Структурные связи предклинья головного мозга: что показывает трактография

Введение в анатомию и функции предклинья

Предклинье является ассоциативной областью на заднемедиальной коре головного мозга, которая граничит с соматосенсорной, задней теменной, задней поясной и зрительной корой. Оно участвует в высокоинтегрированных когнитивных функциях, включая визуально-пространственную обработку, извлечение эпизодической памяти, обработку саморелевантной информации и сознание. Общепринято считать, что паттерны функциональной связности (ФС) отражают лежащую в их основе структурную связность (СС). Однако наше понимание анатомических связей предклинья, которые могли бы лежать в основе этих когнитивных функций, остается ограниченным. Данное исследование aimed охарактеризовать кортико-кортикальные связи с помощью вероятностной трактографии и затем проанализировать взаимосвязь СС-ФС в состоянии покоя.

Нейроанатомия и парцелляция по HCP MMP атласу

Согласно традиционным анатомическим описаниям, предклинье ограничено краевой ветвью поясной борозды спереди, теменно-затылочной щелью сзади и подтеменной бороздой снизу. Территория предклинья совместима с медиальным протяжением области Бродмана 7 (БА7). Для выполнения трактографии на основе атласа мы использовали мультимодальную парцелляцию проекта «Коннектом человека» (HCP MMP атлас) — обновленную карту коры головного мозга человека. HCP MMP атлас состоит из 180 отдельных областей на каждое полушарие, delineated комбинацией мультимодальных данных нейровизуализации, включая толщину коры, миелинизацию, фМРТ в состоянии покоя и фМРТ на основе задач. Мы ограничили территорию предклинья медиальным протяжением БА7, что соответствует пяти корковым областям HCP MMP атласа: 7Am, PCV, 7Pm, 7m и POS2.

Материалы и методы исследования

Источник данных и получение МРТ

Данные нейровизуализации здоровых молодых людей были публично получены из базы данных проекта «Коннектом человека» (HCP). В исследовании проанализированы данные 33 здоровых молодых взрослых несвязанных субъектов. Консорциум HCP разработал общий протокол получения данных МРТ. Структурные данные (T1-взвешенное изображение) состояли из одного скана с изотропным разрешением 0.7 мм для каждого субъекта. Для диффузионной МРТ (дМРТ) данные были получены с пространственным разрешением 1.25 мм, множественными угловыми контрастами и высоким отношением сигнал/шум. Для фМРТ в состоянии покоя (фМРТп) было получено в общей сложности 4 запуска фМРТ с изотропным разрешением 2 мм.

Вероятностная трактография

Для проведения вероятностной трактографии с данными дМРТ каждого субъекта мы использовали программный пакет MRtrix3. Мы сначала сгенерировали изображение с тканевой сегментацией, подходящее для анатомически-ограниченной трактографии (ACT). Затем мы оценили функции отклика из предобработанных диффузионно-взвешенных изображений для оценки распределений ориентаций волокон (FOD) на основе ограниченной сферической деконволюции (CSD) с использованием алгоритма iFOD2. Затем мы провели трактографию с использованием команды «tckgen».

Матрица связей тракт и карта плотности конечных точек

После проведения трактографии всего мозга на уровне субъекта мы создали групповую среднюю матрицу структурных связей на основе протокола BATMAN_tutorial. Аннотации HCP MMP атласа были нанесены на изображение мозга каждого субъекта в FreeSurfer. Чтобы охарактеризовать профиль связей тракт, исходящих из 5 областей интереса (РОИ) предклинья, мы получили матрицу связей, представляющую количество тракт между каждой корковой областью в HCP MMP атласе на уровне субъекта. Карта плотности конечных точек тракт представляет собой конечные точки тракт для каждой корковой области из 5 РОИ предклинья на полушарие на групповом среднем шаблонном мозге.

Функциональная МРТ в состоянии покоя

Данные фМРТп были загружены из пакета HCP S1200. Функциональная связность (ФС) измерялась с помощью коннектомного工具箱 CONN в кроссплатформенном Статистическом Параметрическом Отображении (SPM12). Для парцелляции корковых областей в CONN был incorporated общедоступный атлас HCP MMP1.0 для анализа ФС. На уровне субъекта все измерения ФС были получены из CONN как анализы первого уровня. Контрастные изображения, специфичные для субъекта, которые отражают стандартизированный коэффициент корреляции, были обработаны.

Результаты исследования

Внутриполушарная структурная связность предклинья

Мы исследовали внутриполушарную СС предклинья с помощью вероятностной трактографии. Групповые средние карты плотности конечных точек тракт, исходящих из 5 РОИ предклинья, были визуализированы на поверхности среднего группового мозга в левом и правом полушарии соответственно. Тепловая карта показывает групповую среднюю матрицу связей количества тракт для соединения 5 РОИ предклинья с 22 Кортикальными Подразделениями HCP MMP атласа.

Передне-дорсальная область (7Am) была обширно связана с лобной, теменной, латеральной височной долей и прилегающей поясной корой. Передне-вентральная область (PCV) была связана с лобной, теменной долей и прилегающей поясной корой. Задне-дорсальная область (7Pm) была широко связана с теменной, височной долей и прилегающей поясной корой. Задне-вентральная область (7m) была связана с теменной, височной долей и прилегающей поясной корой. Передняя стенка POS (POS2), самая задняя часть, была обширно связана с лобной, теменной, височной долей и прилегающей поясной корой. В частности, POS2 была специфически связана с прилегающими зрительными областями.

Внутриполушарная функциональная связность в состоянии покоя

Мы проанализировали ФС на основе затравки с данными фМРТп тех же субъектов. Регионы со значительными нейронными коррелятами были визуализированы на шаблонном мозге, показывая характерные нейронные корреляты каждой затравки предклинья. Тепловая карта показывает групповую среднюю матрицу функциональных связей между каждой затравкой предклинья и 22 Кортикальными Подразделениями HCP MMP атласа.

Области предклинья показали более высокую силу ФС с префронтальной корой, верхней и нижней теменной долей и прилегающей задней поясной корой. В частности, POS2 была специфически связана с прилегающими зрительными областями.

Межполушарная связность и взаимосвязь СС-ФС

Мы также проанализировали межполушарную СС и ФС предклинья. Чтобы сравнить паттерны связей между межполушарьем и внутриполушарьем, мы показали их side by side. Для оценки латеральности across полушарий мы рассчитали индекс латеральности (ИЛ) парных связей для СС и ФС. В целом, СС tends показывать более низкие значения ИЛ (более высокая межполушарная связность) в Подразделении Первичной_Зрительной_Коры, в то время как она tends указывать на более высокие значения ИЛ (более высокая внутриполушарная связность) в Подразделениях ParaCentral_MidCing, Posterior_Cingulate и AntCing_MedPFC.

Мы исследовали взаимосвязь между СС и ФС предклинья. Мы сначала обратились к вопросу, существует ли indeed взаимосвязь между СС и ФС, рассчитав коэффициент корреляции всего мозга на уровне субъекта. Изучив все парные связи во всем мозге, мы обнаружили, что существует взаимосвязь СС-ФС (коэффициент корреляции Спирмена = 0.282–0.363 на уровне субъекта). Затем коэффициент корреляции СС-ФС был рассчитан между каждой РОИ предклинья и всем полушарием на групповом уровне.

Обсуждение результатов

В текущем исследовании мы показали характерную СС предклинья с помощью вероятностной трактографии и взаимосвязь СС-ФС на основе HCP MMP атласа. Общепринято hypothesize, что паттерны ФС отражают лежащие в основе анатомические связи. Предклинье связано с высокоинтегрированными когнитивными функциями. Наши результаты revealed его характерный connectional профиль как структурного ядра человеческого мозга.

Предклинье расположено в срединных корковых регионах, которые включают медиальную префронтальную кору (мПФК), заднюю поясную/ретроспленальную кору (ППК/РСК) и парагиппокамп. Наши результаты трактографии indicated, что переднее предклинье (7Am) имеет обширные связи с лобной, теменной и височной долями, что могло бы поддерживать нейронные сети саморелевантных процессов, памяти и сознания. Текущее исследование revealed, что область POS2 специфически связана с прилегающими первичными, ранними и высокоуровневыми зрительными областями.

Это исследование показало корреляцию СС-ФС предклинья to some extent, что согласуется с предыдущим отчетом. В целом, эти результаты might отражать гомотопическую связность (ГС), которая refers к гомотопии между зеркальными межполушарными areas, наблюдаемыми в состоянии покоя.

Кора головного мозга человека формирует крупномасштабные сети со сложными паттернами дивергентной и конвергентной связности. Предклинье является ассоциативной областью, расположенной на заднемедиальной коре, граничащей с сетями по умолчанию, сенсомоторными, дорсальной и вентральной внимания, лобно-теменной и зрительной сетями основных сетей состояния покоя. Коллективно, характерные кортико-кортикальные связи предклинья в текущем исследовании могли бы поддерживать его интегрированные когнитивные функции.

Ограничения исследования и выводы

Несколько вопросов требуют дальнейшего изучения. Несмотря на advancements в методологических techniques и приложениях, у нас нет консенсуса regarding лучшей methodology в трактографии и анализе фМРТ. Наше коннектомное исследование utilized predefined атлас. Парцелляция мозга appropriately и precisely является сложной задачей в настоящее время. Применение трактографии utilized интерфейс серое вещество/белое вещество (СВ/БВ) как узлы сети для построения СС, в то время как ФС analyzed корреляцию между дистальными areas СВ как РОИ. Это различие might result в неточной оценке отношения СС-ФС.

В заключение, наши результаты вероятностной трактографии revealed характерные кортико-кортикальные связи предклинья, которые коррелируют с ФСп. Характерные анатомические связи в текущем исследовании могли бы поддерживать его интегрированные когнитивные функции.