Human Brain Mapping

Phân cụm chuỗi thời gian hình ảnh cộng hưởng từ chức năng (fMRI) đã nổi lên trong những năm gần đây như một phương pháp khả thi thay thế cho các phương pháp mô hình tham số. Hầu hết các công trình cho đến nay đều tập trung vào việc phân cụm các chuỗi thời gian thô. Trong bài viết này, chúng tôi điều tra tính khả thi của phương pháp phân cụm được áp dụng cho các đặc trưng được trích xuất từ dữ liệu. Phương pháp này cực kỳ linh hoạt và bao gồm các kết quả đã được công bố trước đây [Goutte et al.,1999] như là các trường hợp đặc biệt. Một ứng dụng điển hình là trong việc giảm kích thước dữ liệu: khi độ phân giải tạm thời của các thí nghiệm fMRI tăng lên thường xuyên dẫn đến các chuỗi fMRI chứa hàng trăm hình ảnh, đôi khi cần phải sử dụng trích xuất đặc trưng để giảm chiều của không gian dữ liệu. Một ứng dụng thú vị thứ hai là trong meta‐phân tích của các thí nghiệm fMRI, trong đó các đặc trưng được lấy từ một số lượng có thể lớn các phân tích voxel đơn. Đặc biệt, điều này cho phép kiểm tra sự khác biệt và sự đồng thuận giữa các phương pháp phân tích khác nhau. Cả hai phương pháp đều được minh họa trên một tập dữ liệu fMRI liên quan đến kích thích thị giác, và chúng tôi cho thấy rằng phương pháp phân cụm không gian đặc trưng mang lại kết quả không tầm thường và, đặc biệt, cho thấy những khác biệt thú vị giữa các phân tích voxel cá nhân được thực hiện bằng các phương pháp truyền thống. Hum. Brain Mapping 13:165–183, 2001. © 2001 Wiley‐Liss, Inc.

Bệnh xơ cứng teo cơ một bên (ALS) là một bệnh thoái hóa thần kinh nghiêm trọng, chủ yếu ảnh hưởng đến hệ thống vận động. Độ vững chắc của mạng lưới vận động và cách mà nó được kết hợp vào mạng lưới não tổng thể là rất quan trọng cho các chức năng vận động. Chúng tôi đã nghiên cứu các tác động theo chiều dọc của ALS lên mạng lưới não bằng cách sử dụng hình ảnh tensor khuếch tán và đặt câu hỏi liệu theo thời gian, số lượng mối liên kết ngày càng tăng hoặc liệu có sự suy giảm tiến triển của một số mối liên kết bị giới hạn. Mạng lưới não được tái xây dựng dựa trên dữ liệu hình ảnh tensor khuếch tán "toàn bộ não". Chúng tôi đã xem xét: (1) độ toàn vẹn của mạng lưới ở 24 bệnh nhân mắc ALS tại thời điểm khởi đầu (T = 1) và ở giai đoạn phát triển của bệnh (T = 2; khoảng thời gian 5.5 tháng) so với một nhóm đối chứng khỏe mạnh và (2) sự suy giảm mạng lưới não tiến triển so sánh bệnh nhân ở hai thời điểm trong phân tích ghép. Các phân tích này cho thấy một mạng phụ mở rộng của các kết nối não bị ảnh hưởng theo thời gian với vai trò trung tâm của các vùng vận động chính (P - giá trị T = 1 0.003; T = 2 0.001). Sự mất kết nối cấu trúc chủ yếu lan tỏa đến các vùng não trán và đỉnh ở T = 2 so với T = 1. Không phát hiện được sự suy giảm tiến triển của các kết nối (vận động) ban đầu bị ảnh hưởng. Kết quả chính của nghiên cứu này là sự mất cấu trúc mạng ngày càng gia tăng ở bệnh nhân mắc ALS. Ngược lại với lý thuyết cho rằng ALS chỉ ảnh hưởng đến một tập hợp mối liên kết vận động chính cố định, phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng mạng lưới kết nối bị suy giảm đang mở rộng theo thời gian. Những kết quả này hỗ trợ cho việc bệnh lan rộng dọc theo các kết nối cấu trúc của não. Hum Brain Mapp 35:1351–1361, 2014. © 2013 Wiley‐Periodicals, Inc.

Chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) đã được sử dụng để kiểm tra mô hình hoạt động của vỏ não trước trán trong quá trình thực hiện nhiệm vụ trí nhớ làm việc phi không gian của các đối tượng. Các đối tượng đã quan sát các chuỗi chữ cái và đáp ứng bất cứ khi nào một chữ cái được lặp lại với đúng một chữ cái không giống nhau xen giữa. Trong một nhiệm vụ so sánh, các đối tượng theo dõi các chuỗi chữ cái tương tự để tìm bất kỳ sự xuất hiện nào của một chữ cái mục tiêu được chỉ định trước. Việc quét chức năng được thực hiện bằng một kỹ thuật thu thập hình ảnh quét xoắn ốc mới phát triển, cung cấp quét đa lát có độ phân giải cao với tốc độ khoảng năm lần so với tốc độ thông thường trên thiết bị thông thường (trung bình một hình ảnh mỗi giây). Sử dụng những phương pháp này, sự kích hoạt của các gyros trán giữa và trán dưới đã được quan sát một cách đáng tin cậy trong từng đối tượng trong quá trình thực hiện nhiệm vụ trí nhớ làm việc so với nhiệm vụ so sánh. Kích thước hiệu ứng (2–4%) gần giống với những gì đã được quan sát trong các vỏ não cảm giác và vận động chính bằng các kỹ thuật fMRI tương tự. Hơn nữa, sự kích hoạt tăng và giảm với thời gian nhất quán cao với các thao tác nhiệm vụ. Những phát hiện này xác nhận kết quả của các nghiên cứu chụp phát xạ positron, điều này gợi ý rằng vỏ não trước trán được huy động bởi những nhiệm vụ phụ thuộc vào trí nhớ làm việc. Thêm vào đó, chúng chứng minh khả năng áp dụng của các kỹ thuật fMRI mới phát triển sử dụng máy quét thông thường để nghiên cứu vỏ não liên kết ở các đối tượng cá nhân. © 1994 Wiley‐Liss, Inc.

Các nghiên cứu hậu mortem về bệnh Parkinson (PD) cho thấy rằng sự tích tụ của bệnh lý thể Lewy diễn ra theo chuỗi hình thái không gian có thể dự đoán, bắt đầu từ củ khứu, tiếp theo là thân não sau, chất đen, vỏ não limbic và vỏ não mới. Hình ảnh khuếch tán (DWI) có độ nhạy cao, nếu không muốn nói là không đặc hiệu, đối với những thay đổi trong chất trắng (WM) liên quan đến bệnh lý giai đoạn sớm trong nhiều bệnh lý não chấn thương và thoái hóa. Mặc dù nhiều nghiên cứu cắt ngang đã báo cáo sự khác biệt về DWI trong chất trắng não ở bệnh PD, chỉ có một vài nghiên cứu theo chiều dọc đã điều tra xem sự thay đổi của DWI có vượt qua sự lão hóa bình thường hay đồng thời với sự tích tụ thể Lewy khu vực hay không. Nghiên cứu này đã lập bản đồ sự khác biệt về tỷ lệ thay đổi vi cấu trúc dựa trên DWI giữa 29 bệnh nhân PD và 43 người đối chứng cùng tuổi trong khoảng thời gian 18 tháng. Phép đăng ký dựa trên tensor, được thực hiện lặp lại trong và giữa các đối tượng, đã hoàn thành trên các hình ảnh DWI đã được sửa biến động và dòng điện cảm ứng, sau đó các bản đồ sự khác biệt của độ anisotropy phân đoạn, độ khuếch tán trung bình, độ khuếch tán ra ngoài và theo trục đã được phân tích trong công cụ Lập bản đồ tham số sinh học cho MATLAB. Phân tích này cho thấy bệnh nhân PD có sự suy giảm cao hơn về tính toàn vẹn của chất trắng ở thân não rostral, chất trắng dưới vỏ não caudal và các cuống tiểu não, so với các đối chứng. Ngoài ra, bệnh nhân có dấu hiệu lâm sàng đơn phương tại thời điểm ban đầu trải qua tỷ lệ thay đổi chất trắng cao hơn trong suốt 18 tháng nghiên cứu so với bệnh nhân có dấu hiệu hai bên. Những phát hiện này cho thấy rằng tỷ lệ thay đổi vi cấu trúc chất trắng trong PD vượt qua sự lão hóa bình thường và đạt mức tối đa trong giai đoạn đầu của bệnh. Thêm vào đó, các vị trí giải phẫu thần kinh (thân não rostral và chất trắng dưới vỏ não) của sự thay đổi chất trắng gia tăng phù hợp với các lý thuyết hiện tại về sự tiến triển của bệnh theo hình thái không gian.

Biểu hiện lâm sàng của bệnh Huntington (HD) gồm các triệu chứng vận động, nhận thức và tâm lý, trong đó sự khó chịu là một biểu hiện quan trọng. Mục tiêu của chúng tôi là xác định các thay đổi chức năng và cấu trúc não liên quan đến sự khó chịu ở những người mang gen tiền triệu chứng HD (preHD). Hai mươi người mang gen preHD và 20 đối chứng âm tính gen từ các gia đình có HD đã tham gia nghiên cứu. Mặc dù xác suất khởi phát bệnh trong 5 năm chỉ là 11%, nhóm preHD cho thấy sự teo não vùng đuôi và mức độ khó chịu cao hơn. Chụp MRI chức năng được thực hiện trong một thí nghiệm kích thích cảm xúc bằng cách hồi tưởng các tập tự truyện cảm xúc (giận dữ, buồn bã và hạnh phúc) và trung tính. Trong khi không có sự khác biệt đáng kể giữa các nhóm về cường độ cảm xúc chủ quan, nhóm preHD cho thấy sự hoạt hóa chọn lọc đối với cơn tức giận trong một mạng lưới phân tán, bao gồm pulvinar, vỏ não cingulate và vỏ não cảm giác kết hợp, so với các đối chứng âm tính gen. Hoạt hóa pulvinar trong trải nghiệm tức giận tương quan nghịch với thể tích chất xám ở putamen và tương quan dương với điểm số khó chịu trong nhóm preHD. Ngoài ra, nhóm preHD cho thấy sự giảm hoạt hóa chọn lọc đối với cơn tức giận ở amygdala, điều này tương quan với thể tích chất xám ở putamen và caudate. Kết luận, so với các đối chứng âm tính gen, trải nghiệm tức giận ở preHD liên quan đến những thay đổi hoạt động trong một tập hợp các vùng được biết đến liên quan đến việc điều chỉnh cảm xúc. Hoạt động tăng lên có mối liên hệ với các biện pháp hành vi và thể tích, cung cấp cái nhìn về bệnh sinh học của các triệu chứng tâm thần kinh sớm ở preHD. Hum Brain Mapp 36:2681–2690, 2015. © 2015 Wiley Periodicals, Inc.

Sự hiện diện của các tổn thương chất trắng ở bệnh nhân mắc bệnh mạch máu nhỏ não (SVD) là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến suy giảm nhận thức. Chúng tôi đã nghiên cứu mối quan hệ giữa vị trí hyperintensities chất trắng (WMH) và khả năng điều hành cũng như ngôn ngữ ở 442 bệnh nhân SVD không có chứng mất trí với mức độ gánh nặng WMH khác nhau. Chúng tôi đã sử dụng các bài kiểm tra Đọc từ Stroop, Đặt tên màu Stroop, Đặt tên màu-từ Stroop và Lưu loát thể loại như những biện pháp ngôn ngữ với các yêu cầu điều hành khác nhau. Bài kiểm tra Modalities Ký hiệu Số (SDMT) được sử dụng như một nhiệm vụ kiểm soát, vì nó đo tốc độ xử lý mà không yêu cầu sử dụng ngôn ngữ hay phát ngôn. Một phương pháp lập bản đồ tổn thương-symptom dựa trên voxel (VLSM) đã được sử dụng, được điều chỉnh cho độ tuổi, giới tính, giáo dục và thể tích tổn thương. Phân tích VLSM đã chỉ ra các cụm có ý nghĩa thống kê cho các bài kiểm tra yêu cầu sử dụng ngôn ngữ, nhưng không cho SDMT. Các điểm số tệ hơn trên tất cả các bài kiểm tra đều liên quan đến WMH ở forceps minor, các tia thalamic và nhân đuôi. Kết luận, một mối liên hệ đã được tìm thấy giữa WMH ở một mạng lưới frontostriatal lõi và khả năng điều hành-ngôn ngữ trong SVD, độc lập với thể tích tổn thương và tốc độ xử lý. Mạch lạc này hỗ trợ các chức năng điều hành-ngôn ngữ có thể có tầm quan trọng lâm sàng cho người cao tuổi mắc SVD. Việc kiểm tra ngôn ngữ chi tiết hơn là cần thiết trong các nghiên cứu tương lai để làm rõ bản chất của những khó khăn trong sản xuất ngôn ngữ ở SVD.

Dù hiệu suất vận động có thể được cải thiện thông qua sự thực hành tâm lý, nền tảng thần kinh học của sự kích thích tâm lý (ý tưởng) trong một nhiệm vụ vận động vẫn chưa được thiết lập rõ ràng. Chúng tôi đã sử dụng hình ảnh cộng hưởng từ vận hành tương phản mức oxy trong máu ở độ phóng đại 1.5 T để xác định các vùng có hoạt động thần kinh tăng lên trong quá trình thực hiện và ý tưởng của một nhiệm vụ vận động. Năm đối tượng đã thực hiện một nhiệm vụ đối kháng ngón tay và ngón cái theo thứ tự và cũng hình dung bản thân họ đang thực hiện nhiệm vụ này mà không có bất kỳ chuyển động cơ bắp thực tế nào. Ở tất cả các đối tượng, vỏ não cảm giác vận động chính bên trái cho thấy nhiều hoạt động hơn khi có chuyển động thực tế so với ý tưởng vận động, nhưng hai đối tượng đã có sự hoạt hóa đáng kể với ý tưởng vận động. Khu vực tiền vận động bên trái cho thấy hoạt động tương đương giữa thực hiện và hình dung trong ba đối tượng. Những phát hiện này hỗ trợ sự tham gia của vùng vận động chính cũng như khu vực tiền vận động trong ý tưởng vận động. © 1995 Wiley‐Liss, Inc.

Việc nhận diện các từ in yêu cầu sự ánh xạ giữa các hình thức đồ họa, điều này thay đổi theo các hệ thống chữ viết, và các hình thức ngôn ngữ, điều này thay đổi theo các ngôn ngữ. Sử dụng một phương pháp phân tích tổng hợp mới được phát triển, các nguồn ước lượng Gaussian tổng hợp (AGES; Chein et al. [2002]: Psychol Behav 77:635–639), chúng tôi đã xem xét các kết quả chụp thần kinh liên quan đến việc đọc từ trong và giữa các hệ thống chữ viết và ngôn ngữ. Để tìm ra những điểm chung, chúng tôi đã tổng hợp 25 nghiên cứu bằng tiếng Anh và các ngôn ngữ Tây Âu khác sử dụng hệ thống chữ viết theo kiểu chữ cái, 9 nghiên cứu về việc đọc tiếng Trung bản địa, 5 nghiên cứu về việc đọc Kana tiếng Nhật (âm tiết) và 4 nghiên cứu về việc đọc Kanji (biến thể hình thái-âm tiết). Sử dụng phương pháp AGES, chúng tôi đã tạo ra các hình ảnh tổng hợp trong mỗi hệ thống chữ viết, xác lập các điểm kích hoạt đáng tin cậy và so sánh các phát hiện giữa các hệ thống chữ viết và ngôn ngữ. Kết quả cho thấy rằng các hệ thống chữ viết này sử dụng một mạng lưới chung các vùng trong xử lý từ ngữ. Các hệ thống chữ viết phần lớn sử dụng cùng một hệ thống về mặt các vùng vỏ não lớn, nhưng việc định vị trong các vùng đó cho thấy sự khác biệt giữa các hệ thống chữ viết. Đặc biệt, vùng được gọi là vùng hình thức từ thị giác (VWFA) thể hiện sự gắn kết định vị rất đồng nhất trên các tác vụ và giữa các hệ thống chữ viết. Vùng này nằm ở hồi fusiform giữa bên trái là rất quan trọng đối với việc nhận diện từ ngữ trong các hệ thống chữ viết và ngôn ngữ khác nhau. Hum Brain Mapp 25:92–104, 2005. © 2005 Wiley‐Liss, Inc.

Các tọa độ MNI được xác định bằng cách sử dụng SPM2 và FSL/FLIRT với mẫu ICBM-152 đã được so sánh với các tọa độ Talairach xác định bằng phương pháp đăng ký dựa trên mốc (TAL). Phân tích cho thấy có một thiên lệch rõ ràng trong các khung tham chiếu (gốc, hướng) và tỷ lệ (kích thước não). Do đó, các não được điều chỉnh theo ICBM-152 thường lớn hơn, hướng mũi xuống nhiều hơn, và dịch chuyển hơi xuống so với các não điều chỉnh theo TAL. Phân tích toàn bộ não về sự khác biệt tọa độ MNI/Talairach đã cho thấy một mẫu hình ellipsoid với sự khác biệt dao động từ 0 tại một điểm sâu bên trong bán cầu trái lên đến hơn 1 cm cho một số khu vực não phía trước. Sự khác biệt tọa độ MNI/Talairach thường ít hơn cho các não được điều chỉnh bằng FSL. Biến đổi mni2tal thường giảm sự khác biệt tọa độ MNI/Talairach cho các khu vực não phía dưới nhưng tăng sự khác biệt cho các khu vực phía trước, phía sau và phía trên. Mẫu sự khác biệt tọa độ khác nhau cho các mẫu não (MNI-305, ICBM-152) khi sử dụng cùng một phương pháp điều chỉnh (FSL/FLIRT) và cho các phương pháp điều chỉnh khác nhau (SPM2, FSL/FLIRT) khi sử dụng cùng một mẫu (ICBM-152). Một biến đổi MNI-đến-Talairach (MTT) để điều chỉnh thiên lệch giữa các tọa độ MNI và Talairach đã được hình thành bằng cách sử dụng phân tích phù hợp nhất trên một trăm hình ảnh não MR 3-D độ phân giải cao. Các biến đổi MTT được tối ưu hóa cho SPM2 và FSL đã cho thấy giảm sự khác biệt tọa độ trung bình nhóm MNI/Talairach từ 5-13 mm xuống 1-2 mm cho cả các khu vực não sâu và bề mặt. Các biến đổi MTT cung cấp một phương tiện đã được xác nhận để chuyển đổi tọa độ MNI thành các tọa độ tương thích với Talairach cho các nghiên cứu sử dụng SPM2 hoặc FSL/FLIRT với mẫu ICBM-152. Hum Brain Mapp 2007. © 2007 Wiley‐Liss, Inc.

Bài phân tích tổng hợp này khám phá vị trí và chức năng của các vùng não liên quan đến nhận thức xã hội, hay khả năng hiểu những ý định hành vi, niềm tin xã hội và đặc điểm tính cách của con người. Dựa trên hơn 200 nghiên cứu fMRI, bài viết kiểm tra các đề xuất lý thuyết thay thế nhằm giải thích cách mà một số vùng não xử lý thông tin liên quan đến nhận thức xã hội. Kết quả cho thấy việc suy luận về những trạng thái tạm thời như mục tiêu, ý định và ham muốn của người khác — ngay cả khi chúng sai lầm và không công bằng từ góc nhìn của chúng ta — có liên quan chặt chẽ đến giao điểm thái dương - đỉnh (TPJ). Việc suy luận về những đặc điểm bền vững hơn của người khác và của bản thân, hay các quy tắc và kịch bản giữa các cá nhân, kích hoạt vỏ não trước trán giữa (mPFC), mặc dù những trạng thái tạm thời cũng có thể kích hoạt mPFC. Các nhiệm vụ khả thi khác phản ánh các quá trình não bộ đa nhiệm có thể phục vụ nhận thức xã hội cũng được xem xét một cách ngắn gọn, chẳng hạn như học thứ tự, phát hiện nguyên nhân, xử lý cảm xúc và chức năng điều hành (giám sát hành động, chú ý, giám sát nhiệm vụ kép, truy xuất trí nhớ tập hợp), nhưng không có nhiệm vụ nào trong số đó hoàn toàn trùng khớp với các vùng não được kích hoạt trong quá trình nhận thức xã hội. Do đó, có vẻ như nhận thức xã hội đặc biệt liên quan đến các vùng TPJ và mPFC. Các chứng cứ hiện có nhất quán với vai trò của hệ thống gương liên quan TPJ trong việc suy luận về các mục tiêu và ý định tạm thời ở mức độ biểu diễn cảm nhận tương đối, và mPFC như một mô-đuyn tích hợp thông tin xã hội theo thời gian và cho phép phản ánh và biểu diễn các thuộc tính và quy tắc xã hội, và có khả năng cũng cho ý định, ở mức độ nhận thức trừu tượng cao hơn. Hum Brain Mapp, 2009. © 2008 Wiley‐Liss, Inc.