Human Brain Mapping

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to examine the pattern of activity of the prefrontal cortex during performance of subjects in a nonspatial working memory task. Subjects observed sequences of letters and responded whenever a letter repeated with exactly one nonidentical letter intervening. In a comparison task, subjects monitored similar sequences of letters for any occurrence of a single, prespecified target letter. Functional scanning was performed using a newly developed spiral scan image acquisition technique that provides high‐resolution, multislice scanning at approximately five times the rate usually possible on conventional equipment (an average of one image per second). Using these methods, activation of the middle and inferior frontal gyri was reliably observed within individual subjects during performance of the working memory task relative to the comparison task. Effect sizes (2–4%) closely approximated those that have been observed within primary sensory and motor cortices using similar fMRI techniques. Furthermore, activation increased and decreased with a time course that was highly consistent with the task manipulations. These findings corroborate the results of positron emission tomography studies, which suggest that the prefrontal cortex is engaged by tasks that rely on working memory. Furthermore, they demonstrate the applicability of newly developed fMRI techniques using conventional scanners to study the associative cortex in individual subjects. © 1994 Wiley‐Liss, Inc.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a severe neurodegenerative disease, which primarily targets the motor system. The structural integrity of the motor network and the way it is embedded in the overall brain network is essential for motor functioning. We studied the longitudinal effects of ALS on the brain network using diffusion tensor imaging and questioned whether over time an increasing number of connections become involved or whether there is progressive impairment of a limited number of connections. The brain network was reconstructed based on “whole brain” diffusion tensor imaging data. We examined: (1) network integrity in 24 patients with ALS at baseline (T = 1) and at a more advanced stage of the disease (T = 2; interval 5.5 months) compared with a group of healthy controls and (2) progressive brain network impairment comparing patients at two time‐points in a paired‐analysis. These analyses demonstrated an expanding subnetwork of affected brain connections over time with a central role for the primary motor regions (P‐values T = 1 0.003; T = 2 0.001). Loss of structural connectivity mainly propagated to frontal and parietal brain regions at T = 2 compared with T = 1. No progressive impairment of the initially affected (motor) connections could be detected. The main finding of this study is an increasing loss of network structure in patients with ALS. In contrast to the theory of ALS solely affecting a fixed set of primary motor connections, our findings show that the network of impaired connectivity is expanding over time. These results are in support of disease spread along structural brain connections. Hum Brain Mapp 35:1351–1361, 2014. © 2013 Wiley‐Periodicals, Inc.

Clustering functional magnetic resonance imaging (fMRI) time series has emerged in recent years as a possible alternative to parametric modeling approaches. Most of the work so far has been concerned with clustering raw time series. In this contribution we investigate the applicability of a clustering method applied to features extracted from the data. This approach is extremely versatile and encompasses previously published results [Goutte et al.,1999] as special cases. A typical application is in data reduction: as the increase in temporal resolution of fMRI experiments routinely yields fMRI sequences containing several hundreds of images, it is sometimes necessary to invoke feature extraction to reduce the dimensionality of the data space. A second interesting application is in the meta‐analysis of fMRI experiment, where features are obtained from a possibly large number of single‐voxel analyses. In particular this allows the checking of the differences and agreements between different methods of analysis. Both approaches are illustrated on a fMRI data set involving visual stimulation, and we show that the feature space clustering approach yields nontrivial results and, in particular, shows interesting differences between individual voxel analysis performed with traditional methods. Hum. Brain Mapping 13:165–183, 2001. © 2001 Wiley‐Liss, Inc.

Các nghiên cứu chụp cộng hưởng từ (MRI) đã nhấn mạnh khả năng điều tra hàm lượng sắt trong não sống. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã kết hợp phương pháp T2* relaxometry và phân đoạn tự động của nhân nền dựa trên hình ảnh T1‐weighted được thực hiện trên các đối tượng khỏe mạnh, với mục tiêu mô tả những thay đổi liên quan đến tuổi tác ở thể tích và giá trị relaxivity liên quan đến sắt (R2*) của các cấu trúc này. Ba mươi đối tượng khỏe mạnh đã tham gia chụp MRI tại 3 Tesla. Giá trị R2* trung bình và thể tích đã được tính toán cho các cấu trúc phụ vỏ não được chọn (pallidum, putamen, thalamus và nhân đuôi). Kết quả của chúng tôi cho thấy có sự tương quan giữa giá trị R2* và nồng độ sắt được tính toán từ dữ liệu sau khi tử vong đã công bố. Hơn nữa, chúng tôi quan sát thấy có sự co lại/tăng cường sắt với mô hình khác nhau ở các vùng giải phẫu được chọn trong nghiên cứu này, cho thấy sự thay đổi liên quan đến tuổi tác trên các tham số MRI này là đặc trưng cho cấu trúc phụ vỏ não được xem xét. Cụ thể, putamen cho thấy sự giảm thể tích và sự gia tăng hàm lượng sắt, với vùng phía sau của cấu trúc này có vẻ dễ bị lắng đọng sắt hơn. Công việc của chúng tôi cho thấy việc kết hợp đo thể tích và ước lượng hàm lượng sắt trong MRI cho phép điều tra những thay đổi sinh lý thần kinh và bệnh lý thần kinh của nhân nền trong thời gian sống.

Các chuyên gia về bàn tính, những người có kỹ năng tính toán tâm trí dựa trên bàn tính (AMC), có khả năng xử lý các con số qua một bàn tính tưởng tượng trong tâm trí và thể hiện khả năng phi thường trong tính toán tâm trí. Các nghiên cứu hành vi chỉ ra rằng các chuyên gia bàn tính sử dụng chiến lược hình ảnh trong việc giải quyết các vấn đề số, và các nghiên cứu fMRI xác nhận sự tham gia gia tăng của các nguồn thần kinh liên quan đến thị giác không gian trong AMC. Nghiên cứu này nhằm khám phá những thay đổi có thể trong chất trắng của não do việc đào tạo AMC lâu dài gây ra. Hai nhóm tương đương đã tham gia: nhóm bàn tính gồm 25 trẻ em với hơn 3 năm đào tạo trong tính toán bàn tính và AMC, nhóm đối chứng bao gồm 25 trẻ em không có kinh nghiệm với bàn tính. Chúng tôi phát hiện rằng nhóm bàn tính cho thấy độ nén phân tử trung bình cao hơn (FA) trong các bó sợi não toàn bộ, và các vùng với FA tăng được tìm thấy ở vùng thể chai, giao điểm thái dương đỉnh trái và khu vực tiền động cơ bên phải. Tuy nhiên, không có vùng nào cho thấy FA giảm trong nhóm bàn tính. Phân tích thêm tiết lộ rằng sự khác biệt trong giá trị FA chủ yếu được thúc đẩy bởi sự thay đổi của độ khuếch tán xuyên tâm hơn là chiều dọc. Hơn nữa, trong các bài kiểm tra ghi nhớ số và chữ cái theo chiều tới, nhóm AMC cho thấy tuổi thọ ghi nhớ số/chữ lớn hơn. Thú vị là, sự khác biệt cá nhân trong các bó chất trắng có mối tương quan tích cực với các khoảng ghi nhớ, cho thấy rằng sự gia tăng rộng rãi của FA trong nhóm bàn tính có thể là do đào tạo AMC. Kết luận, những phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng đào tạo AMC lâu dài từ một độ tuổi sớm có thể cải thiện năng lực ghi nhớ và tăng cường tính toàn vẹn trong các bó chất trắng liên quan đến các quá trình vận động và thị giác không gian. Hum Brain Mapp, 2010. © 2010 Wiley‐Liss, Inc.

Các nghiên cứu hình ảnh chức năng gần đây đã chỉ ra sự khác biệt trong hoạt động của não bộ giữa những thanh thiếu niên có năng khiếu toán học và nhóm đối chứng. Mục tiêu của nghiên cứu này là điều tra mối quan hệ giữa năng khiếu toán học, chỉ số thông minh (IQ) và cấu trúc vi mô của các bó sợi trắng trong một mẫu gồm các thanh thiếu niên có năng khiếu toán học và nhóm đối chứng có độ tuổi tương đương. Các đối tượng có năng khiếu toán học được chọn thông qua một chương trình quốc gia dựa trên việc phát hiện khả năng thị giác không gian vượt trội và tư duy sáng tạo. Chúng tôi đã sử dụng hình ảnh tensor khuếch tán để đánh giá cấu trúc vi mô của chất trắng trong kết nối giải phẫu thần kinh. Việc xử lý bao gồm phân tích theo voxel và theo vùng quan tâm đối với độ ưu thế phân đoạn (FA), một tham số được cho là có liên quan đến cấu trúc vi mô của chất trắng. Trong phân tích toàn bộ mẫu, IQ cho thấy mối tương quan dương đáng kể với FA, chủ yếu ở thể ch Corpus callosum, ủng hộ ý tưởng rằng việc chuyển thông tin hiệu quả giữa các bán cầu là rất quan trọng cho khả năng trí tuệ cao hơn. Ngoài ra, các thanh thiếu niên có năng khiếu toán học cho thấy FA tăng (đã điều chỉnh cho IQ) ở các bó sợi trắng kết nối các thùy trán với nhân nền và các vùng parietal. Sự kết nối giải phẫu tăng cường được quan sát thấy ở forceps minor và splenium có thể là nguyên nhân dẫn đến khả năng lý luận linh hoạt, trí nhớ làm việc thị giác không gian và khả năng sáng tạo vượt trội của những đứa trẻ này. Hum Brain Mapp 35:2619–2631, 2014. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.

Kích thích điện não xuyên sọ (tDCS) là một kỹ thuật kích thích não không xâm lấn, có khả năng thay đổi độ nhạy cảm và hoạt động của vỏ não theo cách phụ thuộc vào cực. Kích thích trong vài phút đã được chứng minh là gây ra những biến đổi dẻo của độ nhạy cảm vỏ não và cải thiện hiệu suất nhận thức. Những tác động này có thể được gây ra bởi sự thay đổi kết nối mạng chức năng vỏ não do kích thích. Chúng tôi nhằm mục đích nghiên cứu tác động của tDCS lên chức năng mạng vỏ não thông qua phân tích kết nối chức năng và lý thuyết đồ thị. Các ghi nhận riêng lẻ ở những tình nguyện viên khỏe mạnh với 62 kênh điện não đồ được thực hiện trước và sau 10 phút tDCS anodal hỗ trợ trên vỏ não vận động chính (M1), kết hợp với tDCS cathodal ức chế trên vỏ não frontopolar đối bên, trong trạng thái nghỉ và trong quá trình di chuyển tay tự nguyện. Ma trận tương quan chứa tất cả 62 cặp điện cực đã được tính toán bằng phương pháp xác suất đồng bộ (SL) và được ngưỡng hóa để xây dựng các đồ thị không định hướng cho các dải tần số θ, α, β, low‐γ và high‐γ. Các ma trận SL và đồ thị không định hướng đã được so sánh trước và sau tDCS. Các mẫu kết nối chức năng đã tăng đáng kể trong các khu vực tiền vận động, vận động và cảm giác vận động của bán cầu được kích thích trong hoạt động vận động ở dải tần số 60–90 Hz. Thêm vào đó, có sự thay đổi kết nối nội bán cầu và liên bán cầu đáng kể do tDCS gây ra ở tất cả các dải tần số được nghiên cứu. Tóm lại, chúng tôi lần đầu tiên cho thấy bằng chứng cho những thay đổi trong sự đồng bộ não và tổ chức chức năng topo do tDCS gây ra. Hum Brain Mapp, 2011. © 2010 Wiley‐Liss, Inc.

Nghiên cứu này đã kiểm nghiệm hai giả thuyết sau: (i) so với những người không phải là vận động viên, các vận động viên ưu tú có đặc điểm là hoạt hóa vỏ não giảm trong quá trình chuẩn bị cho hiệu suất thị giác-vận động chính xác; (ii) ở các vận động viên ưu tú, hiệu suất thị giác-vận động tối ưu có liên quan đến hoạt hóa vỏ não thấp. Để thực hiện điều này, dữ liệu điện não đồ (EEG; 56 kênh; Be Plus EB-Neuro) đã được ghi lại ở 18 tay bắn súng pít-tông trên không thuận tay phải và 10 người không phải vận động viên cũng thuận tay phải. Tất cả các đối tượng thực hiện 120 phát bắn. Dữ liệu EEG đã được tăng cường về mặt không gian bằng phương pháp ước tính Laplacian bề mặt. Với tham chiếu đến một khoảng thời gian cơ sở, sự giảm/tăng công suất các nhịp alpha trong khoảng thời gian trước phát bắn đã phản ánh sự hoạt hóa/cắt giảm vỏ não (sự đồng bộ/hỗn loạn liên quan đến sự kiện, ERD/ERS). Liên quan đến giả thuyết (i), ERD alpha tần số thấp (khoảng 8-10 Hz) và tần số cao (khoảng 10-12 Hz) có biên độ thấp hơn ở các vận động viên ưu tú so với những người không phải vận động viên trên toàn bộ da đầu. Liên quan đến giả thuyết (ii), các vận động viên ưu tú cho thấy ERS alpha tần số cao (khoảng 10-12 Hz) có biên độ lớn hơn đối với những phát bắn đạt điểm cao (50%) so với những phát bắn có điểm thấp; điều này đúng ở vùng chẩm bên phải và vùng trung tâm bên trái. Một phân tích kiểm soát đã xác nhận những kết quả này với một chỉ báo khác về hoạt hóa vỏ não (ERD beta, khoảng 20 Hz). Phân tích kiểm soát cũng chỉ ra rằng sự giảm biên độ của ERD alpha cho những phát bắn đạt điểm cao so với thấp không được quan sát thấy ở những người không phải vận động viên. Những phát hiện hiện tại cho thấy rằng ở các vận động viên ưu tú (chuyên gia), hiệu suất thị giác-vận động có liên quan đến sự giảm toàn cầu của hoạt động vỏ não, như một chỉ số khả năng chọn lọc không gian của các quá trình vỏ não (“hiệu quả thần kinh”). Nhân não học, 2009. © 2009 Wiley-Liss, Inc.

Trong thời thơ ấu, cấu trúc và chức năng não bộ thay đổi đáng kể. Gần đây, lý thuyết đồ thị đã được giới thiệu để mô hình hóa sự kết nối trong não. Các mạng lưới thế giới nhỏ, như não, kết hợp các đặc tính tối ưu của cả mạng lưới có trật tự và mạng lưới ngẫu nhiên, tức là, độ cụm cao và chiều dài đường đi ngắn. Chúng tôi đã sử dụng các khái niệm lý thuyết đồ thị để kiểm tra những thay đổi trong các mạng lưới chức năng của não trong quá trình phát triển bình thường ở trẻ nhỏ. Điện não đồ (EEG) trạng thái nghỉ với mắt nhắm (14 kênh) đã được ghi lại từ 227 trẻ em hai lần ở độ tuổi 5 và 7. Khả năng đồng bộ hóa (SL) được tính toán trong ba dải tần số khác nhau và giữa mỗi cặp điện cực để có được các đồ thị có trọng số SL. Chỉ số cụm chuẩn hóa trung bình, chiều dài đường đi trung bình và phân tán trọng số đã được tính toán để đặc trưng hóa tổ chức mạng. Phân tích phương sai với các phép đo lặp lại đã kiểm tra hiệu ứng theo thời gian và giới tính. Đối với tất cả các dải tần số, SL trung bình giảm từ 5 đến 7 tuổi. Hệ số cụm tăng trong dải alpha. Chiều dài đường đi tăng trong tất cả các dải tần số. Phân tán trọng số trung bình chuẩn hóa giảm trong dải beta. Các bé gái cho thấy sự đồng bộ hóa cao hơn cho tất cả các dải tần số và có hệ số cụm trung bình cao hơn trong các dải alpha và beta. Sự giảm tổng thể trong tính kết nối chức năng (SL) có thể phản ánh việc cắt tỉa các synapse không sử dụng và bảo tồn các kết nối mạnh, dẫn đến các mạng lưới hiệu quả hơn về chi phí. Theo đó, chúng tôi nhận thấy sự gia tăng trong hệ số cụm trung bình và chiều dài đường đi cũng như sự giảm phân tán trọng số cho thấy rằng sự trưởng thành não bình thường được đặc trưng bởi sự chuyển dịch từ mạng lưới chức năng ngẫu nhiên sang mạng lưới thế giới nhỏ có tổ chức hơn. Quy trình phát triển này bị ảnh hưởng bởi sự khác biệt giới tính từ sớm trong quá trình phát triển. Hum Brain Mapp, 2011. © 2010 Wiley‐Liss, Inc.