Συντάχθηκε 12-07-2017 08:06
από Vasiliki Grigoraki
Email συντάκτη: vgrigoraki<στο>tuc.gr
Ενημερώθηκε:
12-07-2017 13:59
Κύρια: υπάλληλος ΗΜΜΥ.
Άλλες ιδιότητες: Unknown -#-@ΗΜΜΥ
ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών
ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΠΕΖΟΥΛΑ
με θέμα
Ανάλυση Λειτουργικού Σήματος του Μαγνητικού Τομογράφου
Analysis of Functional MRI (FMRI) Signal
Εξεταστική Επιτροπή
Καθηγητής Μιχαήλ Ζερβάκης (επιβλέπων)
Καθηγητής Κωνσταντίνος Μπάλας
Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Αικατερίνη Μανιά
Περίληψη
Τα τελευταία χρόνια, είναι πλέον γνωστό ότι οι προ-μετωπιαίοι και οπίσθιοι βρεγματικοί λοβοί του ανθρώπινου εγκεφάλου, που σχετίζονται κατά κόρον με την νοημοσύνη, έχουν πολλαπλές συνδέσεις με την παρεγκεφαλίδα. Ωστόσο, η σχετική βιβλιογραφία γύρω από την μελέτη της σχέσης της παρεγκεφαλίδας με τις γνωστικές διεργασίες αλλά και με το φύλο είναι αρκετά περιορισμένη. Η τρέχουσα διατριβή αποτελείται από δύο βασικούς πυλώνες. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, διεξάγεται μια ανατομική ανάλυση του δικτύου της παρεγκεφαλίδας, σε επίπεδο λοβίων, με αμφότερο σκοπό την διερεύνηση της συνολικής δραστηριότητας της παρεγκεφαλίδας σε άτομα με χαμηλό και υψηλό (κρυσταλλικό) δείκτη νοημοσύνης (IQ). Για τον σκοπό αυτό συγκεντρώθηκαν δεδομένα fMRI, σε κατάσταση ηρεμίας, από 136 υγιή υποκείμενα, μέσω της ευρέως γνωστής βάσης δεδομένων του Human Connectome Project (HCP). Η παρεγκεφαλίδα απομονώθηκε ανατομικά από τον υπόλοιπο εγκέφαλο, στον MNI (Montreal Neurological Institute) χώρο συντεταγμένων, σε συνολικά 28 λοβία-περιοχές ενδιαφέροντος (ROIs) και εν συνεχεία κατασκευάστηκαν πίνακες συσχέτισης υπολογίζοντας τον συντελεστή συσχέτισης για κάθε πιθανό ζεύγος μέσων BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) χρονοσειρών, ανά περιοχή ενδιαφέροντος. Κατόπιν, δομήθηκαν ελάχιστα συνδετικά δέντρα (MSTs) με αμφότερο σκοπό την διατήρηση των ισχυρότερων συνδέσεων ανά δίκτυο. Εν συνεχεία, υπολογίστηκαν έξι καθολικές και τρεις τοπικές μετρικές δικτύων με στόχο την εξαγωγή χρήσιμων τοπολογικών και λειτουργικών χαρακτηριστικών των MSTs. Επιπλέον, διεξήχθη μια πλήρης hub ανάλυση προκειμένου να εντοπιστούν οι σημαντικότεροι κόμβοι (hubs). Το σύνολο των εξαγόμενων μετρικών πυροδότησε την δυνατότητα εκτεταμένης στατιστικής ανάλυσης προκειμένου να εξεταστούν διαφορές μεταξύ των ομάδων χαμηλής και υψηλής νοημοσύνης καθώς και μεταξύ όλων των πιθανών συνδυασμών ομάδων βάσει του φύλου. Τα αποτελέσματά μας αποκαλύπτουν ότι τόσο τα δίκτυα των ανδρών όσο και των γυναικών εκδηλώνουν την χαρακτηριστική small-worldness ιδιότητα με σημαντικές διαφορές μόνο στις γυναίκες (ειδικά στις γυναίκες με υψηλό IQ), γεγονός που είναι ενδεικτικό της υψηλότερης νευρονικής απόδοσης στην παρεγκεφαλίδα καθώς και του εντοπισμού μιας αυξημένης προσπάθειας που αφιερώνεται από τα άτομα με χαμηλή νοημοσύνη σε τρεις συγκεκριμένους λοβούς της παρεγκεφαλίδας. Στο δεύτερο και τελευταίο μέρος της διατριβής, πραγματοποιείται μια πλήρης ανάλυση των voxels της παρεγκεφαλίδας, έναντι της κλασσικής ανατομικής ανάλυσης σε λοβία, βασισμένη σε πτυχές της φασματικής θεωρίας γράφων. Ο στόχος αυτού του εγχειρήματος είναι να οριστούν περισσότερες λειτουργικές περιοχές της παρεγκεφαλίδας και συνεπώς να διεξαχθεί μια πιο ακριβής και στοχευμένη ανάλυση του δικτύου της παρεγκεφαλίδας σε άντρες και γυναίκες. Η μέθοδος ομαδοποίησης βασίστηκε σε μια χωρικά περιορισμένη εκδοχή του κλασσικού spectral clustering αλγορίθμου (SCSC) συνδυάζοντας την μέση μήτρα συντελεστών συσχέτισης από 100 υποκείμενα με μια κατάλληλα κατωφλιωμένη μήτρα Ευκλείδειων αποστάσεων. Η διαδικασία εφαρμόστηκε πρώτα σε συνθετικά δεδομένα πριν την τελική εφαρμογή του στα αρχικά δεδομένα. Εν συνεχεία, διεξήχθη μια επαναλαμβανόμενη διαδικασία διασταυρούμενης επικύρωσης, πάνω σε τυχαία επιλεγμένα σετ υποκειμένων, με σκοπό την εύρεση του πιο σταθερού κατωφλίου καθώς και του βέλτιστου πλήθους των clusters, αξιολογώντας δύο βασικούς δείκτες ομαδοποίησης. Έπειτα, οι εκτιμημένες παράμετροι χρησιμοποιήθηκαν για την εφαρμογή του προτεινόμενου αλγόριθμου στα αρχικά δεδομένα με στόχο την εξαγωγή ενός χάρτη της παρεγκεφαλίδας, σε κατάσταση ηρεμίας, ο οποίος συνδυάστηκε με τον ανατομικό χάρτη ώστε να οριστεί ένας λειτουργικός χάρτης της παρεγκεφαλίδας με 46 περιοχές ενδιαφέροντος. Απ’ όσο γνωρίζουμε, ο χάρτης αυτός είναι ο πρώτος λειτουργικός χάρτης της παρεγκεφαλίδας, σε κατάσταση ηρεμίας, βασισμένος στα δεδομένα της βάσης του HCP. Βάσει αυτού, πραγματοποιήθηκε μια παρόμοια ανάλυσης του δικτύου της παρεγκεφαλίδας, όπως προηγουμένως, βάσει του φύλου. Τα αποτελέσματά μας αποκαλύπτουν σημαντικές διαφορές στη βέλτιστη οργάνωση των MSTs μεταξύ των δύο φύλων. Τέλος, ο κυρίαρχος κόμβος που εντοπίστηκε στην λειτουργική περιοχή 10, επιβεβαιώνει την κυριαρχία του αριστερού λοβίου VI της παρεγκεφαλίδας στην λειτουργική συνδεσιμότητα αυτής, όπως αναφέρθηκε ήδη στο πρώτο μέρος της μελέτης.
Abstract
During the last years, it has been established that the prefrontal and posterior parietal brain lobes, which are mostly related to intelligence, have many connections to cerebellum. However, there is a limited research exploring cerebellum's relationship with cognitive processes and gender as well. The current thesis consists of two fundamental parts. In the first part of this thesis, a lobular network analysis of cerebellum was conducted with the purpose of investigating its overall organization in individuals with low and high crystallized Intelligence Quotient (IQ). In order to do so, resting-state fMRI (rs-fMRI) data were collected from 136 healthy subjects from the well-known Human Connectome Project (HCP) database. Cerebellum was anatomically parcellated, in the Montreal Neurological Institute (MNI) coordinate space, into 28 lobules-Regions of Interest (ROIs) and thereafter correlation matrices were constructed by computing Pearson's correlation coefficients between the average BOLD timeseries for each pair of ROIs. Afterwards, Minimum Spanning Trees (MSTs) were constructed in order to retain only the strongest connections within each network. Subsequently, six global and three local metrics were calculated in order to retrieve features concerning the functional and structural characteristics of each MST. Moreover, a hub analysis was conducted in order to identify nodes with high importance. The computed set of metrics gave rise to extensive statistical analysis in order to examine differences between low and high-IQ groups, as well as between all possible gender-based group combinations. Our results reveal that both male and female networks have small-world properties with significant differences only in females (especially in higher IQ females) indicative of higher neural efficiency in cerebellum as well as the detection of an increased effort dedicated by the low-IQ population in three specific lobules. In the final part of this study, instead of performing a lobular analysis of cerebellum, a voxel-wise clustering analysis approach was adopted based on Spectral Graph Theory. The main goal of this venture is to define a larger number of functional cerebellar regions and thus provide a much more accurate and data-driven gender-based network analysis of cerebellum’s activity. The recruited clustering approach was based on a spatially constrained version of the conventional spectral clustering algorithm by combining the average correlation matrix across 100 subjects with an appropriately thresholded Euclidean distance matrix. The procedure was first tested on synthetic data prior to any application on the original data. In order to find the most stable threshold as well as the optimal number of clusters, a repeated cross-validation procedure was executed on randomly defined subsets of the original population by assessing two basic clustering evaluation indices. The estimated parameters were then used to apply the SCSC procedure on the original data and extract a resting-state network atlas which was combined with the anatomical one, to define a functional atlas of cerebellum with 46 ROIs. To our knowledge, this atlas is the first resting-state functional cerebellar atlas based on the HCP data. This atlas was finally used to perform a gender-based network analysis of cerebellum, similar to the one described previously. Our results reveal significant differences in the optimal organization of the MSTs between the two genders. Finally, the dominant hub that was found in functional region 10 confirms the dominance of the Left VI lobule in cerebellum’s functional connectivity as it was already reported in the first part of this study.
Τόπος: Λ - Κτίριο Επιστημών/ΗΜΜΥ, 145Π-42
Έναρξη: 14/07/2017 13:00
Λήξη: 14/07/2017 14:00
