Name: identification of disease-related spatial covariance patterns using neuroimaging data
Uploaded: 2013-06-26T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Identification of Disease-related Spatial Covariance Patterns using Neuroimaging Data at JoVE.com

עבודה זו נתמכה על ידי מענק מס P50NS071675 (מרכז מוריס ק Udall של מצוינות במחקר מחלת פרקינסון במכון פיינשטיין למחקר רפואי) לדה מהמכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ. התוכן הוא באחריות בלעדית של כותבים ולא בהכרח מייצג את הדעות הרשמיות של המכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ או המכונים הלאומי לבריאות. הספונסר לא שחק תפקיד בתכנון מחקר, איסוף, ניתוח ופרשנות של נתונים, כתיבת הדוח או בהחלטה להגיש את הנייר לפרסום.

1. איסוף ועיבוד מקדים של נתונים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שיטת SSM / PCA ניתן להחיל על תמונות כרך אחד המתקבלות ממקורות ושיטות שונים. באופן ספציפי, לבדיקת PET באתר של חילוף חומרים, להכין נותב רדיונוקלידים מתאים כגון [18 F]-fluorodeoxyglucose (FDG) ולנהל לכל מ?...

מודל SSM / PCA הוצג במקור על ידי מולר ואח&#39;. 4 התפתח 1-3 לטכניקה פשוטה וחזקה לניתוח של נתונים הדמייה. עם זאת, היו חוסר בהירות ביישום של מתודולוגיה זו, שיש לנו ניסינו להבהיר כאן ובפרסומים קודמים 5-7,10. חלק מהנושאים הללו טופלו בטקסט, אבל הם חזרו והדגישו כא?...

הפרעות ניווניות נחקרו רב תוך שימוש בטכניקות שלמקם ולכמת את החריגות של חילוף חומרים במוח, כמו גם שיטות שאינן היסקית כי ללמוד אינטראקציות אזוריות 17. אסטרטגיות אנליטיות משתנים מונעות נתונים כגון ניתוח עיקרי רכיב (PCA) 1,2,4,18 וניתוח מרכיבים עצמאי (רשפ&quot;ת) 19,20, כמו גם טכניקות מפוקחות כגון ריבועים חלקיים לפחות (PLS) 21 ומגמות סודרים הקאנוניים variates ניתוח (אורט / CVA) 22 יכול לחשוף תבניות אופייניות או &quot;רשתות&quot; של פעילות גומלין. את היסודות של נהלים משתנים, ובעיקר מודל subprofile מוקטן (SSM) 1,2,4-6,18 תוארו בעבר ביופיטר 3. גישה מבוססת PCA זו פותחה במקור כדי לבחון את מערכות יחסים שונות משותפת תפקודיות תקינות בין האזורים במוח בתמונות כרך אחד יציב של זרימת דם במוח וACQ חילוף חומריםuired במצב המנוחה של שיטות כגון PET ו-SPECT כי תערוכת מאפייני אות לרעש גבוהים. דפוסי SSM ספציפיים למחלה הם סמנים הדמיה המשקפים את ההבדלים הכוללים בטופוגרפיה האזורית בחולים בהשוואה לנבדקים בריאים 7,16 ועשויים לשקף תהליך רשת אחת או הטמעה של מספר פונקציות מורכבות 23 חריגות. רשתות במוח דפוס שונות משותפת מטבוליות קשורות עם ערכי ביטוי (ציוני נושא) שיכול להבחין בין קבוצות נורמליות ומחלה ולספק אמצעים מבוססי רשת המתואמים עם דירוגים קליניים של חומרת מחלה. בדרך כלל, עשרות נושא לדפוסים כאלה יגדלו עם התקדמות מחלה ואף עשויים לבוא לידי ביטוי לפני הופעת תסמיני 14,24. ואכן, רשת סמנים ביולוגיים הקשורים למחלות מתאפיינים בהפרעות ניווניות כגון מחלת פרקינסון 10 (PD), מחלת הנטינגטון 25 (HD), ומחלת אלצהיימר 8 </sup&gt; (לספירה). חשוב לציין, topographies מטבוליות הקשורות למחלה יש גם זוהה להפרעות תנועת הפרקינסון לא טיפוסיות כגון ניוון מערכת מרובה (MSA) ושיתוק גרעיני מתקדם (PSP). דפוסים אלה היו בשימוש בקונצרט לאבחנה המבדלת של אנשים עם &quot;כפיל&quot; תסמונות קליניות דומות 12,13,26. לעומת זאת, שיטות univariate מבוססות voxel fMRI טיפוסיות להעריך את המשמעות של הבדלים בין חולים ובקרים באשכולות במוח מבודדים. לאחרונה, פותחו שיטות למדידת קישוריות תפקודית בין אזורים מוגדרים בצורות שונות במוח 27-29. הגדרה זו של קישוריות פונקציונלית מוגבלת לנושא ואזור אינטראקציות ספציפיות וחורג מקונספט SSM / PCA המקורי המתייחס לקישוריות החתך של אזורים במוח שחולקו ברשת מרחבית הפנימית 1,2,23,30. לטובתם, פלטפורמות MRIמחדש להתקין בקלות, זמין לציבור רחב, לא פולשנית ובדרך כלל דורש זמן סריקה קצר יותר מאשר שיטות הדמיה radiotracer המסורתיות כגון PET או SPECT וכתוצאה מכך התגברות של מתודולוגיות פוטנציאליות המתוארים בספרות האחרונה. עם זאת, את אותות fMRI תלוי זמן וכתוצאה לספק אמצעים עקיפים של פעילות עצבית מקומית 31,32. האלגוריתמים אנליטיים המורכבים בדרך כלל המועסקים היו מוגבלים על ידי הגודל הגדול של מערכי נתונים, הרעש הפיזיולוגי הגלום באותות fMRI, כמו גם השונה הגבוהה בפעילות המוח שקיים בין נושאים ואזורים 19,23. למרות שניתן להסיק מידע מעניין לגבי ארגון מוח מהמאפיינים של &quot;רשתות&quot; fMRI, הם לא היו יציבים מספיק כדי לשמש כסמנים ביולוגיים למחלות אמינות. יתר על כן, topographies רשת כתוצאה מכך הם לא בהכרח שווה ערך לאלה שזוהו באמצעות מתודולוגיות הדמיה תפקודיות מבוססות כמו SSM / PCA. עבור הרוב הדואר, אימות צולבת קפדני של topographies fMRI התוצאה כבר חסר עם כמה דוגמאות ליישום מוצלח של קדימה דפוסים שמקורם בנתוני סריקה פוטנציאליים ממקרים בודדים. יתרון של ניתוח שונות משותפת PCA טמון ביכולתה לזהות את המקורות המשמעותיים ביותר של וריאציה נתונים בכמה מרכיבים העיקריים הראשונים, אבל זה לא יעיל אם וקטורים העצמיים הבולטים לייצג גורמי רעש אקראיים ולא תגובת רשת הפנימית בפועל. על ידי בחירה רק כמה וקטורים עצמיים הראשונים והגבלה למי שמראה הבדלים משמעותיים בציוני בקרת מטופל לעומת נורמלי, אנחנו לצמצם במידה ניכרות את ההשפעה של גורמי רעש. עם זאת, לגישה הבסיסית שתוארה כאן, אמצעים אלה לא יכולים להיות מספיק כדי לייצר אומדים חזקים בבסיס נתוני fMRI טיפוסי למעט השיטות המתוארות להלן. לכן, בגלל מערכת היחסים היציב הישירות של G האזוריחילוף החומרים lucose ופעילות הסינפטית 33, מתודולוגיה זו יושמה בעיקר לניתוח של נתונים שאר מדינת FDG PET. עם זאת, בהתחשב בכך שזרימת דם במוח (CBF) היא יחד באופן הדוק לפעילות חילוף חומרים במצב מנוחת 10,11,34, SPECT 35,36 ותיוג ספין לאחרונה עורקים (מעל פני הים) בשיטות הדמיה זלוף MRI 37,38, היה בשימוש כדי להעריך את פעילות חילוף חומרים לא תקינה במקרים בודדים. עם זאת, הגזירה של דפוסים שונות משותפת מרחביים אמינים עם fMRI מצב מנוחה (rsfMRI) היא כאמור לא בעבר פשוט 31,32. למרות זאת, ניתוח SSM / PCA הראשוני של נתוני rsfMRI מחולי פרקינסון ונושאי בקרה חשף כמה הומולוגיות טופוגרפיות בין דפוסים הקשורים למחלות זוהו באמצעות שתי שיטות, PET ו המשרעת של תנודות בתדר נמוך (ALFF) של fMRI BOLD 39,40 . לבסוף, אנחנו גם לציין כי גישה זו יושמה בהצלחה בvoxel מבוסס Morphometry (VBM) נתונים מבניים MRI 41,42, חושפים דפוסים שונות משותפת מרחביים ייחודיים הקשורות לאובדן נפח הקשורות לגיל, ובהשוואות נוספות של VBM ודפוסי ASL באותם נושאים 43. מערכת היחסים בין topographies SSM / PCA מרחביים השונות המשותפת ורשתות מוח מקבילות זוהו באמצעות גישות אנליטיות שונות ופלטפורמות הדמיה היא נושא של חקירה מתמשכת.

<table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td>Name of Equipment</td>
 <td>Company</td>
 <td>Catalog Number</td>
 <td>Comments</td>
 </tr>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>Image Acquisition </td>
 </tr>
 <tr>
 <td>PET Scanner</td>
 <td>GE Medical Systems</td>
 <td>GE Advance</td>
 <td>Any PET, PET/CT and PET/MRI Scanners from GE, Siemens and Philips </td>
 </tr>
 <tr>
 <td>PC Workstations</td>
 <td>Lenovo</td>
 <td>Any</td>
 <td><a href="http://www.lenovo.com/us/en/" target="_blank">http://www.lenovo.com/us/en/</a></td>
 </tr>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>Radiopharmaceuticals </td>
 </tr>
 <tr>
 <td>[18F]-fluorodeoxyglucose</td>
 <td>Feinstein Institute for Medical Research</td>
 <td>Routine Production</td>
 <td>Also distributed by Cardinal Health <a href="http://www.cardinal.com/" target="_blank">http://www.cardinal.com/</a> </td>
 </tr>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>Software </td>
 </tr>
 <tr>
 <td>ScanVP</td>
 <td>Feinstein Institute for Medical Research</td>
 <td>Version 5.9.1, Version 6.2, To be released</td>
 <td><a href="http://www.feinsteinneuroscience.org/" target="_blank">www.feinsteinneuroscience.org</a></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>SPM</td>
 <td>The UCL Institute of Neurology</td>
 <td>spm99-spm8</td>
 <td><a href="http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm" target="_blank">http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm</a></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Windows</td>
 <td>Microsoft</td>
 <td>Any</td>
 <td></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Matlab</td>
 <td>Mathworks</td>
 <td>Matlab Version 7.0, 7.3</td>
 <td><a href="http://www.mathworks.com/" target="_blank">http://www.mathworks.com/</a></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>JMP</td>
 <td>SAS</td>
 <td>Version 5</td>
 <td><a href="http://www.jmp.com/" target="_blank">http://www.jmp.com/</a></td>
 </tr>
 </tbody>
</table>

identification of disease-related spatial covariance patterns using neuroimaging data

המודל מוקטן subprofile (SSM) 1-4 הוא אלגוריתם המבוסס על PCA משתני המזהה מקורות עיקריים של וריאציה במטופל ובקרת נתוני תמונה קבוצתית מוח תוך דחיית רכיבים פחותים (איור 1). מיושם ישירות לנתונים שונות משותפת voxel-by-voxel של תמונות multimodality מצב יציב, סט תמונת קבוצה שלם, ניתן להפחית עד כמה דפוסים שונות משותפת ליניארי עצמאיים משמעותיים ועשרות נושא המתאים. כל דפוס, כינה קבוצת subprofile בלתי משתנה (GIS), היא רכיב עיקרי אורתוגונלי שמייצג את רשת מופצת מרחבית של אזורים במוח הקשורים זה תפקודי. השפעות שיטתיות גדולות בעולם אומרות שיכולות לטשטש תרומות ספציפיות לרשת קטנות יותר יוסרו על ידי המרת לוגריתמי הגלומה ואומרות מרכוז של נתונים 2,5,6. נושאים לבטא כל אחד מדפוסים אלה במידה משתנה מיוצגת על ידי ציון סקלר פשוט שיכול לתאם עם Clin העצמאימתארי iCal או פסיכומטרי 7,8. באמצעות ניתוח רגרסיה לוגיסטי של עשרות נושא (ערכי ביטוי דפוס כלומר), ניתן לגזור מקדמי יניארי לשלב מרכיבים עיקריים מרובים לתוך תבניות בודדות הקשורים למחלות שונות משותפת, רשתות מרחביות מרוכבים כלומר עם אפליה משופרת של חולים מקבוצת ביקורת בריאה 5,6. אימות צולבת בתוך להגדיר הגזירה יכולה להתבצע תוך שימוש בטכניקות resampling bootstrap 9. אימות קדימה הוא אישר בקלות על ידי הערכת ציון ישירה של דפוסי שמקורם במערכי נתונים פוטנציאליים 10. דפוסים לאחר אימות, הקשורות למחלה יכולים לשמש להבקיע חולים בודדים ביחס למדגם התייחסות קבוע, לעתים קרובות הקבוצה של נבדקים בריאים ששמשה (עם קבוצת המחלה) בתבנית הגזירה המקורית 11. ערכים הסטנדרטיים אלה יכולים בתורו לשמש כדי לסייע באבחנה מבדלת 12,13 ולהעריך מחלההתקדמות מחלה וטיפול השפעות ברמת הרשת 7,14-16. אנו מציגים דוגמה ליישום של מתודולוגיה זו לנתונים FDG PET של חולי פרקינסון ובקרות רגילות באמצעות התוכנה בבית שלנו כדי להפיק סמן ביולוגי דפוס שונות משותפת אופייני למחלה.

יישום פשוט של ניתוח SSM / PCA רב משתנים כדי להפיק דפוס סמן ביולוגי להדמייה פ&quot;ד בא לידי ביטוי בהמשך. תמונות PET FDG עשר קליניות אובחנו חולי פרקינסון (6M/4F, 59y ± 7y SD) של משך חולה משתנה (9y ± 5Y SD) ועשר גיל ומין תאמו פקדים רגילים (6M/4F, 58y ± 7y SD) נותחו באמצעות השגרה שלנו ssmpca. העשרים ה?...

Watch this Scientific Journal Video about Identification of Disease-related Spatial Covariance Patterns using Neuroimaging Data at JoVE.com

Identification of Disease-related Spatial Covariance Patterns using Neuroimaging Data

טכניקות מרובות משתנות כולל ניתוח מרכיבים עיקרי (PCA) כבר משמש לזיהוי דפוסי חתימה של שינוי האזורי בתמונות תפקודיות של מוח. אנחנו פיתחו אלגוריתם לזיהוי סמנים ביולוגיים רשת לשעתק לאבחון של הפרעות ניווניות, ההערכה של התקדמות מחלה, וההערכה אובייקטיבית של השפעות טיפול באוכלוסיות חולה.

זיהוי של דפוסי שונות משותפת מרחביים הקשורות למחלה באמצעות נתונים הדמייה

The scaled subprofile model (SSM)1-4 is a multivariate PCA-based algorithm that identifies major sources of variation in patient and control group brain ...

Research

JoVE Journal

Medicine

Identification and Isolation of Slow-Dividing Cells in Human Glioblastoma Using Carboxy Fluorescein Succinimidyl Ester (CFSE)

Identification and Isolation of Slow-Dividing Cells in Human Glioblastoma Using Carboxy Fluorescein Succinimidyl Ester CFSE

זיהוי ובידוד של תאים מתחלקים לאט בGlioblastoma האנושי באמצעות Carboxy fluorescein Succinimidyl אסתר (CFSE)

Tumor heterogeneity represents a fundamental feature supporting tumor robustness and presents a central obstacle to the development of therapeutic ...

Identification of Sleeping Beauty Transposon Insertions in Solid Tumors using Linker-mediated PCR

Identification of Sleeping Beauty Transposon Insertions in Solid Tumors using Linker-mediated PCR

זיהוי<em&gt; יפהפה נרדם</em&gt; הוספות Transposon בגידולים מוצקים באמצעות PCR לינקר בתיווך

Genomic, proteomic, transcriptomic, and epigenomic analyses of human tumors indicate that there are thousands of anomalies within each cancer genome ...

Detection of Architectural Distortion in Prior Mammograms via Analysis of Oriented Patterns

Detection of Architectural Distortion in Prior Mammograms via Analysis of Oriented Patterns

זיהוי של דיסטורשן אדריכלי בממוגרפיה לפני<em&gt; דרך</em&gt; ניתוח דפוסי Oriented

We demonstrate methods for the detection of architectural distortion in prior mammograms of interval-cancer cases based on analysis of the orientation of ...

Using Continuous Data Tracking Technology to Study Exercise Adherence in Pulmonary Rehabilitation

שימוש רציף נתונים טכנולוגיית מעקב לחקר פעילות גופנית דבקות בשיקום ריאתי

Pulmonary rehabilitation (PR) is an important component in the management of respiratory diseases. The effectiveness of PR is dependent upon adherence to ...

Microarray-based Identification of Individual HERV Loci Expression: Application to Biomarker Discovery in Prostate Cancer

זיהוי מבוסס microarray של פרט HERV לוקוסים ביטוי: בקשה לגילוי סמן ביולוגי בסרטן הערמונית

The prostate-specific antigen (PSA) is the main diagnostic biomarker for prostate cancer in clinical use, but it lacks specificity and sensitivity, ...

In Vivo Tracking of Edema Development and Microvascular Pathology in a Model of Experimental Cerebral Malaria Using Magnetic Resonance Imaging

In Vivo Tracking of Edema Development and Microvascular Pathology in a Model of Experimental Cerebral Malaria Using Magnetic Resonance Imaging

בשנת מעקב Vivo של בצקת פיתוח ופתולוגיה מיקרוסקולרית במודל של מלריה מוחית ניסיוני באמצעות תהודה מגנטית הדמיה

Cerebral malaria is a sign of severe malarial disease and is often a harbinger of death. While aggressive management can be life-saving, the detection of ...

High-Throughput Analysis of Optical Mapping Data Using ElectroMap

ניתוח תפוקה גבוהה של נתוני מיפוי אופטי באמצעות מידע אלקטרומגנט

Optical mapping is an established technique for high spatio-temporal resolution study of cardiac electrophysiology in multi-cellular preparations. Here we ...

Virtual Reality Tools for Assessing Unilateral Spatial Neglect: A Novel Opportunity for Data Collection

כלי מציאות מדומה להערכת הזנחה מרחבית חד-צדדית: הזדמנות חדשנית לאיסוף נתונים

Unilateral spatial neglect (USN) is a syndrome characterized by inattention to or inaction in one side of space and affects between 23-46% of acute stroke ...

Detection and Removal of Tooth-Colored Composite Resin Using the Fluorescence-Aided Identification Technique

איתור והסרה של שרף מרוכב בצבע השן באמצעות טכניקת זיהוי בעזרת פלואורסצנציה

The detection and removal of tooth-colored filling materials is a major challenge for every dentist. The Fluorescence-aided Identification Technique (FIT) ...

Visualization of Metabolites Identified in the Spatial Metabolome of Traditional Chinese Medicine Using DESI-MSI

הדמיה של מטבוליטים שזוהו במטבוליזם המרחבי של הרפואה הסינית המסורתית באמצעות DESI-MSI

The medicinal use of traditional Chinese medicine is mainly due to its secondary metabolites. Visualization of the distribution of these metabolites has ...