Mạng lưới chức năng não người có khả năng chống chịu, tần số thấp và cấu trúc tiểu thế giới với các nút vỏ não liên kết cao

Journal of Neuroscience - Tập 26 Số 1 - Trang 63-72 - 2006
Sophie Achard1, Raymond Salvador2,3, Brandon Whitcher4, John Suckling2, Edward T. Bullmore2,4
1Wolfson Brain Imaging Centre, University of Cambridge, Department of Psychiatry, Addenbrooke's Hospital, Cambridge CB2 2QQ, United Kingdom.
2Brain Mapping Unit and Wolfson Brain Imaging Centre, University of Cambridge, Departments of Psychiatry and Clinical Neurosciences, Addenbrooke's Hospital, Cambridge CB2 2QQ, United Kingdom,
3Sant Joan de Deu-Serveis de Salut Mental, Sant Boi de Llobregat, Spain, and
4Translational Medicine and Genetics, GlaxoSmithKline, Cambridge CB2 2QQ, United Kingdom

Tóm tắt

Các đặc tính tiểu thế giới đã được chứng minh cho nhiều mạng lưới phức tạp. Ở đây, chúng tôi áp dụng biến đổi wavelet rời rạc cho chuỗi thời gian chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI), thu được từ các tình nguyện viên khỏe mạnh trong trạng thái nghỉ, để ước lượng các ma trận tương quan phụ thuộc tần số đặc trưng cho tính kết nối chức năng giữa 90 vùng não vỏ và não dưới vỏ. Sau khi vượt ngưỡng các ma trận tương quan wavelet để tạo ra các đồ thị không có hướng của các mạng lưới chức năng của não, chúng tôi phát hiện cấu trúc tiểu thế giới với các kết nối thưa thớt rõ ràng nhất trong khoảng tần số thấp 0,03–0,06 Hz. Chiều dài đường đi trung bình toàn cầu (2,49) tương đương với một mạng ngẫu nhiên tương đương, trong khi cụm (0,53) cao gấp đôi; các tham số tương tự đã được báo cáo cho mạng lưới kết nối giải phẫu trong vỏ não khỉ macaque. Mạng lưới chức năng của con người được chi phối bởi một lõi vỏ não mới với các nút liên kết cao và có phân phối độ mạnh theo quy luật lũy thừa giảm dần theo cấp số nhân. Các nút bao gồm các vùng gần đây đã tiến hóa của vỏ não hiệp đồng với các kết nối đường dài đến các vùng khác, và các vùng kết nối chặt chẽ hơn của vỏ não hiệp đồng đơn và vỏ não nguyên phát; các vùng liềm và limbic có vị trí về mặt cấu trúc tương đối ngoại vi hơn. Mạng lưới này có khả năng chống chịu tốt hơn đối với các cuộc tấn công có chủ đích vào các nút của nó so với một mạng lưới không tỉ lệ tương ứng, nhưng gần như có khả năng chống chịu tương đương đối với lỗi ngẫu nhiên. Chúng tôi kết luận rằng các dao động tương quan tần số thấp trong dữ liệu fMRI của con người có kiến trúc tiểu thế giới có thể phản ánh kết nối giải phẫu cơ bản của vỏ não. Bởi vì các nút chính của mạng lưới này là rất quan trọng cho nhận thức, động lực chậm của nó có thể cung cấp một cơ sở sinh lý cho quá trình xử lý thông tin phân đoạn và phân tán.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

10.1103/RevModPhys.74.47

10.1038/35019019

10.1073/pnas.200327197

Barabási AL (2003) Linked. London: Penguin.

10.1126/science.286.5439.509

10.1214/aos/1013699998

10.1002/mrm.1910340409

2004, NeuroImage, 23, S234, 10.1016/j.neuroimage.2004.07.012

2000, Am J Neuroradiol, 22, 1326

10.1103/PhysRevLett.94.018102

Gençay R, Selçuk F, Whitcher BJ (2001) An introduction to wavelets and other filtering methods in finance and economics. San Diego: Academic.

10.1098/rstb.2000.0551

10.1016/S1053-8119(03)00112-5

Humphries MD, Gurney K, Prescott TJ (2005) Small world and scale-free properties of the brainstem reticular formation. Proc R Soc Lond B Biol Sci, in press.

10.1016/j.neucom.2004.01.059

10.1103/PhysRevE.69.036103

1989, Inform Process Lett, 31, 7, 10.1016/0020-0190(89)90102-6

10.1016/j.mri.2004.09.005

10.1016/j.neunet.2003.06.002

Koutsofios E, North S (1991) Drawing graphs with dot. Technical Report 910904-59113-08TM. Murray Hill, NJ: AT&T Bell Laboratories.

10.1126/science.1089662

10.1093/cercor/13.4.422

2001, J Neurosci, 21, 1370, 10.1523/JNEUROSCI.21-04-01370.2001

10.1006/nimg.1997.0315

10.1016/j.neuroimage.2004.10.044

10.1006/nimg.1996.0069

Mesulam M-M (2000) Principles of behavioural and cognitive neurology. New York: Oxford UP.

10.1006/jtbi.2001.2460

Percival DB, Walden AT (2000) Wavelet methods for time series analysis. Cambridge, UK: Cambridge UP.

10.1098/rstb.2005.1645

10.1093/cercor/bhi016

10.1385/NI:2:2:145

10.1016/j.tics.2004.07.008

10.1016/j.neulet.2003.10.063

10.1098/rstb.2000.0552

10.1038/35065725

10.1016/j.neuroimage.2003.09.056

10.1016/S1364-6613(98)01259-5

10.1006/nimg.2001.0978

10.1038/30918

2000, J Geophys Res, 105, 941

Wink A-M, Bernard F, Salvador R, Bullmore E, Suckling J (2005) Age and cholinergic effects on hemodynamics and functional coherence of human hippocampus. Neurobiol Aging, in press.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Journal of Neuroscience

Tập 26 Số 1

63-72

Thông tin tác giả