחרים.
Acknowledgments
המחברים מודים Gongjun ג'י על תמיכה בתוכנה במחשב. מחקר זה מומן בחלקו על ידי נבחרת מדעי הטבע קרן של סין (מס 81201156, 81271517); ג'ה-ג'יאנג מחוזי מדעי הטבע קרן של סין (לא. LY16H180007, LY13H180016, 2013C33G1360236), ושל קרן המדע של הנציבות בריאות של בפרובינצית ג'ה-ג'יאנג (מס 2013RCA001, 201522257).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 116 patients | Zhejiang Provincial People’s hospital | - | This study was approved by the ethics committee of Zhejiang Provincial People’s hospital. Every enrolled subject signed a written informed consent form. |
| Siemens Trio 3.0 T MRI scanner | Siemens, Erlangen, Germany | 20571 | Equipped with AudioComfort that reduces acoustic noise up to 90%; Provides high performance at a low noise level; Ultra light-weight coil; Unique MRI sequence design; Supports up to 400 pounds without restrictions. |
| RESTplus | Hangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, China | 20160122 | RESTplus evolved from REST (Resting-State fMRI Data Analysis Toolkit), a convenient toolkit to calculate Functional Connectivity (FC), Regional Homogeneity(ReHo), Amplitude of Low-Frequency Fluctuation (ALFF), Fractional ALFF (fALFF), Gragner causality, degree centrality, voxel-mirrored homotopic connectivity (VMHC) and perform statistical analysis. |
| DPARSF | Hangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, China | 130615 | Data Processing Assistant for Resting-State fMRI (DPARSF) is a convenient plug-in software within DPABI, which is based on SPM. You just need to arrange your DICOM files, and click a few buttons to set parameters, DPARSF will then give all the preprocessed data, functional connectivity, ReHo, ALFF/fALFF, degree centrality, voxel-mirrored homotopic connectivity (VMHC) results. |
| SPSS | SPSS Inc., Chicago, IL, USA | - | SPSS offers detailed analysis options to look deeper into your data and spot trends that you might not have noticed. |
References
- Delbeuck, X., Van der Linden, M., Collette, F. Alzheimer's disease as a disconnection syndrome? Neuropsychol Rev. 13 (2), 79-92 (2003).
- Wang, K., et al. Altered functional connectivity in early Alzheimer's disease: a resting-state fMRI study. Hum Brain Mapp. 28 (10), 967-978 (2007).
- Zhong, Y., et al. Altered effective connectivity patterns of the default mode network in Alzheimer's disease: an fMRI study. Neurosci Lett. 578, 171-175 (2014).
- Gusnard, D. A., Raichle, M. E., Raichle, M. E. Searching for a baseline: functional imaging and the resting human brain. Nat Rev Neurosci. 2 (10), 685-694 (2001).
- Greicius, M. D., Krasnow, B., Reiss, A. L., Menon, V. Functional connectivity in the resting brain: a network analysis of the default mode hypothesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 100 (1), 253-258 (2003).
- Ries, M. L., et al. Task-dependent posterior cingulate activation in mild cognitive impairment. NeuroImage. 29 (2), 485-492 (2006).
- Braak, H., Braak, E. Neuropathological stageing of Alzheimer-related changes. Acta Neuropathol. 82 (4), 239-259 (1991).
- Liao, W., et al. Evaluating the effective connectivity of resting state networks using conditional Granger causality. Biol Cybern. 102 (1), 57-69 (2010).
- Miao, X., Wu, X., Li, R., Chen, K., Yao, L. Altered connectivity pattern of hubs in default-mode network with Alzheimer's disease: an Granger causality modeling approach. PloS one. 6 (10), e25546 (2011).
- Yu, E., et al. Directed functional connectivity of posterior cingulate cortex and whole brain in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment. Curr Alzheimer Res. , (2016).
- Kaminski, M., Ding, M., Truccolo, W. A., Bressler, S. L. Evaluating causal relations in neural systems: granger causality, directed transfer function and statistical assessment of significance. Biol Cybern. 85 (2), 145-157 (2001).
- Zang, Z. X., Yan, C. G., Dong, Z. Y., Huang, J., Zang, Y. F. Granger causality analysis implementation on MATLAB: a graphic user interface toolkit for fMRI data processing. J Neurosci Methods. 203 (2), 418-426 (2012).
- Hedden, T., et al. Disruption of functional connectivity in clinically normal older adults harboring amyloid burden. J Neurosci. 29 (40), 12686-12694 (2009).
- Liao, W., et al. Small-world directed networks in the human brain: multivariate Granger causality analysis of resting-state fMRI. NeuroImage. 54 (4), 2683-2694 (2011).
- Liao, W., et al. Evaluating the effective connectivity of resting state networks using conditional Granger causality. Biol Cybern. 102 (1), 57-69 (2010).
- Zhang, H. Y., et al. Detection of PCC functional connectivity characteristics in resting-state fMRI in mild Alzheimer's disease. Behav Brain Res. 197 (1), 103-108 (2009).
- Deshpande, G., Hu, X., Stilla, R., Sathian, K. Effective connectivity during haptic perception: a study using Granger causality analysis of functional magnetic resonance imaging data. NeuroImage. 40 (4), 1807-1814 (2008).
- Bressler, S. L., Seth, A. K. Wiener-Granger causality: a well established methodology. NeuroImage. 58 (2), 323-329 (2011).
