Temel ve Klinik Nörobilim Perspektifinden Beyin Bağlantısallık Ağları 1. Tamer Demiralp: Beyinde İşlevsel (Fonksiyonel) Bağlantısallığın imrg ile Araştırılması 2. Metehan Çiçek: Beyinde Etkin (Efektif) Bağlantısallığın imrg ile Araştırılması 3. İlkay Ulusoy: Bağlantısallık Modelleme Yöntemleri ve Dinamik Bayesçi Ağlar 4. Başar Bilgiç: Nöroloji ve Psikiyatride Beyin Bağlantısallık Ağları
Beyinde İşlevsel (Fonksiyonel) Bağlantısallığın imrg ile Araştırılması Tamer Demiralp 1,2, Elif Kurt 2,4, Çiğdem Ulaşoğlu 2,4, Ani Kıçik 2,4, Ali Bayram 3, Sevinç Özbek 4 1) İstanbul Üniversitesi, İstanbul Tıp Fakültesi, Fizyoloji Anabilim Dalı 2) İstanbul Üniversitesi, Hulusi Behçet Yaşam Bilimleri Araştırma Laboratuvarı 3) Üsküdar Üniversitesi, Biyomedikal Cihaz Teknolojisi Bölümü, İstanbul 4) İstanbul Üniversitesi, Deneysel Tıp Araştırma Enstitüsü, Sinirbilim Anabilim Dalı demiralp@istanbul.edu.tr
Acıbadem University - September 2010
İÜ-İTF Fizyoloji EEG/ERP Laboratuarları Acıbadem University - September 2010
İÜ-İTF Fizyoloji Navigasyonlu TMS Lab. Acıbadem University - September 2010
Hulusi Behçet Yaşam Bilimleri Araştırma Merkezi 3 Tesla MRI Acıbadem University - September 2010
MR-Uyumlu EEG Sistemi Eşzamanlı EEG/fMRI Acıbadem University - September 2010
İşlevsel Ayrışma (Functional Segregation) Özelleşme Yerelleştirme
İşlevsel Tümleştirme (Functional Integration) Bağlantısallık (Connectivity) Neurons that fire together, wire together!!!
Bağlantısallık Çalışmaları imrg dmrg ymrg Ağ Modelleri
Beyin İşlevlerini Araştırma Yöntemlerinin Zaman/Mekan Rezolüsyonları Sejnowski et al., 2014
İşlevsel MRG (imrg) Angelo Mosso, İtalyan Fizyolog
MRG de Görüntünün Elde Edilmesi MR cihazı bobin (coil) olarak adlandırılan antenler vasıtasıyla dokuda oluşturulan manyetik değişimleri ölçer. Antenlerden ölçülen sinyallere eko denir. Görüntü oluşturmakta kullanılırlar.
Spinler ve Manyetik Alan Sinyalin asıl kaynağı hidrojen atomlarıdır (veya protonlar). Protonun manyetik bir davranışı vardır. Spin özelliği protona manyetik dipol gibi davranmasına neden olur.
Spinler ve Manyetik Alan MR ın oluşturduğu büyük manyetik alan içine girdiklerinde spinler hizaya girerler. Manyetik moment koni şeklinde döner. Manyetik momentler toplanır ve dokuda makroskopik düzeyde bir manyetizasyon oluşur.
Manyetik Rezonans Etkisi Protonların spin hareketi ile aynı frekansta (Larmor Frekansı) bir RF dalgası gönderilirse: Doku manyetizasyonu uygulanan RF miktarı kadar transvers düzleme doğru yatırılır (precession) Daha sonra eski haline döner Relaksasyon.
Relaksasyon Boylamsal (longitudinal) relaksasyon: T1 süresinde sinyal en yüksek değerini alır. Transvers relaksasyon: T2 süresinde sinyal kaybolur. 3T MR T1 değerleri Beyaz Cevher 850ms Gri Cevher 1300ms CSF 4500ms 3T MR T2 değerleri Beyaz Cevher 80ms Gri Cevher 110ms CSF 2000ms
T1 ve T2 ağırlıklı imgeler T1 Ağırlıklı imge (T1WI) (Gray Matter White Matter) T2 Ağırlıklı imge (T2WI) (Gray Matter CSF Contrast)
BOLD İşareti (Blood Oxygene Level Dependent)
imrg - Temel Mekanizma Nörovasküler Bağlantı Ödev/ Uyaran Nörovasküler Bağlantı Hemodinamik Yanıt Nöral Aktivite
Fizyoloji Tek kısa bir uyarana karşı tipik BOLD yanıtı Norris, JMRI, 2006 ~5-6 sec <1 sec ~4 sec ~10-30 sec Hızlı yanıt (initial deap): metabolik tüketimin artışı Asıl BOLD yanıtı: yerel kan akımında artış Post-stimulus undershoot: kan akımı düştükten sonra metabolik gereksinimin devam etmesi Norris, JMRI 2006
imrg Zaman Serisi
Ödeve Dayalı imrg Genel Doğrusal Model
imrg örneği Raw fmri timeseries Adjusted data fitted box-car highpass filtered (and scaled) Residuals fitted high-pass filter
imrg ile İşlevsel Bağlantısallık Çalışmaları
Dinlenim durumunda beyin işlevsel bağlantısallığı Olağan Durum Ağı Bir çok ödeve dayalı PET ve fmrg araştırmasının meta analizi Ödev sırasında aktivitesini azaltan alanlar Mavi alanlar pasif koşulda en aktif olan bölgeleri göstermektedir.
(Dilim) fmrg örneği Raw fmri timeseries Adjusted data fitted box-car highpass filtered (and scaled) Residuals fitted high-pass filter
Dinlenim Durumu imrg Salınımları Hemodinamik Salınımlar imrg BOLD Buckner RL, Andrews-Hanna J, Schacter DL. The Brain s Default Network. Ann. N.Y. Acad. Sci., 2008.
Bağımsız Bileşen Analizi (ICA) Raichle ME, TICS, 14:180-190, 2010
Gidişat Ne Yönde?
DMN İşlevsel Bağlantısallığı Yapısal Bağlantısallığını Yansıtır Grecius et al. Cereb Cortex 2009
EEG informed fmri of spontaneous alpha rhythm Goldman et al., (2002). Neuroreport. Laufs et al., (2003). PNAS.
Beyin İşlevlerini Araştırma Yöntemlerinin Zaman/Mekan Rezolüsyonları Sejnowski et al., 2014
Tümleşimin Mekansal Ölçekleri
Tümleşimin Zamansal Ölçekleri Steven Bressler, 2006
Konnektom Zamansal Ölçekler
What is visible in the EEG? Neuronal Synchrony Asynchronous activity cancels out. A group of synchronously active neurons may dominate the overall resulting EEG signal.
Beyin İşlevine Açılan Non-İnvazif Pencereler Laufs, Daunizeau et al. [2007]
Steady-State Visual Evoked Potentials A good way of producing synchronization patterns in the EEG that are stationary within the time scale of the BOLD response is to evoke steady-state evoked potentials.
DMN 0.4 0.2 0-0.2-0.4 0 20 40 60 80 100 TR
Sensory-Motor 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6 0 20 40 60 80 100 TR
Auditory 0.2 0.1 0-0.1-0.2-0.3 0 20 40 60 80 100 TR
Right Fronto-Parietal 0.3 0.2 0.1 0-0.1-0.2 0 20 40 60 80 100 TR
Left Fronto-Parietal 0.2 0.1 0-0.1-0.2 0 20 40 60 80 100 TR
BOLD-EEG Band Power Correlations fmri - time course EEG band power - time course - Pz 200 100 Delta Correlation Coefficients (abs) 0.35 0 0 20 40 60 80 100 200 100 Theta 0.43 DMN 5 0 0 0 20 40 60 80 100 200 100 Alpha 0.49-5 0 20 40 60 80 100 0 0 20 40 60 80 100 50 Beta 0.33 0 0 20 40 60 80 100 10 5 Gamma 0.07 0 0 20 40 60 80 100
ICN EEG Correlations Delta Theta Alpha Beta Gamma 0.18 DMN 0.16 0.14 0.12 0.18 0.16 Sensory-Motor 0.14 0.12 0.2 Auditory 0.15 0.1
ICN EEG Correlations Delta Theta Alpha Beta Gamma 0.18 Right FP Right Att. 0.16 0.14 0.12 0.18 Left FP Left Att. 0.16 0.14 0.12
Teşekkürler