CMMM 计算和数学方法在医学 1748 - 6718 1748 - 670 x Hindawi出版公司 10.1155 / 2014/864979 864979年 研究文章 改变内在连接网络在额叶癫痫:静息状态功能磁共振成像研究 曹 Xinzhi 1、2 羌族ydF4y2Ba 致宇 1 徐 羌族 2 沈 Junshu 3 张 志强 2 陆 光明 1、2 马卡洛夫 博季诺夫 1 生物医学工程系 南京航空航天大学 南京210016 中国 nuaa.edu.cn 2 医学影像学系 金陵医院 南京大学的医学院 南京210002 中国 njmu.edu.cn 3 放射治疗部门 金陵医院 南京大学的医学院 南京210002 中国 njmu.edu.cn 2014年 25 11 2014年 2014年 21 07年 2014年 12 10 2014年 02 11 2014年 26 11 2014年 2014年 版权©2014曹Xinzhi et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

研究静息状态网络(工匠们)的神经机制可能有助于我们理解大脑额叶癫痫(通过)。静息状态功能磁共振成像(fMRI)从46获得的数据通过患者(研究组)和46岁——准确性健康者(对照组)。独立分量分析(ICA)方法用于识别工匠们从每组。与健康受试者相比,减少功能连通性是观察到所有的网络;然而,在一些地区的工匠们,功能连通性是通过患者增加。癫痫和癫痫发作频率的时间被用来分析相关感兴趣的区域(roi)九个工匠们决定通过他们的影响力。功能网络连接(FNC)被用来研究对扰动的影响,通过重组。这项研究的结果可能会提供新的见解的neuropathophysiological机制通过。

 1。介绍

第二高的localization-related类型的癫痫病,额叶癫痫(通过)占20 - 30%在所有部分癫痫( 1]。然而,与颞叶癫痫(框架)相比,一般通过研究。癫痫患者通过多种多样,可以分为perirolandic,补充感觉运动区、背外侧,眶额,前额极,鳃盖和扣带类型 2]。癫痫源自perirolandic和补充感觉运动区域可以区分,电动机的表现活动或不对称主音姿态与保护意识。然而,癫痫发作引起的背外侧、眶额极,临床表现和扣带地区有更多的变量,他们不能轻易相互区别。癫痫频繁发生在睡眠中,在毫无预兆的情况下,是非常短的,紧随其后的是一个快速复苏 3]。

除了明显的异常,如先前的脑外伤、肿瘤、血管畸形、发育损伤,没有明确的原因被发现在大多数患者通过。此外,常规结构磁共振成像显示没有什么价值。然而,癫痫专注如何影响机制的功能网络,进一步导致赤字大脑的功能和认知行为仍不清楚。当代功能磁共振成像提供了有效的方法来测量大脑的功能变更引起的癫痫,这是一个四维医学成像模式,抓住血氧变化随着时间的推移,一个神经元激活的间接测量。

尽管EEG-fMRI和静息状态功能磁共振成像研究中常用的癫痫 4, 5),在通过头皮记录脑电图的变化往往穷人空间分辨率和放电本地化 6]。静息状态功能磁共振成像是一种强大的技术探索的内在活性异常引起的癫痫在大脑中,具有良好的空间和时间分辨率。ICA是一种强大的方法来探讨静息状态功能磁共振成像数据。盲源分离方法,它可以恢复一组信号的线性混合和取得丰硕成果与功能磁共振成像数据 7]。空间ICA分解功能磁共振成像数据为一组最大空间独立的地图和相应的时间课程( 8]。的动态血氧水平依赖(BOLD)信号在一个组件中所描述的组件的时间课程在静息状态功能磁共振成像数据。地区贡献明显强烈功能在一个给定的组件连接到对方。这种生物相关性被称为静息状态的网络(工匠们)[ 9]。工匠们作为一个健壮的工具,人类大脑的内在功能体系结构的高重现性和中度到高两次试验法的可靠性 10]。

大多数研究都集中在癫痫的工匠们用于静息状态功能磁共振成像。Widjaja等人显示默认模式网络受损(静)顽固性癫痫患儿( 11]。张等人发现背关注网络(丹)和听觉网络(一)受损在颞叶癫痫(框架) 12, 13]。伍德沃德等人被认为是汽车网络功能连通性下降( 14),他们都认为汽车网络已经受损。王等人发现功能连通性下降在自我参照网络(SRN) somatomotor网络(SMN)和视觉网络(VN);他们还发现减少和增加患者在静息和丹广义tonic-clonic癫痫(gtc) [ 15]。罗等人提出了减少功能连通性在SMN当使用组ICA在静息状态功能磁共振成像数据( 16]。

阿曼等人提取roi,改变功能连通性的大脑区域,从工匠们和使用 z 分数从ICA分析获得相关分析( 17]。Braakman等人发现工匠们的roi与癫痫相关因素,包括癫痫和癫痫发作频率(持续时间 18]。这些结果可能是有用的了解癫痫的临床变量的影响。

然而,这些研究都集中在单一的静息状态的功能网络。很少有人注意到癫痫患者的工匠们之间的交互。罗等人牵连,调查工匠们之间的相互作用可能有助于了解癫痫的neuropathophysiological机制在全球范围内( 16]。通过使用功能网络连接(FNC),他们发现了相互作用相关的系统可能是高度复杂的扰动函数所需的集成多系统局部癫痫。FNC工具箱计算组件之间的时间滞后与对方,和FNC地图通过偏相关分析建立了ICA的时间课程。这种方法已经发表和应用的识别对工匠们显示患者和健康对照组之间时间相关的变化(HC) [ 19]。

通过可能涉及多个相互作用的网络结构,很少有研究关注的功能连通性分析患者的工匠们通过和FNC关系。调查患者对工匠们通过提供有价值的数据来验证假设产生的异常neuroactivity癫痫集中会导致功能障碍的网络。目前工作的主要目的是确定intranetwork工匠们可能会异常的患者通过静息状态功能磁共振成像数据。研究还担心改变之间的显著相关性roi的工匠们和临床变量,包括癫痫发作和癫痫的持续时间。检查FNC差异通过和HC患者可能有助于理解对扰动的影响,通过重组。这项研究的结果可能会提供新的见解的neuropathophysiological机制通过。

 2。材料和方法 2.1。参与者

通过患者是从一个病人招募人收到在金陵医院临床治疗。46个健康受试者被选为对照组的年龄和性别相匹配的通过。两个示例 t 以及年龄显示 P > 0.05 性别,皮尔逊卡方检验的结果显示 P > 0.05 。通过和HC患者的临床资料和人口如表所示 1。

通过和HC患者的临床资料和人口。

组 男人 年龄(年) 持续时间(年) 发作频率(次/年) 治疗
通过( n = 46) 21 26±4.59(19-35) 9.2±7.82(1-27) 59.66±166.67-912 (0.42) 卡马西平:11,托吡酯:5奥卡西平:3,苯巴比妥:6,丙戊酸钠钠:16,不治疗:5
HC ( n = 46) 22 25.3±5.33(热带病) / / /

通过患者诊断基于国际抗癫痫联盟(ILAE)分类 20.]。此外,所有患者达到了包容性的标准如下:(1)通过一个或多个典型症状,包括夜间发作或姿态;(2)在电生理监测、发作的脑电图显示典型的广义癫痫样的峰值;(3)主要发作癫痫放电被头皮脑电图显示;(4)没有异常的MRI常规结构的图像。所有科目给他们书面知情同意参加本研究,曾在金陵医院医学伦理委员会批准。

 2.2。数据采集

功能磁共振成像数据获得在Magnetom三3 t磁共振扫描器(德国西门子公司(Siemens AG)、埃朗根)。在静息状态功能磁共振成像会话期间,参与者被要求放松仍然闭着眼睛,保持他们的头在扫描。功能图像随后被获得在同一切片方向与GRE-EPI(梯度召回呼应,echo-planar成像)序列(TR / TE 30 = 2000 ms / ms, FOV 24.0×24.0厘米2FA 90°,矩阵64×64,切片厚度4.0毫米,切0.4毫米的差距,30片,收购体素的大小= 3.0×3.0×3.0毫米)8分20秒(250测量)。3 d t1影像也获得通过使用3 dmprage序列矩阵256×256,切片厚度1.0毫米。

 2.3。功能磁共振成像数据预处理

基于SPM -(统计参数映射)的功能磁共振成像数据处理管道DPARSF ( http://www.restfmri.net/forum/)被用来进行数据预处理,包括运动片时间调整和修正。数据是排除如果头部运动超过1.0毫米或者旋转扫描期间超过1.0°。3 d t1影像用于功能磁共振成像图像正常化后重新取样3.0毫米×3.0毫米×3.0毫米。平滑后的半宽度(8.0毫米,应用功能磁共振成像数据准备进一步处理。

 2.4。工匠们用ICA提取

群空间ICA是由使用infomax算法与软件(礼物 http://icatb.sourceforge.net/在Matlab (MathWorks Inc .)。通过和HC组的功能磁共振成像数据计算识别内在网络,估计最大独立空间中九十二例来源。所有92名受试者的数据分解成独立的组件(ICs) 29日。ICA分解预处理步骤,主成分分析(PCA)是降低数据维度进行的。单一主题课程时间和空间被back-reconstructed地图。所选择的秩序ICA模型相对较高,这可能产生精制组件( 21]。八ICs选择进一步分析是基于最大的空间相关性( 22在先前的研究中与特定的工匠们报告模板 23- - - - - - 25],它对应于已知的解剖和功能划分。的工匠们模板如图 1。这是通过使用BrainNet查看器( 26),包括核心网络(CN),默认模式网络(前静,后静息),中央执行系统(岑)somatomotor网络(SMN),自我参照网络(SRN),背侧注意网络(丹),网络(的),听觉和视觉网络(VN)。

八个模板的工匠们估算最大独立空间组件中九十二例,包括CN,静,岑,SMN, SRN,丹,一个,和VN BrainNet观众所示。的 T 值范围是0 - 1。

 2.5。Intranetwork分析

组比较局限于体素在每个相应的工匠们。两个示例 t 以及( P < 0.05 AlphaSim纠正)是用于组比较,区域内的每个工匠们的面具。组比较的面具是由结合区域的工匠们用一个示例 t 以及( P < 0.05 ,AlphaSim纠正) 27]ICs中标记为相同的工匠们每个主题在病人和控制( 28]。

临床变量的影响,分析了包括癫痫发作和癫痫的持续时间与变化相关性癫痫的工匠们。从每个相应的工匠们,体素显示显著差异(正面或负面)患者和对照组之间提取作为掩模组成的几个感兴趣的区域(roi)。的意思是 z 分数,从ICA分析,在每个面具都与癫痫的发作频率和持续时间,这被认为是反映疾病的影响。

 2.6。互联网络分析

ICA算法假定的时间课程皮质内一个组件是同步的。虽然空间上独立的组件,重要的时间它们之间可能存在的相关性。作为一个扩展ICA分析,FNC工具箱( http://mialab.mrn.org/software/ fnc)是用来检查颞脑网络之间的关系。显著相关对应组合,平均时间滞后,这代表了两个相互关联的工匠们之间的延迟量对每一组的课程时间,计算。的最大时间间隔设置为3 s ( 29日]。一个示例 t 以及( P < 0.05 为每个组和两个示例,富兰克林·德兰诺·罗斯福纠正) t 以及( P < 0.05 ,富兰克林·德兰诺·罗斯福进行纠正)组比较所有可能的组合 16]。

 3所示。结果 3.1。Intranetwork改变的工匠们通过

自静分成aDMN pDMN,九个静息状态的网络(工匠们)被确定使用八个模板92年所有29 ICA组件的每个科目。之间的相关系数的空间模板和ICs ICA分析如下:CN (IC03), 0.297;aDMN (IC06), 0.488;岑(IC07), 0.341;SMN (IC11), 0.755;SRN (IC18), 0.367;丹(IC23), 0.511;一个(IC25), 0.783;VN (IC27), 0.771;pDMN (IC28), 0.383。 The results of the one-sample t 以及( P < 0.05 ,AlphaSim纠正)通过患者和HC图所示 2通过使用BrainNet查看器。

结果的一个示例 t 以及( P < 0.05 AlphaSim纠正)九工匠们通过HC (a)和(b),所示BrainNet查看器。的 T 值范围为2.3 -20。

这两个示例 t 以及( P < 0.05 AlphaSim相关)显示不同的功能连通性在每个工匠们在两组之间。与控制相比,减少功能连通性(负的 T 值)被发现在所有九个网络和功能连通性增加(积极的 T 值)被发现在一些包括aDMN VN, pDMN。压高于阈值是捡起。在每个区域,最大 T 价值及其MNI协调提供。集群大小的阈值在每个工匠们也提供根据AlphaSim相关性,如表所示 2和图 3通过使用BrainNet查看器。

患者组比较之间的九个工匠们通过和HC。

大脑区域 坐标 T 值(峰值) 体素
x , y , z (MNI)
CN(集群大小> 33)
Frontal_Inf_Tri_L −51 24日18 −3.55 96年
Frontal_Sup_Medial_L −3 57 21 −3.27 35
Precentral_L −39 3 48 −3.29 34
aDMN(集群大小> 36)
Frontal_Sup_Medial_L 9 57 15 −4.54 172年
额上回 3 18 57 −3.71 71年
Precuneus_L −−63 33 −3.90 67年
Angular_L 39−−57 30 −5.10 48
Cingulum_Mid_L −6−24 42 4.19 38
Precuneus_R 21−63 42 3.61 37
岑(集群大小> 43)
扣带回 6−12 39 −3.87 118年
SMN(集群大小> 34)
Precentral_L −60 9日24 −3.19 56
Precentral_R 60 9 33 −2.79 56
Postcentral_L 66年42−−24 −3.66 52
SRN(集群大小> 26)
内侧额叶脑回 −3 51 0 −3.66 69年
丹(集群大小> 35)
Temporal_Inf_R 48 60−−6 −4.62 37
Frontal_Sup_L 18−−3 63 −4.04 44
Occipital_Mid_L 72年24−−30 −3.34 42
Precuneus_R 0−78 51 −3.82 49
(集群大小> 36)
Frontal_Inf_Tri_L −39 39 12 −4.97 69年
Frontal_Mid_R 36 57 0 −4.32 41
Temporal_Mid_R 42−60 12 −3.63 84年
Temporal_Mid_L −−63 9 −3.60 50
Postcentral_L 63−−21 27 −3.87 104年
VN(集群大小> 34)
舌回 −69 0 4.29 186年
Calcarine_R 12 63−15 −3.64 35
pDMN(集群大小> 36)
Postcentral_R 27−30 42 4.07 68年
Precuneus_R 18−48 45 3.71 70年
Precuneus_L −−66 33 −4.41 52
Precuneus_R 21−63 30 −3.55 41

注意: P < 0.05,AlphaSim纠正。

两个示例的结果 t 以及( P < 0.05 AlphaSim相关)的患者之间的工匠们通过HC, BrainNet所示查看器。减少观察功能连通性(负的 T 值、最大峰值 T = - - - - - - 5.10 )在所有九个网络和增加(积极的 T 值、最大峰值 T = 4.29 )功能连通性是观察到在某些领域包括aDMN, VN, pDMN。

显示明显负相关性之间的意思 z 分数的roi提取改变工匠们和癫痫发作频率在岑(扣带回、压= 118 P = 0 。 0162年 , r = - - - - - - 0.353 ),一个(Frontal_Mid_R压= 41岁 P = 0 。 017年 , r = - - - - - - 0.35 )和VN (Calcarine_R压= 35岁 P = 0 。 0296年 , r = - - - - - - 0.321 )在图 4(一)。另一方面,均值之间的显著的负相关性 z 分数和癫痫的持续时间被发现在CN (Frontal_Sup_Medial_L压= 35岁 P = 0 。 0136年 , r = - - - - - - 0.362 )和SMN (Precentral_R压= 56岁 P = 0 。 00068年 7 , r = - - - - - - 0.482 ),如图 4 (b)。

之间显著的负相关性 z 分数roi和癫痫的频率(排名)在岑,一个,VN (a)所示。之间显著的负相关性 z 分数的roi和持续时间癫痫的CN和SMN (b)所示。

 3.2。互联网络改变的工匠们通过

显著相关组合提取两组分别和FNC地图为每个组的结果如图所示 5。发现28的36个可能的组合是重要的在通过组织结构(图 5(一个))和27的36个可能的组合是重要的HC组(图 5 (b))。无显著差异( P < 0.05 罗斯福纠正)被发现在每个组合之间通过和HC组。箭头表示一个工匠们之间的显著相关性( P < 0.05 罗斯福纠正)。例如,一个箭头连接CN和aDMN(指向后者通过集团)表明他们之间获得了显著相关。它指向的方向和箭头的颜色显示的时间间隔aDMN CN。

FNC结果通过集团的HC组(a)和(b);颜色条代表时滞(0 - 3 s)。箭头代表了工匠们之间的显著相关性( P < 0.05 罗斯福纠正);28组合是重要通过组27 HC组的组合是重要的。

FNC通过组织结构的结果显示改变inter-RSNs连接;组合和时间滞后的改变对工匠们。与对照组相比,组合被发现失去aDMN / SMN之间,CN/SRN, CN/pDMN,和SMN / pDMN,而组合之间被发现是新添加的CN/aDMN,岑/ aDMN岑/ SRN岑/ VN, AN / pDMN通过组。时间滞后被发现丹/ SMN之间CN/SMN之间低,但高于HC组。也观察到在组件之间的时间滞后的方向性差异(即。,从VN CN患者,而从CN VN控制)。

 4所示。讨论

这项研究集中在intranetwork改变的工匠们通过。九个工匠们选择进行分析。与HC组相比,减少功能连通性在所有九个工匠们;然而,在一些地区的工匠们,功能连通性是增加,包括aDMN (Cingulum_Mid_L Precuneus_R) VN(舌回),pDMN (Postcentral_R Precuneus_R)。相关分析发现发作频率之间显著负相关,岑扣带回(ROI),一个在Frontal_Mid_R (ROI),和VN Calcarine_R (ROI)和持续时间之间显著负相关癫痫和CN Frontal_Sup_Medial_L (ROI), SMN Precentral_R (ROI)。与HC组相比,变化的组合系统的工匠们在通过由FNC组,但无显著差异被发现通过组和HC组之间。

4.1。Intranetwork改变

静,假设参与认知功能与内在关联处理和外部输入( 30.),分为前地区(aDMN)和后(pDMN)在当前的研究中 31日]。静涉及PCC / PCUN双边顶叶下回、角回、颞中回、额上回、额内侧回( 25]。能源部等人发现在静息活动减少癫痫利用广泛的神经成像和电生理学方法,在复杂的部分,广义tonic-clonic,和没有发作 32]。他们支持网络抑制假设唤醒系统的活性抑制癫痫发作在某些皮层区域会导致大脑皮层失活在其他领域。许多研究[ 33, 34]给出了显著减少功能连通性在癫痫患者静息,包括aDMN pDMN。他们得出的结论是,它可能暂时降低意识水平和认知储备。廖等人发现功能和结构连接减少aDMN和pDMN通过使用功能和结构(路径长度和连接密度源自DTI tractography) MRI在mTLE [ 35),但张等人发现pDMN功能连通性增加,表明后扣带皮层可能起到补偿作用的改变静对mTLE [ 36]。在目前的研究中,静息状态的功能连通性下降可能表明认知障碍,和增加功能连通性pDMN可能通过患者起到补偿作用。一种解释是,pDMN参与发起的飙升和慢波放电活动( 15]。

在感知网络SMN包括预处理和中央后回,主要感觉运动皮层,补充运动区;一个主要包括双边和颞中回、Heschl回、颞极;VN包括低,中间,和枕上回temporal-occipital地区、顶叶脑回( 25]。Zhang et al。 36)在感知网络发现功能连通性降低包括与mTLE SMN和使用功能磁共振成像。他们还发现功能连通性增加初级视觉皮层和功能连通性降低双边MT +地区的VN。他们认为初级视觉功能没有受损,可能有赤字在mTLE高阶视觉功能。格兰特et al。 37]也认为mTLE初级视觉功能没有受损。伍德沃德et al。 14和杨et al。 38)发现通过患者表现出减少在汽车网络功能连通性。汉尼弗et al。 39]发现减少连接涉及领域的感觉运动皮层(视觉、感觉、听觉和主电机)的框架。本研究的工作提出了一致的结果与先前的结果通过或通过mTLE。

在现在的研究中,发现功能连通性下降在CN,岑,丹。三个网络可能存在的缺陷。CN (insula-cingulate皮层)对认知控制有重要影响,包括前扣带、双边岛,和背外侧前额叶皮层( 25]。岑(重点地区 40, 41)包括背外侧前额叶皮层和后顶叶皮层。丹被认为调解有目的的自上而下的处理( 25),主要包括中央和上级枕回,顶叶脑回,低劣,顶叶脑回、额中回、额上回。张等人也发现高阶认知过程包括CN,丹岑,减少在广义spike-and-wave放电使用EEG-fMRI失神发作( 36]。

功能连通性被发现在本研究SRN下降。SRN包括腹内侧前额叶皮层(vMPFC),轨道内侧前额叶皮层(MOPFC),回腹直肌,pregenual前扣带回(扣带皮层部位) 42, 43]。气等人研究了SRN的损伤最小的肝性脑病( 44,白等。 45]研究了改变的模式SRN遗忘轻度认知障碍,而很少有研究关注SRN癫痫。

功能连通性下降被认为是导致神经元连接在一个中断的功能网络和常用来反映认知障碍在脑部疾病( 46]。相反,增加功能连通性增强功能通常被解释为反映由于代偿机制( 47]。

更高频率的癫痫发作和癫痫与进展相关的长期灰质和白质的萎缩患者mTLE [ 48]。Zhang et al。 36)发现的功能连通性下降内侧颞叶癫痫的持续时间有关。在这项研究中,显示明显负相关性之间的发作频率和roi岑/ / VN。这可能表明应该与更多的障碍发作频率越高在岑扣带回(ROI),一个在Frontal_Mid_R (ROI),和VN Calcarine_R (ROI);显著负相关性被发现之间的持续时间在CN/SMN,癫痫和ROI,长期可能显示更多的障碍在CN Frontal_Sup_Medial_L (ROI)和SMN Precentral_R (ROI)。

 4.2。互联网络的改变

在这项研究中,发现组合在inter-RSNs丢失和新添加的连接与控制。此外,改变的时间滞后对工匠们被发现。Otti等人发现了连接性或组合在病人 49)与躯体疼痛疾病,表明损伤在系统级别上。相反,罗等人发现无显著差异的相互作用在两个框架之间的工匠们和HC ( 16]。然而,在这项研究中,没有发现显著差异的交互在两个工匠们在每个组合之间通过和HC组。对于这一现象的一种解释是,没有明显的损伤被发现在通过系统级。此外,小样本大小可能恶化统计学意义的另一个原因。这些发现可能有助于理解通过影响工匠们从全球视角。

限制。研究的范围包括温和的样本大小和混合药物的历史。此外,尽管本文专注于静息状态网络的功能,这可能是区域内每个组件,以及任何相应的条件,可能功能截然不同的角色。进一步的研究需要更多的图像数据和同步行为数据采集。

 5。结论

基于检测的工匠们通过使用ICA, 29日组件是由ICA提取和九个工匠们选择进行研究。本研究探讨了改变的所有9个网络通过患者。减少和增加功能连通性的发现可能有助于理解neuropath-physiological机制通过患者。工匠们的功能连通性下降可能意味着通过患者的损伤。增加功能连通性的工匠们可能表明在通过代偿机制。五个显著相关性的研究结果表明,癫痫的发作频率和持续时间影响的工匠们通过患者的条件。此外,本研究的工作是第一个研究显示的结果休息FNC工匠们在通过患者。结果可能会鼓励进一步的研究通过对人类大脑的影响。

 利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

作者要感谢张博士提供数据的患者通过HC,许博士对他有帮助的建议,为他的论文的修改和摩根。这项研究受到了中国自然科学基金(批准号。81422022,81271553,81201155,81171328,61131003,61378092,81401402),资助的年轻学者金陵医院(批准号2011061)和12.5关键格兰特(BWS11J063和10 z026)。

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