Målet med den beskrevne fremgangsmåde er at fastslå, på hvilke tidspunkter af paradigme (tidsmæssige perspektiv), og mellem hvilke regioner (rumlig perspektiv), betydelig rekonfigurationer i funktionelle forbindelse forekomme på funktionel magnetisk resonans skanning optagelser i løbet som en tid-låst stimulus spilles.
Opgave-baseret funktionel magnetisk resonans skanning bærer store muligheder for at forstå hvordan vores hjernen reagerer på forskellige former for stimulation; men dette opnås ofte uden at overveje det dynamiske aspekt af funktionel behandling, og analytiske udgange udgør typisk flettede påvirkninger af opgave-drevet effekter og underliggende spontan udsvingene i hjerneaktiviteten. Her introducerer vi en roman metodologiske rørledning, der kan gå ud over disse begrænsninger: brugen af en glidende vindue analytiske ordningen tillader sporing af funktionelle ændringer over tid, og gennem cross-emne correlational målinger, kan tilgangen isolere rent stimulus-relaterede effekter. Takket være en streng tærskel proces, kan betydelige ændringer i Inter underlagt funktionelle sammenhæng ekstraheret og analyseret.
På en række raske forsøgspersoner, der undergik naturalistiske audio-visuelle stimulation, viser vi nytten af tilgangen ved at binde de unraveled funktionelle rekonfigurationer til særlige stikord af filmen. Vi viser hvordan, gennem vores metode, man kan fange enten en tidsmæssige profil af hjerneaktivitet (udvikling af en given forbindelse), eller fokusere på en rumlig snapshot på et afgørende tidspunkt. Vi leverer et offentligt tilgængelige version af hele rørledningen og beskrive dets anvendelse og dets vigtige parametres trin for trin.
Funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI) er blevet værktøj af valg til ikke-invasivt overvåge ændringer i hjerneaktivitet som følge af eksterne stimulation. Mere specifikt, er levende interesse opstået om forståelse af statistiske indbyrdes afhængighed mellem regionale aktivisering gang kurser, kendt som funktionelle connectivity (FC)1 og typisk beregnet som Pearsons korrelation koefficient. Funktionel interplays på tværs af hjernen har udstrakt grad vist sig at omkonfigurere som en funktion af de underliggende opgave2,3,4.
To analytiske retninger har separat fulgt for at gå ud over denne indledende karakterisering: på den ene side den respons induceret i en given hjernen regionen af en tid-låst stimulus blev observeret at kraftigt korrelerer på tværs af forskellige emner5 . Kvantificering af denne indbyrdes underkaste korrelation (ISC) viste potentiale til at forfine vor forståelse af kognition6,7,8,9 og hjernen lidelser10,11 . Yderligere, denne cross-emne correlational tilgang blev også udvidet til vurdering af tværregional synkronicitet12, i hvad der blev kendt som Inter underlagt funktionelle sammenhæng (ISFC) fremgangsmåde13.
På den anden side den dynamiske smag af FC rekonfigurationer begyndte at modtage øgede opmærksomhed (Se Hutchison et al.14, Preti, Bolton og Van De Ville15, Gonzales-Castillo og Bandettini16 for de seneste anmeldelser på den hvile-tilstand og den task-baserede sider af dette spørgsmål). Især kan hele-hjerne FC ændringer over tid spores gennem fortløbende korrelation målinger over en gradvist flyttet tidsmæssige underordnede vindue17,18, afslørende yderligere indsigt i forbindelse med adfærdsmæssige opgaver 19,20.
Vi præsenterer her, en metodisk ramme, der kombinerer de to muligheder. Faktisk, beregner vi ISFC i glidende vindue mode til at spore udviklingen af tværregional synkronicitet mellem de emner, der er udsat for en tid-låst, naturalistiske paradigme. Gennem cross-emne aspekt af metoden, er analyser fokuseret på stimulus-drevet effekter, mens spontan fMRI ændringer (som er på tværs af fag) er kraftigt dæmpede. Dette er vigtigt fordi hvilende tilstand og opgave-fremkaldte aktivitet mønstre er i stigende grad forstået at være præget af forskellige egenskaber21,22.
Med hensyn til den dynamiske del af metoden giver det en mere fuldstændig og nøjagtig Karakteristik af opgave stimuli, især når sondering en naturalistisk paradigme, hvor en forskelligartet række stikord (auditiv, visuel, social, etc.) er kombineret med tiden. Yderligere, da den lyd statistisk vurdering af store dynamiske udsving har været livligt diskuteret23,24, vores tilgang tager særlig pleje af dette aspekt af analyser ved at isolere betydelige ISFC ændringer gennem sammenligning med passende null data.
Vi illustrere metode på et sæt af raske forsøgspersoner udsat for et audiovisuelt film stimulus, som vi viser, at den tidsmæssige og rumlige ISFC ændre profiler som følge af lokaliserede filmen sub intervaller kan udvindes præcist. Herved kan beskrive vi også indflydelsen af de vigtigste analytiske parametre kan vælges af brugeren. De præsenterede resultater er baseret på en del af tidligere offentliggjorte data25,26.
På et datasæt af raske forsøgspersoner, vi demonstreret hvordan synkron cross-emne stigninger og fald i FC, ISFC transienter, ville matche tidsligt lokaliserede film stikord, oplysning, der går ud over en statisk beskrivelse. Selv om brugen af Kors-emne korrelation foranstaltninger gør det muligt at fokusere analysen på stimulus-drevet funktionelle rekonfigurationer, man skal også være klar over, at det begrænser resultaterne til de virkninger, som deles på tværs af den undersøgte population: derfor, low-level sensorisk forarbejdning forventes at være overrepræsenteret i forhold til frontal behandling40. For at omgå denne begrænsning, nye metoder, der også har evnen til at udtrække de regioner, der stærkest varierer på tværs af fag er ved at blive udviklet41.
En anden begrænsning fra metoden indført skyldes det glidende vindue aspekt, som tidsmæssige opløsning af ISFC forbigående tid kurser er sænket i forhold til frame-wise tilgange15. Som vi viste, en trade-off er nødvendig mellem en tilstrækkelig lav vindue længde at ordentligt løse dynamisk ISFC rekonfigurationer, og en tilstrækkelig stor størrelse at opnå robuste skøn. To kritiske trin i vores ramme sikre, at de udpakkede ISFC transienter afspejler virkelig forekommende ændringer i connectivity: første, Højpas filtrering af regionale tid kurser med inverse af vinduet længde32; anden, brug af resting state ISFC data for generation af en relevant null distribution, med identiske erhvervelse parametre i forhold til den stimulus-relaterede data. Selvfølgelig kræver sidstnævnte også en længerevarende globale erhvervelse tid, så at hvile-stats data kan indsamles på toppen af stimulus-relaterede sessioner. Som en alternativ metode til at undgå de ekstra hvile-state optagelser, tilbyder vi også muligheden for at generere fase randomiseret data direkte fra de stimulus-relaterede tidsforløbet, en tilgang, der ofte bruges i dynamisk funktionelle connectivity analyser 23 , 24. yderligere evaluering på en delmængde af sessioner viste, at selv om metoden hvilende tilstand null er mere konservative, og dermed mindre tilbøjelige til at falske positiver, de globale mønstre af ISFC udflugt opdagelse var ens på tværs af begge ordninger (Se Supplerende figur 5).
Supplerende figur 5: påvisning af ISFC udflugter på tværs af null data generation metoder. For hvile-tilstand (venstre kolonne, blå parceller) eller fase randomisering (højre kolonne, røde parceller) null data generation metoder, procentdel af ISFC udflugter udvundet på tværs af forbindelser. De nederste er indsatsen på de forbindelser, som stammer fra de første tre betragtes som hjerneregioner. Fejl repræsenterer standardafvigelsen på tværs af fag. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Varigheden af resting state erhvervelser rent faktisk vedrører en kritisk parameter af analyserne: α-værdi. Som eksemplificeret ovenfor, vil en for eftergivende valg føre til et stort antal falske positiver i de fundne ISFC transienter. Jo større mængden af tilgængelige data, hvilende tilstand, de strengere den opnåelige falsk positiv sats, fordi tærskel kan være baseret på flere ekstreme værdier fra null-distribution. Som en indikation for n = 299 atlas regioner som her og får vores stemme overens med 5,762 hvilende tilstand datapunkter, kunne vi i bedste fald opnår en α-værdi på 0,01% (Se trin 5.2.6 for matematiske detaljer).
Et andet centralt punkt vedrører en fMRI analyse ligger i grundig fjernelse af eventuel motion-relaterede artefakter fra analyserede data30,42. Især hvis man ønsker at anvende den indførte rørledning til syge populationer udstiller markeret bevægelse i scanneren, vi anbefaler at oven på herunder motion variabler som kovariater i de udførte statistiske analyser, yderligere forbehandling trin køres som wavelet denoising43 eller ICA-AROMA44. Gruppere sammenligning, for eksempel for at sammenligne ISFC transienter mellem en sund og en syge gruppe, kan let udføres ved at køre den beskrevne tilgang parallelt på begge grupper af interesse (Se Bolton et al.25 for et eksempel på en population diagnosticeret med autisme spektrum forstyrrelser). Dog en forskel mellem grupperne kan derefter opstår i to forskellige indstillinger: (1) en fraværende ISFC ændre i én gruppe, eller (2) en mere heterogene evolution i denne gruppe. For at udrede disse to faktorer, bør rørledningen køres en gang mere for gruppen syge, ved hjælp af sund emnet indstille som referencegruppen på trinnet selvstart. Førstnævnte tilfælde vil stadig resultere i en fraværende svar, mens sidstnævnte ikke ville.
På toppen af hvad vi beskrevet her, metoden indført også åbner lovende fremtidige muligheder: fra et analytisk side, ISFC forbigående kort kunne betragtes som hjernen grafer fra hvilke målinger kvantificere hjernen connectivity kunne være afledt45, eller dynamisk ISFC stater kunne udvindes gennem klyngedannelse tilgange og vurderes ud fra deres rumlige og tidsmæssige karakteristika17,46. Desuden kunne man også overveje brugen af mere avancerede tilslutningsmuligheder måleværktøjer end Pearsons korrelationskoefficient at afsløre mere subtile sider af FC47,48.
Fra den eksperimentelle side, anvendelsen af vores pipeline til en mere udvidet sæt af paradigmer er et lovende perspektiv: for eksempel, i stedet for en film som studerede her, man kunne forestille sig for at bruge et stykke musik49 eller en fortælling13, 50 som en tid-låst stimulus. Alternativt, det kunne endda være forestillede, gennem hyperscanning51, for at sonden naturalistiske social kommunikation52,53.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet i en del af hver af følgende: den schweiziske National Science Foundation (tilskud antal 205321_163376 til DVDV), Bertarelli Foundation (til TB og DVDV), Center for biomedicinsk Imaging (CIBM) og det nationale agentur for forskning ( tempofront giver 04701 til ALG). Forfatterne vil gerne takke Roberto Martuzzi og Giulia Preti for deres bidrag til den video indhold af dette arbejde som henholdsvis operatoren Mr og scannet frivillige.
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) |