機能的磁気共鳴画像とヘッドの衝撃テレメトリーシステムを使用して青少年にスポーツ関連の脳震盪の影響の調査

Medicine

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Summary

この記事では、軽度外傷性脳損傷の診断と若者の回復へのマルチモーダルなアプローチの概要を説明します。このアプローチは、認知機能テスト中に頭部への影響と脳活動との関係を監視する機能的磁気共鳴イメージングとヘッドの衝撃テレメトリシステムと神経心理学的テストを組み合わせたもの。

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Keightley, M., Green, S., Reed, N., Agnihotri, S., Wilkinson, A., Lobaugh, N. An Investigation of the Effects of Sports-related Concussion in Youth Using Functional Magnetic Resonance Imaging and the Head Impact Telemetry System. J. Vis. Exp. (47), e2226, doi:10.3791/2226 (2011).

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Abstract

スポーツに参加する子どもたちの中で最もよく報告される傷害のひとつは、脳震盪や軽度の外傷性脳損傷(mTBI)1です。このような競争力のあるホッケーのような組織スポーツに関わる子どもや若者は、他のレジャーの物理的な活動2にかかわる子どもたちに比べて厳しい震動を受けるために、ほぼ6倍の可能性が高くなります。 mTBIの最も一般的な認知後遺症が子供と大人のための類似のように見えますが、事前損傷特性(ジェンダー)と傷害の詳細(例えば、大きさおよび方向の影響がないとして、子供に影響の回復プロファイルと幅は、2大部分は未知のままである長期的な成果への影響)の。このようなホッケーなどの競技スポーツは、、脳震盪は若者の特性と機能で発生し、これまでの結果、次の傷害を関連付ける前に、事前に傷害データを取得するために、事前事後のデザインを利用する貴重な機会を可能にする。私たちの主な目標は、子どもや若者に固有の研究の証拠に基づいて、小児脳震盪の診断および管理を改善することです。これを行うために、我々は新しい、マルチモーダルかつ統合的なアプローチを使用します。


若者の頭部外傷の即効性を1.Evaluate
2.Monitorポスト脳震盪の症状の分解能(PCS)、リカバリ時の認知能力
脳損傷と回復を確認するために新しいメソッドを3.Utilize

私たちの目標を達成するために、我々は、頭部衝撃のテレメトリ(HIT)のシステムを実装しています。 (Simbex、レバノン、ニューハンプシャー州、米国)。 5 -コンタクトスポーツへの参加3でリアルタイムヘッドの加速度を測定するために設計された単軸加速度計と、このシステムは、市販のイーストンS9ホッケーヘルメットを(バンナイズ、CA、米国イーストン-ベルスポーツ)装備。遠隔測定技術を使用して、スポーツへの参加中のすべての頭部の衝撃の加速度と位置の大きさは、客観的に検出して記録することができます。我々はまた、それらが震とう頭部外傷6〜最も敏感な脳領域であるので、ローカライズと認知タスクのパフォーマンスの間に内側側頭や前頭葉に特異的に神経活動の変化を評価する機能的磁気共鳴画像(fMRI)を使用してください。最後に、我々は、脳白質の損傷を受けやすい構造のイメージングデータを取得している。

Protocol

1。件名に事前傷害神経心​​理学的ベースラインプロファイルの取得

  1. 試験前に到着した被験者に、すべての機器が正常に機能し、テストの準備ができて、部屋は不必要な気晴らしがないことをされていることを確認します。
  2. 親と主題の同意、測定および記録対象者の身長、体重、頭囲を確認した後。
  3. 被験者は、条件の次の順序でフォースプレート上に立っている間にバランスの評価を管理する:A1 - フォースプレート上に、開いた目は、A2 - フォースプレート上に、目を閉じ、A3 - フォースプレート上に視覚的な紛争のドームを身に着けている間。
  4. フォースプレートと組み合わせてAirexBalanceパッドとフォースプレートの上に主題のスタンドを持っているバランスの評価の条件(A1 - A3)の反復投与の上に場所はAirexBalanceパッド。
  5. 測定し、記録のハンドグリップの強さとの両方右手と左手のための溝ペグボードのテストを実施する。
  6. 各ポジションのための3試験を完了し、最初のスクワットの位置から、ジャンプのマットの上にカウンターの動きをジャンプテストを実施する。
  7. フォースプレートと強さのバーを使って足の最大随意収縮試験を実施する。
  8. アセスメントマニュアルの指示に従って、次の順序で神経心理学的テストのバッテリーを管理する:ポスト脳震盪の症状スケール改訂、子どもの気分チェックリストの自己報告、ウォータールーの利き腕のアンケート、レイ複雑な図のテスト:コピーの試用版、言語流暢テスト;レイ複雑な図のテスト:即時リコールトライアル、口頭ワーキングメモリータスク、レイ聴覚言語学習テスト、レイ複雑な図のテスト:遅延リコールトライアル、レイ複雑な図のテスト:認識トライアル、ストループ色と単語テスト、記号Digitsのモダリティのテスト、子供の色は、テストのトレイル、視覚的な作業をメモリのタスク、レイ聴覚言語学習テスト:遅延リコール、Reyの聴覚言語学習テスト:認識トライアル、キッズペース聴覚シリアル注意タスク(口頭および視覚ワーキングメモリータスクについては図1を参照)。
  9. 必要に応じて対応するテストのマニュアルの指示に従ってスコア神経心理学的テスト。
  10. データベースにすべてのテストの点数を入力してください。

2。件名の構造と機能的MRIベースの画像を取得

  1. テストセッションに先立って、参加者が安全にMRIを受けることができる保証するために、電話でMRIスクリーニングのインタビューを実施。
  2. レビューの同意/同意フォームの件名とその親(s)で、それらのテストセッションのために到着すると、年齢に応じた方法で、MRI装置と実験の徹底した姿勢と概要を提供し、MRIスクリーニングを繰り返します。被験者が質問を持っているかどうか尋ねる。
  3. 被験者がすべての金属製のジュエリー、アクセサリーやポケットからオブジェクトを削除する必要があります。
  4. 被写体がLumitouchのパドルを使用する(だけの左ボタンと右ボタンとMRI -安全"マウス")を通じて、ワーキングメモリタスク中に提示刺激に応答する方法を示しています。
  5. 主題インサート耳栓を持っている。
  6. 被験者はスキャナのベッドに横になる必要があります。
  7. ヘッドコイルでヘッドを置き、発泡インサート、額全体のリマインダのストラップを使用して頭部を安定させる。参加者は、矯正レンズは、コンピュータの画面を表示するために必要な場合は、適切な処方の強度を持つMRI対応ゴーグルでそれらをフィット。
  8. スキャナにスキャナのベッドを移動します。
  9. スキャナとワーキングメモリタスクが投影されるヘッドのコイルにミラー化するために東洋の主題の内径外の場所の映像を画面。
  10. 反転の準備(3D SPGR - IRprep)(スキャンパラメータの完全な説明については表1を参照)を使用して3Dだめに勾配を用いたT1強調の構造のイメージを取得します。
  11. ワーキングメモリタスクを管理し、読み出しうち7 /のスパイラルとシングルショットT2 *-強調画像を用いて機能的MRI画像を収集する。
  12. FLAIR画像を取得する。
  13. ASSETを用いたデュアルエコー高速スピンエコー(2D - FSE - XL)を使用してPD/T2強調画像を取得する。白質高信号がFLAIR画像上で確認されASSETはオフになっています。
  14. T2入手*-勾配リコールエコー(GRE)を使用して加重構造の画像を。
  15. デュアルスピンエコーとシングルショットのエコープラナーイメージングを使用して2拡散テンソル画像(DTI)データセット(時間が許せば3)を取得する。
  16. スキャナから対象を削除します。

3。ヘッドのインパクトテレメトリ(HIT)のシステムを使用してヘッドにヒットの力と方向を記録する

  1. 被験者の頭の上にホッケーのヘルメットのための適切な適合を得る。
  2. ヘルメットと完全充電から電池を取り外し、その後、ヘルメットに戻ります。
  3. ヘルメットとHITシステムは前のゲームのデータを収集するために、それぞれ、データを送受信していることを確認してください。
  4. ゲームプレイ、recordi中にデータを収集するngの各ホッケーの期間の停止と開始時刻。
  5. インターネット接続を使用してSimbexに同期メカニズムを経由して処理するためにデータを送信します。

4。の実行後に- mTBI神経心理学的フォローアップのテスト

  1. 傷害事故報告書を受信したのと同じ日に、傷害に関する臨床的および機能的な詳細を取得するために、親とヒット傷害事故報告書のフォームに必要事項を記入します。
  2. 症状の現在の重大度を件名と判断するためにPCS - Rを管理する。
  3. 約1日後の傷害:PCS - Rを管理する。症状が解決されていない場合(すなわち、ベースラインのレベルに戻っていない)、完全な神経心理学的テストのバッテリーを管理していない。
  4. 対象者の症状が許可されている場合、バランスの評価(1.3と1.4を参照)とジャンプテストを(1.6を参照)を完了する。
  5. 対象者の症状が許せば、足の最大随意収縮のテストを(1.7参照)を管理する。
  6. 対象者の症状はいったん物理的なテストが完了すると許可されていれば、言葉や視覚的ワーキングメモリのタスクを管理する。
  7. 症状が表2に示すスケジュールに従って(ベースラインレベルへの復帰をすなわち)解決するまで、PCS - Rを管理し続ける。
  8. 約5日後の傷害:PCS - Rを管理する。症状は(4.3〜4.6を参照)、上記の未解決の繰り返しのテストシーケンスである場合。
  9. 症状が7日後の傷害の後に、まだ未解決であれば、症状が解決するまで、PCS - R毎週を管理し続ける。
  10. その症状が解決されている科目の場合は、ステップ1.2から1.9を繰り返します。
  11. 構造的、機能的MRIフォローアップスキャンセッション(セクション5を参照)に進みます。

5。構造と機能的MRIポストmTBIフォローアップ画像を取得

  1. 72時間後の損傷内でセッションをスキャンするフォローアップのための主題をスケジュールします。
  2. 繰り返します上記2.2から2.16までを繰り返します。
  3. 症状は、最初のフォローアップスキャンセッションの時に未解決である場合、上記のような症状が2.2から2.16の解決を繰り返し行っている1秒に1回のスキャンセッションをフォローアップスケジュール。

6。実行マッチドコントロール件名神経心理学的フォローアップのテスト

  1. 調べるすべての被験者の年齢は(すなわち、年および月)実験に在籍し、各mTBIの対象に対して同じ暦年で3ヶ月以内に対応する生年月日に応じて潜在的な年齢と性別をマッチさせた対照群のリストを生成します。
  2. 対照群とのスケジュールのテストセッションにお問い合わせください。
  3. フォローアップセッションのタイミングと数を基準にして一致したmTBIの対象にテストプロトコルを複製する。として示されている上記の手順1.2から1.16までを、繰り返します。例えば、mTBIの対象者の症状が24時間以内に解決し、彼らが唯一の全体神経心理学的バッテリーを含まれているもののフォローアップテストセッションを完了した場合、一致させた対照被験者でこのプロトコルを複製する。
  4. 構造的、機能的MRIフォローアップスキャンセッション(セクション7を参照)に進みます。

7。構造と機能的MRIマッチドコントロールのSubject画像を取得

  1. 繰り返します上記2.2から2.16までを繰り返します。
  2. 制御対象は、2つを完了mTBI件名に一致している場合、上記のようにセッション間の時間間隔(日数の数など)を繰り返し行って2.2から2.16に一致する第二のテストセッションのスケジュールを、未解決の症状に起因するスキャンセッションのフォローアップ。

8。データの分析

  1. HITシステムから得られるようにゲームごとのプレイヤーごとにデータを正規化する、各プレイヤーの頭部にヒットの大きさと数の記述統計量(平均と標準偏差)を計算する。
  2. すべてmTBIと一致した対照群間の各神経心理学的テストのスコアのベースラインからの変化のスコアを計算する。
  3. グループと一致するサンプルt -検定を実行する神経心理学的機能にmTBIの効果を分析する従属変数として、神経心理学的テストのパフォーマンスの被験者の要因の間に(すなわちmTBI対コントロール)との変化など。
  4. 臨床PD/T2-weighted画像を使用して、ポストmTBIすぐに脳の腫れグローバル測定するための全脳容積の措置を生成するように設定します。
  5. 各mTBIの件名の場合は、T1強調画像は、非線形変形フィールドの二つの無料計算を用いて組織ボリュームの焦点の変化を計算するために使用されています。最初に、フォローアップスキャンのそれぞれにベースラインスキャンを登録します。第二に、短期的なスキャンto -スキャンの違いをキャプチャするために、スキャンの連続した​​対の間に変形を計算する。
  6. 渦電流歪みとヘッドの動きのためのDTIのデータを修正し、そして拡散テンソルパラメータを計算する前に、グラデーションの方向を変える。 mTBIと非用mTBIグループの研究は、最近オックスフォードグループ8で導入管ベースの空間統計(TBSS)、のメソッドを使用します。
  7. 損傷後のmTBI 9を経験したものから、通常表示される白質の領域を分離するためにGRE画像上のFLAIR画像とmicrobleeds上の任意の白質高信号を識別します。 DTI(小数異方性、FA、拡散係数、D、および半径方向の拡散を意味し、DR)から派生した定量的な施策を抽出するためにこれらの場所を使用してください。
  8. 13 - DTI分析のため、多変量部分最小二乗法の解析方法10を使用して、HITSのtelemeteryのデータ(先頭へ、すなわち大きさとヒット数)とTBSSボクセル値を相関させる。部分最小二乗法(PLS)は、実験条件や動作によって変化する活動の全脳のパターンを識別することができる多変量解析法である。
  9. 3Dフーリエ変換、補間に続いて頭部の動きを補正するために実行する最初の画像から初期の基準量の空間的なcoregistrationを経由してプリプロセス機能的MRI画像を、。
  10. 空間的に信号対雑音を増加させる、フル幅で-半値6 mmのガウスフィルタで12のパラメータのsinc補間に変換アフィンとスムーズを使用して、社内fMRIのスパイラルテンプレートにモーション補正画像を正規化比。
  11. 脳の磁化が定常状態に達すると一時的な信号の変化が発生する、各ランで最初の5つの画像のボリュームを削除します。
  12. 各イベントの開始時刻に対応する画像を識別するベクトルは血行動態応答機能(HRF)とのコンボリューションとボクセル単位で多重線形回帰14に入力された統計的パラメトリックマッピング2(SPM2)を用いて単変量解析を実行します。
  13. ベースラインを基準に、イベントタイプごとのBOLD信号の変化を、反映する共変量のそ​​れぞれのパラメータ推定値を計算します。
  14. 差動タスク(例:ワーキングメモリに対する制御タスク)とグループ(例:mTBI対コントロール)を介して係合される活動の脳領域の比較対照を行うためにボクセルレベルのt統計量を使用してください。
  15. 構造的および機能的神経画像データとHITシステム(各プレイヤーの頭部への影響の例の平均の大きさ)からの情報を組み合わせる。これらの相互関係を評価するために、PLS分析を使用してください。
  16. ワーキングメモリタスクのパフォーマンス時の脳活動パターンの違いに平均的な大きさに関係される行動のPLSを実行するために各プレイヤーの頭部への影響の平均的な大きさを使用してください。

9。代表的な結果

ヘッドのインパクトテレメトリシステム

表3は、図2に示す対応する影響のために記録された定量的データを示しています。ピークリニアの加速は、インパクト時のプレイヤーの頭の最大線形加速である。単位はgのです。 gは海面(第二乗当たり9.8メートル)での重力の加速度である。ピーク回転加速度はインパクト時のプレイヤーの頭の最大回転加速度です。ユニット秒平方あたりのラジアンです。方位角は、インパクトの位置を示す指標です。方位角は、頭と頭の右側に正の方位角の後ろに0 °と-180 °から180 °に定義されています。標高は、インパクトの位置の他の尺度です。仰角は0 °(水平面は重力の頭の中心を通る)から90 °(頭頂部)に定義されています。

機能的MRI

図3は、症状の解像度とb)と無症状の分解能を持つ)concussedアスリートからシリアルfMRIの結果を示しています。注:前頭部のタスクに関連する脳活動が明らかに唯一の症状の解像度を持つ選手で観察される。

図1
図1外部から注文ワーキングメモリータスクの模式図。

図2
HITシステムのデータの図2。例は表3で説明する6つのヒットの位置を示す方向ベクトルを示すインタフェース。 Simbex 2006。

図3
図3。症状解像度とb)と無症状の分解能を持つ)concussedアスリートからのシリアルfMRIの結果。 PCS =ポスト脳震盪の症状、被験者のn =数、血中酸素レベル依存信号で▲BOLD =変更、DLPC =背外側前頭前皮質。

スキャンタイプ シーケンス TE/TR/TI/FA1 マトリックス/ FOV(CM)2 NEX3 SLIC電子厚さ/#スライス スキャンタイム
T1強調反転の準備と3D甘やかさ勾配エコー(SPGR - IRprep) 5.9/1.3/300/20 256 22分の160 2 1.4/128 7時30分
加重PD/T2 デュアルエコー高速スピンエコー(FSE) 20102 / 2.9秒/ 256 22分の192 2 48分の3 インターリーブ午前12時
FLAIR FSE - IRprep 140/9.3s/2.2s / 256 22分の192 1 48分の3 4時12分
拡散テンソルデュアルスピンエコーによるシングルショットエコープラナーイメージング、 分/〜9S / 128 33分の128 2 2.6/50 + b値:1000 s/mm2
グラデーションの方向:23
B0:2
末梢ゲー
午前6時30分
T2 * 勾配エコー 350分の20 / / 20 256 22分の192 1 48分の3 インターリーブ 4時30分
fMRIのシングルショットT2 *、読み出し/アウトスパイラルと 30/2s / / 70 64 20分の64 5月26日周辺監視:呼吸、心臓 12:00-15:00
QT2 プーン&Henkleman 2500分の10 / 128 24分の128 4 4月1日 21時
合計 70:42

表1。3Tでの臨床と機能性MRシーケンスのスキャンパラメータの詳細。

1 TE(エコー時間)、TR(繰り返し時間)、TI(反転時間)、FA(フリップ角)
2 FOV(視野)
3 NEX(励起の数)

タイム ポスト脳震盪の症状スケール(PCS) 操作
メモリ
タスク
バランス 協調 神経心理学
評価
ベースラインの1年目 X X X X X
ポスト脳震盪(PC)1日目 X X X X
PCの2日目 X
3月4日PCの日 X
PCの日5月6日 X X X X
PCの7日目 X
7日目後の毎週 X
PCS解像度 X X X X X
ベースラインの2年目 X X X X X

全ての被験者のための神経心理学的措置の表2。局。

注:個々のconcussed被験者は、整形外科と無傷害の対照被験者と照合されます。対照者は、一緒に一致するconcussed被写体とほぼ同じ時間枠のための措置を投与されるであろう。たとえば、14日、整形外科、制御対象と同様に傷害の制御対象がない上に、PCSの症状のconcussed主題経験豊富な決議はまた、14日目にフル神経心理学的評価(その"PCS"症状が解決されたかのように、すなわち、治療を投与される場合データポイントを一致させるために14日目)で。

イベント日 イベントの時間 ピーク直線加速度 ピーク回転加速度 方位角 標高
2006年10月29日 15:39:01:410 22.45 2842.32 -67.30 29.05
2006年10月29日 15:47:02:120 7.09 478.66 -116.53 -61.24
2006年10月29日 16:21:40:190 15.25 1288.01 -83.96 -52.09
2006年10月29日 16:48:31:910 8.91 603.32 -134.04 16.33
2006年10月29日 16:48:32:060 18.18 1256.09 60.36 10.36
2006年10月29日 17:04:50:110 20.18 1093.22 -4.47 50.31

表3 1つヘルメットを持つ一人のプレイヤーから収集されたデータのサンプル。

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Discussion

我々は、脳白質に最も影響を示し、それらの若者は、脳の活動の最大の再編、そして最長の行動と神経回復の期間を示すと予測している。この研究は、それは、私たちは子どもたちや若者に固有の研究の証拠に基づいて、回復のプロトコルを確立することを可能にするとして、小児のポスト脳震盪のイベントのより良い理解を提供し、医療に大きな影響を持つことになります。そのようなプロトコルは、両親、コーチや医師を含む利害関係者に変換することができます。これらの目標を達成するために、我々はconcussed小児選手の神経心理学と神経後遺症を特徴づけ、さらに定量化します。我々はまた、認知向上と行動の回復に伴う脳の構造と活動パターンの変化を測定する。さらに、研究では、脳震盪の影響で新しい一見を提供し、若者の長期的な脳の可塑性と開発の非震とうヘッドの影響を繰り返した。

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Disclosures

利害の衝突は宣言されません。

Acknowledgments

私たちは、健康研究(CIHR)と本研究のための資金を提供しているオンタリオ外傷財団(ONF)のカナダの研究所に感謝したいと思います。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AccuGait Portable Gait and Balance Platform (Balance Assessment) AMTI www.amti.biz
NetForce Balance Data Acquisition Software AMTI www.amti.biz
Visual Conflict Dome Fabricated by researchers; modeled after: Lovell MR, Collins MW. Neuropsychological assessment of the college football player. J Head Trauma Rehabil. 1998;13(2):9-26.
Airex Balance Pad Airex www.bebalanced.net
Smedlay’s Dynamometer, 100 kg(Grip Strength) TTM, Tokyo
Grooved Pegboard Test Lafayette Instruments www.lafayetteinstrument.com
Axon Jump Mat Vacumed www.vacumed.com
Strength Bar Fabricated by researchers:
  • 31" titanium lacrosse handle
  • Two 40" utility chains
  • 24" x 26" plywood platform
  • Two dock ring fasteners
  • Two U-bolts (1" width)
Head Impact Telemetry (HIT) System Simbex www.simbex.com
Post-Concussion Symptoms Scale Revised (PCS-R) Adapted from:
Lovell MR, Collins MW. Neuropsychological assessment of the college football player. J Head Trauma Rehabil. 1998;13(2):9-26.
GE Discovery MR750 3.0T MRI Scanner GE Healthcare www.gehealthcare.com
GE 8 channel head coil GE Healthcare www.gehealthcare.com
Lumitouch Reply System Lightwave Medical Industries Vancouver, BC 1-(604)-875-4529
Back projection screen (for presenting fMRI stimuli) Unknown
Disposable foam ear plugs PAR Inc. www.parinc.com
Neuropsychological Tests Pearson Assessments www.pearsonassessments.com

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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