מטרת הגישה המתוארת היא כדי לקבוע איזה רגעים של הפרדיגמה (פרספקטיבה טמפורלית), ובין האזורים (פרספקטיבה מרחבית), reconfigurations משמעותית בקישוריות פונקציונלי מתרחשות על הדמיית תהודה מגנטית תפקודית הקלטות שבמהלכו גירוי נעול זמן הוא שיחק.
הפוטנציאל הגדול של דובים מבוססי-משימה הדמיית תהודה מגנטית תפקודית כדי להבין איך המוח שלנו מגיב לסוגים שונים של גירוי; עם זאת, זו מושגת לעתים קרובות בלי לקחת בחשבון היבט דינמי של עיבוד פונקציונלי, תפוקות אנליטי בדרך כלל בחשבון השפעות הממוזג של תופעות מונחה משימה ותנודות ספונטנית כבסיס לפעילות המוח. כאן, אנו מציגים את צינור מתודולוגי חדשניים שיכולים ללכת מעבר מגבלות אלה: השימוש של ערכת אנליטי בחלון הזזה מאפשרת מעקב אחר שינויים פונקציונליים לאורך זמן, ויכול דרך קרוס-נושא מדידות correlational, הגישה לבודד תופעות הקשורות גירוי גרידא. בזכות תהליך קביעת סף קפדניים, שינויים משמעותיים מתאם פונקציונלי בין-הנושא יכול להיות חילוץ וניתח.
על קבוצת הנבדקים בריא שעברו גירוי אורקולי נטורליסטי, נדגים את התועלת של הגישה על ידי קשירת reconfigurations תפקודית הפרומים כדי רמזים מסוים של הסרט. אנו מראים כיצד, דרך השיטה שלנו, אחד יכול ללכוד גם פרופיל זמני של פעילות מוחית (האבולוציה של חיבור נתון) או להתמקד תמונת המרחבי בנקודת הזמן מפתח. אנחנו מספקים גרסה זמין לציבור של הצינור כולו, לתאר את השימוש ואת השפעת פרמטרים מרכזיים שלה צעד אחר צעד.
הדמיית תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) הפכה להיות הכלי לבחירה לא פולשני אחר השינויים בפעילות מוחית הנובע גירויים חיצוניים. ליתר דיוק, מעניינים התפתחה על ההבנה ההדדית סטטיסטי בין קורסים זמן ההפעלה האזורי, המכונה קישוריות פונקציונלי (FC)1 , מחושב בדרך כלל בתור המתאם של פירסון מקדם. Interplays תפקודית על פני המוח בהרחבה הוכחו מחדש כפונקציה של כבסיס לפעילות2,3,4.
שני כיוונים אנליטי בנפרד הקפדת ללכת מעבר האפיון המקדים הזה: מצד אחד, התגובה המושרה באזור המוח נתון על ידי גירוי נעול זמן נצפתה לתאם בחריפות על פני נושאים ברורים5 . לכימות הזו בין נושא קורלציה (ISC) הראה פוטנציאל כדי לחדד את ההבנה שלנו של קוגניציה6,7,8,9 ומוח הפרעות10,11 . גישה correlational זו, נושא צלב היה גם להרחיב את ההערכה של חוצה אזורי מתכונת12, שנודע בתור גישה המתאם בין הנושא פונקציונלי (ISFC)13.
מצד שני, טעמו דינמי של FC reconfigurations התחיל לקבל תשומת לב מוגברת (ראו האצ’יסון ואח14, Preti, בולטון, ואן דה – ויל15, גונזלס-קסטילו ועוד Bandettini16 האחרונות סקירות על מדינה נח, מבוססי-משימה צדדים של שאלה זו). בפרט, כל-מוח FC שינויים לאורך זמן ניתן לעקוב באמצעות מדידות רצופות המתאם מעל בהדרגה שהוסטו טמפורלית תת חלון17,18, חשיפת תובנה נוספת בהקשר של פעילויות התנהגותיות 19,20.
כאן, אנו מציגים מתודולוגי מסגרת המשלבת את שתי השדרות. אכן, אנחנו חשב ISFC באופנה בחלון הזזה כדי לעקוב אחר ההתפתחות של מתכונת חוצה אזורי בין הנושאים נחשפים פרדיגמה נעול-זמן, נטורליסטי. דרך ההיבט קרוס-הנושא של השיטה, ניתוחים הם התמקדו מונחי גירוי אפקטים, ואילו שינויים ספונטניים fMRI (אשר הם מתואמות על פני נושאים) הם damped חריפה. זה חשוב כי דפוסי הפעילות מדינה נח ועוררו פעילות מובנים יותר ויותר כדי להיות מאופיין על ידי מאפיינים ברורים21,22.
לגבי המרכיב הדינאמי של השיטה, היא מאפשרת אפיון מלאים ומדויקים יותר של גירויים פעילות, במיוחד כאשר חיטוט פרדיגמה נטורליסטי שבו משולבים קבוצה מגוונת של רמזים (שמיעתי, חזותי, חברתית, וכו ‘) לאורך זמן. יתרה מזאת, כפי הערכות סטטיסטיות צליל של תנודות דינמי משמעותית כבר התווכחו בלהט23,24, הגישה שלנו לוקח מסוים על היבט זה של הבדיקות על-ידי בידוד שינויים משמעותיים ISFC דרך השוואה לנתונים null המתאים.
אנו ממחישים את השיטה על קבוצת הנבדקים בריא חשופים לגירויים סרט אורקולי, שעבורם אנו מראים כי ISFC זמני ואת מרחבי שינוי פרופילים הנובעים סרט מקומי במרווחי ותת ניתן לחלץ במדויק. בעשותו כן, אנו גם מתארים את השפעת הפרמטרים העיקריים אנליטי שייבחר על-ידי המשתמש. הממצאים שהוצגו מבוססים על חלק נתונים שפורסמו בעבר25,26.
ב- dataset של הנבדקים בריא, להדגים איך סינכרונית, נושא צלב עליות, ירידות FC, תופעות מעבר ISFC, יתאימו רמזים סרט חנותם לשפות אחרות, מתן מידע מעבר תיאור סטטי. למרות השימוש של המתאם, נושא צלב מודד מאפשר להתמקד הניתוח מונחה הגירוי reconfigurations תפקודית, אחד חייב גם להיות מודע שהוא מגביל את הממצאים להשפעות המשותפים האוכלוסייה למדה: לפיכך, ברמה נמוכה עיבוד חושי צפוי להיות מייצגים יתר לעומת עיבוד חזיתית40. כדי לעקוף מגבלה זו, שיטות חדשות שיש להם גם את היכולת לחלץ את האזורים להשתנות בעוצמה הרבה ביותר על פני נושאים מתבצעת מפותחת41.
הגבלה נוספת של המתודולוגיה הציג נובע ההיבט חלון הזזה, כמו רזולוציה טמפורלית ISFC הזמן חולף קורסים הוא הוריד בהשוואה גישות frame-wise15. כפי שהראנו, פשרה יש צורך בין אורך חלון נמוך מספיק כראוי לפתור reconfigurations ISFC דינמי, אומדן גודל גדול מספיק כדי לקבל חזקה. שני שלבים קריטיים במסגרת שלנו להבטיח כי תופעות מעבר שחולצו ISFC ישקפו שינויים המתרחשים באמת בקישוריות: הראשון, מעבר גבוה הסינון של אזורי הזמן קורסים עם ההופכי של אורך ‘ חלון ‘32; שנית, השימוש של הנתונים ISFC של נח-מצב עבור הדור של התפלגות null הרלוונטיים, עם רכישת זהות פרמטרים לעומת הנתונים הקשורים הגירוי. כמובן, האחרון גם דורש זמן ממושך רכישה גלובלי, כך שניתן לאסוף נתוני מצב נח על גבי הפעלות הקשורות הגירוי. כגישה חלופית כדי להימנע ההקלטות נח מצבים נוספים, אנו גם מציעים את האפשרות להפיק נתוני שלב אקראי ישירות מתוך הקורסים זמן הקשורות גירוי, גישה המשמשים לעתים קרובות ניתוחים קישוריות פונקציונלי דינמי 23 , 24. הערכה נוסף על תת-ערכה של הפעלות גילה כי למרות השיטה null נח-המדינה היא שמרנית יותר, ולכן נוטה פחות תוצאות חיוביות שגויות, דפוסי זיהוי טיול ISFC הכללית היו דומים על פני שתי ערכות (ראה 5 איור משלים).
משלים איור 5: זיהוי של ISFC טיולים על פני שיטות דור נתונים מסוג null. נח-המדינה (מגרשים בטור השמאלי, כחול) או שלב אקראיות (מגרשים בעמודה הימנית, אדום) נתונים מסוג null דור שיטות, אחוז טיולים ISFC חילוץ באמצעות חיבוריים. המגרשים התחתון שיבוץ על החיבורים שמקורם שלושת האזורים המוח נחשב. שגיאה מייצג את סטיית התקן על-פני נושאים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
משך הרכישות נח-המדינה מתייחס למעשה פרמטר קריטי של הניתוחים: ערך ה-α. כפי שהודגם לעיל, בחירה יותר מדי רך יוביל כמות גדולה של תוצאות חיוביות שגויות ב תופעות מעבר זיהה ISFC. גדול יותר כמות הנתונים נח-המדינה הזמינים, המחמירים יותר לדרג גם חיובי כוזב השגה, כי קביעת סף יכול להתבסס על ערכים קיצוניים יותר התפלגות null. כאינדיקציה, עבור n = 299 אטלס אזורים כאן בהתחשב שלנו החישוב של נקודות נתונים מצבים נח 5,762, אנחנו במקרה הטוב יכולה להשיג ערך-α קרוב 0.01% (ראה שלב 5.2.6 לפרטים מתמטית).
נקודה מרכזית נוספת הנוגעים בכל ניתוח fMRI טמון הסרת קפדני אפשריות הקשורות לתנועה ממצאים ניתחו נתונים30,42. בפרט, אם אדם רוצה להחיל את צינור הציג לאוכלוסיות ולכוונו מפגין מסומן תנועה בסורק, אנו ממליצים על גבי כולל תנועה משתנים כמו covariates, ניתוחים סטטיסטיים, בביצוע preprocessing נוספים ניתן להפעיל צעדים, כגון דיסקרטית denoising43 או ICA-ארומה44. קבוצת השוואה, למשל להשוות ISFC תופעות מעבר בין בריאה קבוצת חולות, ניתן בקלות לבצע על-ידי הפעלת הגישה המתוארת במקביל על שתי קבוצות עניין (ראה בולטון ואח25 לדוגמה על אוכלוסיה שאובחנו בספקטרום האוטיסטי). עם זאת, הבדל בין הקבוצות יכול להיווצר ואז שתי הגדרות שונות: (1) ISFC נעדר לשנות קבוצה אחת, או (2) האבולוציה הטרוגנית יותר מקבוצה זו. כדי disentangle שני הפקטורים האלה, צריכה לפעול הצינור פעם נוספת עבור קבוצת חולות, באמצעות הנושא בריא מוגדר כקבוצת התייחסות בשלב הרצתן. המקרה לשעבר עדיין כתוצאה מענה הנעדר, ואילו לא היה האחרון.
על מה אנו המתואר כאן, המתודולוגיה הציג גם פותח מבטיח השדרות בעתיד: מהצד אנליטיות, מפות ארעית ISFC יכול להיחשב המוח גרפים של אילו מדדים לכימות המוח קישוריות יכול להיות נגזר45, או הברית ISFC דינמי יכול להיות שנגבו באמצעות אשכולות גישות, העריך מבחינת יכולות המאפיינים שלהם,17,46. בנוסף, אחד יכול גם הסתברותיות השימוש בכלי המדידה קישוריות מתוחכמים יותר מאשר מקדם המתאם של פירסון לחשוף צדדים הקונטקט של FC47,48.
מהצד ניסיוני, היישום של הצינור לקבוצה יותר מורחבת של פרדיגמות הוא נקודת מבט מבטיח: לדוגמה, במקום סרט כמו למד פה, אחד יכול הסתברותיות להשתמש פיסת מוסיקה49 או סיפור עלילתי13, 50 כמו גירוי נעול זמן. לחלופין, הוא יכול אפילו להיות שנחזה, דרך hyperscanning51, כדי לחקור את התקשורת החברתית נטורליסטי52,53.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמך בחלקה על ידי כל אחד מאלה: קרן המדע הלאומית השוויצרית (גרנט, מספר 205321_163376 כדי DVDV), הקרן Bertarelli (כדי טרה-בתים ו- DVDV), למרכז עבור ביו הדמיה (CIBM), הסוכנות הלאומית (מחקר tempofront להעניק מספר 04701 נועה). המחברים מודים רוברטו Martuzzi, ג’וליה Preti על תרומתם לתוכן וידאו של עבודה זו כאופרטור, בהתאמה, MRI וייסרק בהתנדבות.
Freesurfer version 6.0 | Laboratory for Computational Neuroimaging, Martinos Center for Biomedical Imaging, Boston (MA), USA | https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/DownloadAndInstall | A MATLAB-compatible toolbox enabling to carry out various processing, visualisation and analytical steps on functional magnetic resonance imaging data |
MATLAB_R2017a | MathWorks | https://ch.mathworks.com/downloads/ | Working version of the MATLAB computational software (version 2014a or more recent should be used) |
Statistical Parametric Mapping version 12.0 (SPM12) | Wellcome Trust Center for Neuroimaging, University College London, London, UK | https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/ | A MATLAB-compatible toolbox enabling to perform statistical analyses on functional magnetic resonance imaging data |
Tim-Trio 3 T MRI scanner | Siemens | https://www.healthcare.siemens.ch/magnetic-resonance-imaging/for-installed-base-business-only-do-not-publish/magnetom-trio-tim | Magnetic resonance imaging scanner in which subjects have their functional brain activity recorded (at 3 T) |