Name: application of granger causality analysis of the directed functional connection in alzheimer's disease and mild cognitive impairment
Uploaded: 2017-08-07T15:00:00
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Die Autoren danken Gongjun JI für Computer-Software-Support. Diese Forschung wurde teilweise unterstützt von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 81201156, 81271517); die Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (No. LY16H180007, LY13H180016, 2013C33G1360236), und der Science Foundation aus der Gesundheitskommission der Provinz Zhejiang (Nr. 2013RCA001, 201522257).

This study was approved by the Ethics Committee of Zhejiang Provincial People&#39;s Hospital. Every enrolled subject signed a written informed consent.
1. Sample Classification and Screening
<ol>
	<li>Diagnose and divide 116 patients into AD and MCI groups. 
	NOTE: Use the 2011 National Institute of Neurological and Communicative Disorders and Stroke and the Alzheimer&#39;s Disease and Related Disorders Association (NINCDS-ADRDA) diagnostic criteria and the Mini-Mental State Examination...

<ol>
	<li>Delbeuck, X., Van der Linden, M., Collette, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alzheimer's+disease+as+a+disconnection+syndrome?.">Alzheimer's disease as a disconnection syndrome?.</a> Neuropsychol Rev. 13 (2), 79-92 (2003).</li><li>Wang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Altered+functional+connectivity+in+early+Alzheimer's+disease:+a+resting-state+fMRI+study.">Altered functional connectivity in early Alzheimer's disease: a resting-state fMRI study.</a> Hum Brain Mapp. 28 (10), 967-978 (2007).</li><li>Zhong, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Altered+effective+connectivity+patterns+of+the+default+mode+network+in+Alzheimer's+disease:+an+fMRI+study.">Altered effective connectivity patterns of the default mode network in Alzheimer's disease: an fMRI study.</a> Neurosci Lett. 578, 171-175 (2014).</li><li>Gusnard, D. A., Raichle, M. E., Raichle, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Searching+for+a+baseline:+functional+imaging+and+the+resting+human+brain.">Searching for a baseline: functional imaging and the resting human brain.</a> Nat Rev Neurosci. 2 (10), 685-694 (2001).</li><li>Greicius, M. D., Krasnow, B., Reiss, A. L., Menon, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+connectivity+in+the+resting+brain:+a+network+analysis+of+the+default+mode+hypothesis.">Functional connectivity in the resting brain: a network analysis of the default mode hypothesis.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 100 (1), 253-258 (2003).</li><li>Ries, M. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Task-dependent+posterior+cingulate+activation+in+mild+cognitive+impairment.">Task-dependent posterior cingulate activation in mild cognitive impairment.</a> NeuroImage. 29 (2), 485-492 (2006).</li><li>Braak, H., Braak, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuropathological+stageing+of+Alzheimer-related+changes.">Neuropathological stageing of Alzheimer-related changes.</a> Acta Neuropathol. 82 (4), 239-259 (1991).</li><li>Liao, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluating+the+effective+connectivity+of+resting+state+networks+using+conditional+Granger+causality.">Evaluating the effective connectivity of resting state networks using conditional Granger causality.</a> Biol Cybern. 102 (1), 57-69 (2010).</li><li>Miao, X., Wu, X., Li, R., Chen, K., Yao, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Altered+connectivity+pattern+of+hubs+in+default-mode+network+with+Alzheimer's+disease:+an+Granger+causality+modeling+approach.">Altered connectivity pattern of hubs in default-mode network with Alzheimer's disease: an Granger causality modeling approach.</a> PloS one. 6 (10), e25546 (2011).</li><li>Yu, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directed+functional+connectivity+of+posterior+cingulate+cortex+and+whole+brain+in+Alzheimer's+disease+and+mild+cognitive+impairment.">Directed functional connectivity of posterior cingulate cortex and whole brain in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment.</a> Curr Alzheimer Res. , (2016).</li><li>Kaminski, M., Ding, M., Truccolo, W. A., Bressler, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluating+causal+relations+in+neural+systems:+granger+causality,+directed+transfer+function+and+statistical+assessment+of+significance.">Evaluating causal relations in neural systems: granger causality, directed transfer function and statistical assessment of significance.</a> Biol Cybern. 85 (2), 145-157 (2001).</li><li>Zang, Z. X., Yan, C. G., Dong, Z. Y., Huang, J., Zang, Y. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Granger+causality+analysis+implementation+on+MATLAB:+a+graphic+user+interface+toolkit+for+fMRI+data+processing.">Granger causality analysis implementation on MATLAB: a graphic user interface toolkit for fMRI data processing.</a> J Neurosci Methods. 203 (2), 418-426 (2012).</li><li>Hedden, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disruption+of+functional+connectivity+in+clinically+normal+older+adults+harboring+amyloid+burden.">Disruption of functional connectivity in clinically normal older adults harboring amyloid burden.</a> J Neurosci. 29 (40), 12686-12694 (2009).</li><li>Liao, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Small-world+directed+networks+in+the+human+brain:+multivariate+Granger+causality+analysis+of+resting-state+fMRI.">Small-world directed networks in the human brain: multivariate Granger causality analysis of resting-state fMRI.</a> NeuroImage. 54 (4), 2683-2694 (2011).</li><li>Liao, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluating+the+effective+connectivity+of+resting+state+networks+using+conditional+Granger+causality.">Evaluating the effective connectivity of resting state networks using conditional Granger causality.</a> Biol Cybern. 102 (1), 57-69 (2010).</li><li>Zhang, H. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+PCC+functional+connectivity+characteristics+in+resting-state+fMRI+in+mild+Alzheimer's+disease.">Detection of PCC functional connectivity characteristics in resting-state fMRI in mild Alzheimer's disease.</a> Behav Brain Res. 197 (1), 103-108 (2009).</li><li>Deshpande, G., Hu, X., Stilla, R., Sathian, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effective+connectivity+during+haptic+perception:+a+study+using+Granger+causality+analysis+of+functional+magnetic+resonance+imaging+data.">Effective connectivity during haptic perception: a study using Granger causality analysis of functional magnetic resonance imaging data.</a> NeuroImage. 40 (4), 1807-1814 (2008).</li><li>Bressler, S. L., Seth, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wiener-Granger+causality:+a+well+established+methodology.">Wiener-Granger causality: a well established methodology.</a> NeuroImage. 58 (2), 323-329 (2011).</li></ol>

Dieser Bericht stellt ein Verfahren zum Vergleich der gerichteten funktionelle Verknüpfung von PCC an das ganze Gehirn und aus dem gesamten Gehirn in die PCC zwischen AD, MCI und der Kontrollgruppe. Darüber hinaus ist ein wichtiger Schritt in diesem Prozess der Klassifizierung und Screening der Probe vor dem Experiment. Somit sind die Klassifizierung und screening-Kriterien entscheidend, da die Genauigkeit der Ergebnisse beeinflusst werden kann, wenn sie falsch sind. Wie im Protokoll aufgeführt, verwendeten wir 2011-N...

AD ist eine degenerative Erkrankung des zentralen Nervensystems, die Histopathologie, Elektrophysiologie und Neuroimaging1diagnostiziert werden können. Die Speicher-bezogene DMN ist ein lebenswichtiges System der interagierenden Hirnregionen zugeordnete AD, und seine abnormale Funktion ist charakteristisch für AD2,3. Die PCC ist eine wichtige Region des traditionellen Standardnetzwerk im Ruhezustand und spielt entscheidende Rolle im episodischen Gedächtnis, räumliche Aufmerksamkeit, Selbstevaluation und andere kognitive Funktionen4,5,6,7. Darüber hinaus möglicherweise eine bildgebende Marker für die Überwachung der AD fortschreiten. Verwendung von GCA fanden Liao Et Al. , dass die PCC eine Region von mehreren Cytoarchitektonik mit mehreren Verbindungen ist und eine wichtige Rolle im funktionalen Gehirn Struktur8 spielt. Zhong Et Al. berichtet, dass die PCC ein Convergence Centers, die Interaktionen von den meisten anderen Regionen innerhalb der DMN3erhalten. Darüber, Miao Et Al. gezeigt, dass in den Regionen DMN Hub der PCC die größten kausale Wirkung-Beziehung mit anderen Knoten9hat. Zusammen, studiert alles, was diese deutet darauf hin, dass die gerichtete Verbindung des PCC wertvoll in der AD-Forschung ist und der PCC weiterentwickelt werden muss als eine wichtige Region der DMN vertiefte.
Die bisherigen Studien waren die Konnektivität zwischen der PCC und anderen Regionen innerhalb der DMN beschränkt; jedoch wurden die Änderungen in gezielte funktionelle Verknüpfung zwischen den PCC und Gehirn Regionen außerhalb der DMN sowie deren Einfluss auf AD erforschten10noch nicht. Unsere Studie untersucht diese unerforschte funktionelle Konnektivität in normalen gesunden Kontrollen, Patienten mit MCI und Patienten mit AD. Durch die Beobachtung der gerichteten Verbindungen zwischen der PCC und ganze Hirnregionen, wollten wir die funktionelle Veränderungen im Gehirn im Zusammenhang mit AD Fortschreiten zu erhellen, und schaffen damit eine neuartige objektive Grundlage für die Beurteilung der Schwere der Erkrankung.
Funktionelle Verknüpfung bezieht sich auf eine interregionale Interaktion, die durch synchrone Schwankungen in Niederfrequenz (LFFs) dargestellt werden kann im zerebralen Blut Sauerstoff Ebene abhängige (BOLD) fMRT Signal. Daher, um die funktionelle Verknüpfung zwischen den PCC und anderen Gehirnregionen zu beobachten, analysierten wir die funktionelle Verknüpfung zwischen den PCC und das ganze Gehirn-Netzwerk von fMRI GCA, mit der PCC als die Region von Interesse (ROI). Diese Technik stammt direkt das grundsätzliche Verhältnis der einzelnen Knoten anhand von Neuroimaging11erhalten. Vor kurzem wurde GCA Elektroenzephalogramm (EEG) und fMRI-Studien offenbaren die kausale Effekte unter Gehirn Regionen12angewendet. Alle diese Studien gezeigt, dass die GCA-Technik optimal für den ursächlichen Zusammenhang der einzelnen Knoten in das Gehirn zu erkennen sein könnte.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="909">
	<tbody>
		<tr height="120">
			<td height="120" style="height:120px;width:192px;">116 patients</td>
			<td style="width:169px;">Zhejiang Provincial People&#8217;s hospital</td>
			<td style="width:207px;">-</td>
			<td style="width:341px;">This study was approved by the ethics committee of Zhejiang Provincial People&#8217;s hospital. Every enrolled subject signed a written informed consent form.</td>
		</tr>
		<tr height="153">
			<td height="153" style="height:153px;width:192px;">Siemens Trio 3.0 T MRI scanner</td>
			<td style="width:169px;">Siemens, Erlangen, Germany</td>
			<td style="width:207px;">20571</td>
			<td style="width:341px;">Equipped with AudioComfort that reduces acoustic noise up to 90%; Provides high performance at a low noise level; Ultra light-weight coil; Unique MRI sequence design; Supports up to 400 pounds without restrictions.</td>
		</tr>
		<tr height="201">
			<td height="201" style="height:201px;width:192px;">RESTplus</td>
			<td style="width:169px;">Hangzhou Normal University,Hangzhou,Zhejiang,China</td>
			<td style="width:207px;">20160122</td>
			<td style="width:341px;">RESTplus evolved from REST (Resting-State fMRI Data Analysis Toolkit), a convenient toolkit to calculate Functional Connectivity (FC), Regional Homogeneity(ReHo), Amplitude of Low-Frequency Fluctuation (ALFF), Fractional ALFF (fALFF), Gragner causality, degree centrality, voxel-mirrored homotopic connectivity (VMHC) and perform statistical analysis.</td>
		</tr>
		<tr height="220">
			<td height="220" style="height:220px;width:192px;">DPARSF</td>
			<td style="width:169px;">Hangzhou Normal University,Hangzhou,Zhejiang,China</td>
			<td style="width:207px;">130615</td>
			<td style="width:341px;">Data Processing Assistant for Resting-State fMRI (DPARSF) is a convenient plug-in software within DPABI, which is based on SPM. You just need to arrange your DICOM files, and click a few buttons to set parameters, DPARSF will then give all the preprocessed data, functional connectivity, ReHo, ALFF/fALFF, degree centrality, voxel-mirrored homotopic connectivity (VMHC) results.</td>
		</tr>
		<tr height="111">
			<td height="111" style="height:111px;width:192px;">SPSS</td>
			<td style="width:169px;">SPSS Inc., Chicago, IL, USA</td>
			<td style="width:207px;">-</td>
			<td style="width:341px;">SPSS offers detailed analysis options to look deeper into your data and spot trends that you might not have noticed.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

application of granger causality analysis of the directed functional connection in alzheimer's disease and mild cognitive impairment

Beeinträchtigt funktionelle Verknüpfung in der Standard-Modus-Netzwerk (DMN) kann das Fortschreiten der Alzheimer-Krankheit (AD) beteiligt werden. Die hinteren cingulären Kortex (PCC) ist ein potenzieller bildgebenden Marker für Überwachung das Fortschreiten der AD. Frühere Studien nicht auf die funktionelle Verknüpfung zwischen der PCC und Knoten in Regionen außerhalb der DMN konzentrieren, aber unsere Studie ist ein Versuch, diese übersehen Funktionszusammenhänge zu erkunden. Für die Datenerhebung, verwendeten wir funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und Granger Kausalität Analyse (GCA). fMRI bietet eine nicht-invasive Methode zur Untersuchung der dynamischen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Gehirnregionen. GCA ist ein statistischer Hypothesentest zur Feststellung, ob einmalige Serie bei der Vorhersage von anderen nützlich ist. In einfachen Worten, es wird danach beurteilt, vergleicht man die "alle Informationen auf den letzten Moment, die Verteilung der Wahrscheinlichkeit von X zu diesem Zeitpunkt" und die "bezeichnet alle Informationen auf den letzten Moment außer Y, die Verteilung der Wahrscheinlichkeit von X zu diesem Zeitpunkt", um festzustellen, ob eine kausale Beziehung zwischen Y und X. Diese Definition basiert auf die vollständige Informationsquelle und stationäre chronologischer Reihenfolge. Der wichtigste Schritt dieser Analyse ist mit X und Y die Regressionsgleichung und zeichnen eine kausale Beziehung durch einen hypothetischen Test. Da GCA kausale Effekte messen kann, haben wir es untersuchen die Anisotropie der funktionelle Konnektivität und erkunden die Hub-Funktion des PCC. Hier wir abgeschirmt 116 Teilnehmer für MRI Scan, und wir nach Vorverarbeitung der Daten aus Neuroimaging, GCA verwendet, um den ursächlichen Zusammenhang der einzelnen Knoten ableiten. Schließlich schlossen wir, dass die gerichtete Verbindung zwischen den Mild Cognitive Impairment (MCI) und AD Gruppen, sowohl aus der PCC auf das ganze Gehirn das gesamte Gehirn in die PCC erheblich unterscheidet.

Demographic information
Table 1 presents the characteristics of the subjects. All the subjects had an education level of junior school or above. Age, gender, and education level were similar between the three groups (P &#62;0.05), while the MMSE scores were significantly different (p &#60;0.01).
Directed brain functional connectivity
<p...

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Application of Granger Causality Analysis of the Directed Functional Connection in Alzheimer's Disease and Mild Cognitive Impairment

Anwendung von Granger Kausalität Analyse des gerichteten funktionalen Zusammenhangs in der Alzheimer-Krankheit und Mild Cognitive Impairment

Basierend auf ruhenden Zustand funktionelle Magnetresonanztomographie mit Granger Kausalität Analyse, untersuchten wir die Änderungen in die gezielte funktionelle Verknüpfung zwischen den hinteren cingulären Kortex und ganze Gehirn bei Patienten mit Alzheimer-Krankheit (AD), Patienten mit Mild Cognitive Impairment (MCI) und gesunden Kontrollpersonen.

Impaired functional connectivity in the Default Mode Network (DMN) may be involved in the progression of Alzheimer&#39;s Disease (AD). The Posterior ...

Research

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