Podsieci rozległe: Sieć wzbudzeń podstawowych. Andrzej Rutkowski

Transkrypt

1 Podsieci rozległe: Sieć wzbudzeń podstawowych Andrzej Rutkowski

2 Default mode Mózg ciągle aktywny (wiadomo od czasu wynalezienia EEG) W trakcie spoczynku pochłania stosunkowo dużo energii Wiele regionów dosyć aktywnych podczas spoczynku: Deaktywacja wielu regionów w trakcie przejścia ze spoczynku do zadania Im bardziej wymagające zadanie (zewnętrznych) tym mniejsza aktywacja

3 Blood oxygen level dependant (BOLD) Ciągłe fluctuacje BOLD w stanie spoczynku (<0.1Hz) Obserwacje silnie sugerują, że te fluktuacje są powiązane z aktywność neuronów Korelacja szeregów czasowych fluktuacji BOLD w różnych obszarach mózgu: Już w 1995 r. pokazano korelacje powolnych fluktuacji przeciwległych pól ruchowych i innych pól powiązanych funkcjonalnie

4 Sieć wzbudzeń podstawowych Default mode network (DMN) Czasowo spójny wzór deaktywacji wielu rozproszonych obszarów: przedklinek [Precuneus], tylny zakręt obręczy [posterior cingulate cortex] (PCC), przyśrodkowa kora przedczołowa [medial prefrontal cortex] (MPFC) oraz przyśrodkowa, boczna i dolna kora ciemieniowa [medial, lateral i inferior parietal cortex] Aktywność w czasie spoczynku (resting state): brak zadania, brak stymulacji, odpoczynek Sugestia istnienia sieci połączeń funkcyjnych Resting-state functional connectivity MRI (rs-fcmri)

5 Sieci rozległe z rs-fcmri a połączenia anatomiczne Wybrane połączenia znalezione przez korelacje fluktuacji BOLD u makaków zgadzają się ze znanymi połączeniami anatomicznymi (Vincent, 2007) Badania rs-fcmri przed i po usunięciu ciała modzelowatego, wskazują na jego istotną rolę w generowaniu funkcjonalnej sieci połączeń między półkulami

6 Default mode network Silna negatywna korelacja PCC z obszarami zorientowanymi zadaniowo Bardzo istotna rola PCC w DMN Eksperymenty pokazują najsilniejsze, liczne połączenia (korelacje) z węzłem pc/pcc [zob. Sporns: Fig 8.4]:

7 Default mode network Im bardziej wymagające uwagi zadanie tym mniejsza aktywność DMN Wzrost aktywności DMN w trakcie zadania zwiastuje wykonanie błędu (flanker task przewidywanie do 30s), oraz zmniejszenie uwagi Tylko fragmenty DMN zmniejszają aktywność w zadaniach wymagających odniesień do samego siebie, czy dużego użycia pamięci roboczej

8 Task-negative / Task-positive Deaktywacja DMN silnie powiązana z wydajnością podczas wykonywania zadań Wyróżniono drugą, podobną rozległą sieć, ale zwiększającą aktywność podczas wykonywania zadań: górna kora przedczołowa [dorsalateral prefrontal cortex] (DPLFC), dolna kora ciemieniowa [inferior parietal cortex] (IPC) i dodatkowe pole ruchowe [supplementary motor area] (SMA) Obydwie sieci są czasowo negatywnie skorelowane

9 Task-negative / Task-positive

10 Task-negative / Task-positive [Hipoteza] Aktywność zadonio-dodatniej sieci w czasie spoczynku odpowiada za przygotowanie na niespodziewane zdarzenia w świecie zewnętrznym (reakcja na zdarzenia podczas błądzenia po myślach) Antykorelacja tych sieci, może sugerować, że są to uzupełniające się części jednej większej sieci Czasem to właśnie ta cała, większa sieć jest nazywana DMN

11 Task-negative / Task-positive

12 Rozwój DMN W wielu badaniach patrzy się na zmiany DMN z wiekiem człowieka: U niemowląt przynajmniej 5 niezależnych sieci aktywnych w czasie spoczynku Z wiekiem te mniejsze sieci stopniowo integrują się w jedną Ogólny trend rozwojowy: segregacja pól leżących anatomicznie blisko i tworzenie się połączeń między polami przestrzennie odległymi

13 Rozwój DMN

14 Rozwój DMN

15 Rozwój DMN Zaobserwowano zmniejszenie się siły połączeń obszarów bliskich (<30mm) i zwiększenie siły połączeń dalekich (>90mm) Podczas tych zmian sieć połączeń między regionami zachowała charakter małego-świata (small-world; gwarancja wysokiej wydajności przepływu informacji): wysoki współczynnik klasteryzacji mała długość najkrótszych ścieżek

16 Rozwój DMN Badania wskazują DMN zmienia się przez całe życie Z wiekiem pojawiają się trudności w zmniejszaniu aktywności DMN, co może dalej tłumaczyć pojawiające problemy w wykonywaniu zadań wymagających uwagi

17 Stan DMN a choroby

18 Stan DMN a choroby Choroba Alzheimera (AD) Skany PET wskazują u chorych funkcyjne rozłączenie kory przedczołowej i hipokampu Badania rs-fmri: mniejsza aktywność tylnej części zakrętu obręczy i hipokampu Rozłączenie tych obszarów wpływa na nietypową modyfikację DMN Zauważono również inne zmiany w organizacji DMN Rozpoznanie takich zaburzeń DMN zdają się być dobrymi wskźnikami wysokiego ryzyka zachowowania na AD

19 Stan DMN a choroby Choroba Alzheimera (cd.): Badania, z użyciem analizy falkowej szeregów czasowych z fmri (oszacowano 90 węzłów odpowiadających za obszary korowe i podkorowe) wskazują na wyraźnie zmniejszone współczyniki globalnej klasteryzacji i różnice w klasteryzacji regionalnej (np. w przypadku hipokampu) Zauważone różnice pozwoliły bardzo celnie oddzielić chorych od grupy kontrolnej (dobranej wiekowo)

20 Stan DMN a choroby Autyzm: Przy rozpoczynaniu zadań wymagających uwagi zewnętrznej, problemy z wyciszeniem niektórych obszarów DMN: Medial prefrontal cortex Posterior cingulate cortex Zauważono wcześniej, że stopień deaktywacji MPFC jest odwrotnie proporcjonalny do klinicznej miary upośledzenia społecznego [social impairment] Braki w deaktywacji mogą być tłumaczone niskim poziomem domyślnej aktywacji [default activation] w czasie spoczynku, u ludzi z autyzmem

21 Stan DMN a choroby Schizofrenia W niektórych przypadkach zaburzenia w topologii sieci zaburzona wielkosklowa właściwość małego świata: Dłuższe długości ścieżek Mniejsza klasteryzacja Zmniejszony poziom spójności sieci Zauważono korelację stopnia zaburzenia topologii z czasem trwania choroby

22 Stan DMN a choroby Schizofrenia (cd.): rs-fmri znowu zwraca uwagę na problemy z deaktywacją DMN Przez to zwiększony stopień funkcjonalnych połączeń stanu spoczynkowego (resting state) DMN Korelacja zwiększonej łączności w DMN ze stopieniem zaburzeń (mierzonych przez symptomy behawioralne) Zaburzenia w innych sieciach stanu spoczynkowego

23 Stan DMN a choroby Schizofrenia (cd.): Powyższe wyniki zgodne z badaniami EEG wskazującymi zaburzenia w atrybutach właściwości małego świata (small-world) Wynik zinterpretowany jako: subtelna randomizacja, zmieniająca granice klastrów, komunikację między klastrami i w rezultacie zaburzony balans między segregacją a integracją w skali całego mózgu

24 Inne podsieci rozległe Poza DMN wyróżniono inne sieci spoczynkowe [przy użyciu z fmri za pomocą ICA; w powiązaniu z jednoczesnym EEG]: Dorsal attention network Visual network Auditory network Somato-motor network Network postulated to reflect self-referetial processing

25 Bibliografia Olaf Sporns, "Networks of the Brain", MIT Press, 2010, ISBN Vincent J.L., Patel G.H., Fox M.D., Snyder A.Z., Baker J.T., Van Essen D.C., Zempel J.M., Snyder L.H. Corbetta M., Raichle M.E., Intrinsic functional architecture in the anesthetized monkey brain, 2007, Nature, 447: [pdf] Samantha J. Broyd, Charmaine Demanuele, Stefan Debener, Suzannah K. Helps, Christopher J. James, Edmund J.S. Sonuga-Barke, Default-mode brain dysfunction in mental disorders: a systematic review, Neurosci Biobehav Rev Mar;33(3): [pdf]