پژوهشگران دانشگاه ملبورن، دانشگاه نیوکاسل استرالیا و دانشگاه پاریس فرانسه در پژوهشی مشترک به شناسایی سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان در نقشه مغزی و بررسی ارتباط کارکردی در مغز پرداختند.
سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان:
نقشه برداری مغزی و سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان یکی از موارد بسیار جذاب در نوروساینس امروزی است. نقشه برداری مغزی انسان شامل بررسی بخش های مختلف مغز شامل مغز، مخچه، عقده های پایه، جسم پینه ای، و حتی عروق خونی مغز است. در بررسی سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان به طور معمول از تکنیک های تصویر برداری مغزی MRI و نوار مغزی QEEG با کیفیت های بسیار بالا استفاده می شود.
اینکه سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان در نقشه های مغزی تا چه میزان بازنمایی شود، بستگی کاملی به کیفیت تجهیزات به کار رفته در پژوهش دارد.
روش پژوهش سازماندهی توپوگرافیک مغز:
- در پژوهش سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان، از داده های تصویربرداری های اسکن MRI استفاده شد.
- اطلاعات مورد استفاده شامل fMRI حالت استراحت 1080 نفر با MRI شدت 3 تسلا، 183 نفر با MRI شدت 7 تسلا بود. همچنین داده های 725 نفر به صورت tfMRI با شدت 3 تسلا در پژوهش به کار رفتند.
- در پژوهش سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان هر یک از شرکت کنندگان در پژوهش دوبار تحت ارزیابی تصویربرداری مغزی قرار گرفتند.
- ارتباط مغزی کلی و اثر انگشت عصبی کل مغز تمام شرکت کنندگان نقشه برداری شد.
- برای عینی سازی نتایج بدست آمده از سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان، از روشی جدید به نام گرادیانوگرافی استفاده شد.
- گرادیانوگرافی در نقشه مغزی سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان به محاسبه تمامی گرادیانهای محورهای زیرقشری و لحاظ کردن آنها در نقشه نهایی مغز می پردازد.
یافته های پژوهش سازماندهی توپوگرافیک مغز:
- با توجه به یافته های پژوهش 4 مقیاس مجزا در سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان به دست آمدند.
- بر پایه یافته های سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان، 27 ناحیه فعالیتی دو طرفه در نیمکره های مغزی انسان شناسایی شدند.
- حذف زیر مجموعه های مداری هیپوکامپ و آمیگدالا از سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان، منجر به شناسایی نظام های سازماندهی جدید زیر قشری در پاسخ با نیازهای شناختی، شد.
- الگوهای سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان در حوزه های شناخت، سوء مصرف مواد غیرمجاز، مصرف دخانیات، شخصیت /هیجان، و سلامت روانی به شکل جداگانه به دست آمدند.
- اطلس جدید سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان، به عنوان نقشه مغزی برای ابعاد مختلف تفکر، شخصیت، هیجان، و رفتار انسان تدوین شد.
- آدرس اینترنتی تمامی داده های این پژوهش و الگوریتم های مورد استفاده در انتهای این نوشتار برای دسترسی عموم قرار داده شده اند.
راهبردهای کارکردی پژوهش سازماندهی توپوگرافیک مغز:
- ارزیابی های تصویربرداری مغزی در صورت افزایش کیفیت و توان تصویربرداری MRI با شدت میدان هایی بالاتر از 3 تسلا، نتایج بسیار درخشانی برای شناسایی الگوهای سازماندهی توپوگرافیک مغز انسان به دست می دهد.
- استفاده از نوار مغزی QEEG برای نقشه های مغزی با تعداد سنسورهای فعال بیش از 32 کانال، نتایج کاملاً متفاوتی نسبت به نقشه های مغزی فعلی با 18 کانال دارد. بسیاری از تغییرات تنها از 32 کانال QEEG به بالا قابل مشاهده هستند.
- کاربرد نرم افزارهای کامپیوتری و هوش مصنوعی به شکل داده کاوی، برای پردازش نقشه مغزی و کانکتوم های مغز به عنوان اثر انگشت عصبی، کمک شایانی به تحول نظام های روان درمانی، اصلاح رفتار، و بهبود پایدار اجتماعی می نماید.
- استفاده از اطلس مغزی برای انگشت نگاری عصبی، مسیر آتی در فعالیت های حوزه نوروساینس (رشته های روانشناسی، عصب روانشناسی، نورولوژی، و جراحی مغز و اعصاب) خواهد بود.
Topographic organization of the human subcortex unveiled with functional connectivity gradients
Abstract
Brain atlases are fundamental to understanding the topographic organization of the human brain, yet many contemporary human atlases cover only the cerebral cortex, leaving the subcortex a terra incognita.
Method:
We use functional MRI (fMRI) to map the complex topographic organization of the human subcortex, revealing large-scale connectivity gradients and new areal boundaries.
Results:
We unveil four scales of subcortical organization that recapitulate well-known anatomical nuclei at the coarsest scale and delineate 27 new bilateral regions at the finest.
Ultrahigh field strength fMRI corroborates and extends this organizational structure, enabling the delineation of finer subdivisions of the hippocampus and the amygdala.
While task-evoked fMRI reveals a subtle subcortical reorganization in response to changing cognitive demands.
Conclusion:
A new subcortical atlas is delineated, personalized to represent individual differences and used to uncover reproducible brain–behavior relationships.
Linking cortical networks to subcortical regions recapitulates a task-positive to task-negative axis.
This new atlas enables holistic connectome mapping and characterization of cortico–subcortical connectivity.
Data availability
Neuroimaging data analyses were undertaken using publicly available human neuroimaging datasets acquired and maintained by the HCP.
These datasets are available for download to anyone agreeing to the Open Access Data Use Terms (https://db.humanconnectome.org/).
Access to family structure data and several behavioral measures requires acceptance of the HCP Restricted Data Use Terms (https://www.humanconnectome.org/study/hcp-young-adult/document/restricted-data-usage).
The independent validation dataset used to assess the reproducibility of the parcellation homogeneity results is currently not publicly available. The new atlas is openly available in the form of NIFTI (Neuroimaging Informatics
Technology Initiative) and CIFTI (Connectivity Informatics Technology Initiative) files.
To facilitate mapping of whole-brain connectomes, we have also integrated the new atlas into several well-known cortex-only parcellation atlases and the combined cortex–subcortex atlases are made openly available.
Supplementary Table 5 provides details about the atlas formats that can be downloaded from the GitHub repository (https://github.com/yetianmed/subcortex).
Code availability
The Matlab (R2018b) codes to compute Laplacian eigenmaps, gradient magnitudes, diversity curves and other computational analyses undertaken as part of this study are openly available at https://github.com/yetianmed/subcortex.
The following additional software packages used for this study are freely and openly available:
Diffusion Toolkit (v.0.6.4.1) and TrackVis (v.0.6.1): http://trackvis.org/;
NBS (v.1.2): https://www.nitrc.org/projects/nbs/;
Icasso (v.1.21): https://research.ics.aalto.fi/ica/icasso/;
NeuroMArVL: https://immersive.erc.monash.edu/neuromarvl/;
PALM (v.alpha116): https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/PALM/ExchangeabilityBlocks;
and fMRIPrep (v.1.5.9): https://fmriprep.org/en/stable/index.html.
Keywords:
7tesla ftMRI, Dr. Amir Mohammad Shahsavarani Neural Finger Printing Atlas, Topographic organization of the human subcortex, human brain subcortical organization, topographic organization of the human brain, gradyantography of brain map.
