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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Application of Granger Causality Analysis of the Directed Functional Connection in Alzheimer's Disease and Mild Cognitive Impairment at JoVE.com

Författarna tackar Gongjun JI för dator programvara stöd. Denna forskning var delvis stöds av den nationella naturvetenskap Foundation i Kina (nr. 81201156, 81271517); den Zhejiang provinsiella naturvetenskap Foundation i Kina (nr. LY16H180007, LY13H180016, 2013C33G1360236), och Science Foundation från hälsa kommissionen i Zhejiang-provinsen (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>

Rapporten presenterar en process för att jämföra riktad funktionella anslutning från PCC till hela hjärnan och från hela hjärnan till den parlamentariska samarbetskommittén mellan AD, MCI-och kontrollgrupper. Dessutom är ett viktigt steg i denna process klassificering och screening av prov innan experimentet. Således, klassificering och screening kriterier är avgörande eftersom noggrannheten i resultaten kan påverkas om de är felaktiga. Som anges i protokollet, använde vi 2011 NINCDS-ADRDA diagnostiska kri...

AD är en degenerativ sjukdom i nervsystemet som kan diagnostiseras med histopatologi, elektrofysiologi och neuroimaging1. De minnesrelaterade DMN är ett viktigt system av de samverkande områden i hjärnan associerade med AD och dess onormal funktion är kännetecken av AD2,3. PCC är en viktig region i det traditionella standardnätverket i vilande tillstånd och spelar avgörande roller i episodiskt minne, spatial uppmärksamhet, självvärdering och andra kognitiva funktioner4,5,6,7. Det dessutom kan vara en tänkbar markör för övervakning AD progression. Liao et al. använder GCA, och fann att PCC är en region med flera cytoarchitectonics med flera anslutningar och spelar en viktig roll i funktionella hjärna struktur8. Zhong et al. rapporterade att PCC var en konvergens-center som fått interaktioner från de flesta andra regioner inom den DMN3. Miao et al. visade dessutom att i Regionkommittén DMN hub, PCC har största kausala effekt förhållandet med andra noder9. Tillsammans studerade allt detta bevis indikerar att dirigerad anslutning av PCC är värdefull i AD forskning och PCC behöver ytterligare djupgående som en viktig region för DMN.
De tidigare studierna var begränsade till anslutningen mellan PCC och andra regioner inom DMN; förändringar i riktad funktionella anslutningen mellan regionerna PCC och hjärnan utanför DMN, samt deras inflytande på AD har dock ännu inte har utforskade10. Vår studie undersöktes ytterligare denna outforskade funktionella anslutningsmöjligheter i normala friska kontroller och patienter med MCI patienter med AD. Genom att observera dirigerad anslutning mellan PCC och hela hjärnregioner, syftar vi till att belysa de funktionella förändringarna i hjärnan relaterade till AD progression, och därmed etablera en roman objektiv grund för att bedöma svårighetsgraden av sjukdomen.
Funktionella anslutningsmöjligheter avser interregionalt interaktion som kan representeras av synkron låg frekvens fluktuationer (LFFs) i cerebrala blod syre nivå beroende (fet) fMRI signalen. Därför, för att observera den funktionella anslutningen mellan PCC och andra regioner i hjärnan, analyserade vi funktionella anslutningen mellan PCC och hela hjärnan nätverket av fMRI med GCA, med PCC som regionen av intresse (ROI). Denna teknik härrör direkt grundläggande förhållandet mellan varje nod med hjälp av data som erhållits från neuroimaging11. Nyligen, GCA har tillämpats på elektroencefalogram (EEG) och fMRI-studier för att avslöja de kausala effekterna bland hjärnan regioner12. Alla dessa studier indikerade att GCA tekniken kan vara optimal för att påvisa orsakssambandet mellan varje nod i hjärnan.

<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

Nedsatt funktionell konnektivitet i den standard läget nätverk (DMN) kan vara inblandade i förloppet av Alzheimers sjukdom (AD). Bakre cingulum Cortex (PCC) är en potentiell imaging markör för att övervaka utvecklingen av AD. Tidigare studier fokuserade inte på den funktionella anslutningen mellan PCC och noder i regioner utanför DMN, men vår studie är ett försök att utforska dessa förbisedda funktionella anslutningar. För insamling av data, använde vi funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) och Granger kausalitet analys (GCA). fMRI ger en icke-invasiv metod för att studera dynamiska samspelet mellan de olika hjärnregioner. GCA är en statistisk hypotestest för att avgöra om engångsserie är användbar i prognostisering en annan. I enkla termer, bedöms genom att jämföra de ”kända all information på i sista stund, fördelningen av probabilityen av X vid denna tid” och de ”kända all information på i sista stund utom Y, fördelningen av probabilityen av X vid denna tid”, för att avgöra om det finns ett orsakssamband mellan Y och X. Denna definition bygger på komplett informationskälla och stationära kronologisk sekvens. Det viktigaste steget i denna analys är att använda X och Y för att upprätta regressionsekvationen och rita ett orsakssamband av ett hypotetiskt test. Eftersom GCA kan mäta kausala effekter, använde vi den att undersöka anisotropin de funktionella anslutningsmöjligheter och utforska hub funktionen av PCC. Här vi 116 deltagare för magnetröntgen och efter förbehandling data från neuroimaging, vi brukade GCA härleda orsakssambandet mellan varje nod. Slutligen konstaterade vi att dirigerad anslutning signifikant skillnad mellan grupperna Mild kognitiv nedsättning (MCI) och AD, både från PCC till hela hjärnan och hela hjärnan till PCC.

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...

Watch this Scientific Journal Video about Application of Granger Causality Analysis of the Directed Functional Connection in Alzheimer's Disease and Mild Cognitive Impairment at JoVE.com

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

Tillämpningen av Granger kausalitet analys av riktad funktionella anslutningen i Alzheimers sjukdom och kognitiv svikt

Baserat på Vila-state funktionell magnetisk resonanstomografi med Granger kausalitet analys, undersökt vi förändringarna i den riktade funktionella anslutningen mellan bakre cingulum cortex och hela hjärnan hos patienter med Alzheimers sjukdom (AD), patienter med Mild kognitiv nedsättning (MCI) och friska kontroller.

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

Research

JoVE Journal

Medicine

An Investigation of the Effects of Sports-related Concussion in Youth Using Functional Magnetic Resonance Imaging and the Head Impact Telemetry System

En undersökning av effekterna av sportrelaterade Hjärnskakning inom Ungdom Med Functional Magnetic Resonance Imaging och chefen Impact telemetrisystem

One of the most commonly reported injuries in children who participate in sports is concussion or mild traumatic brain injury (mTBI)1. Children and youth ...

Examining the Characteristics of Episodic Memory using Event-related Potentials in Patients with Alzheimer's Disease

Undersöka egenskaperna hos episodiskt minne med hjälp av Event-related potentials hos patienter med Alzheimers sjukdom

Our laboratory uses event-related EEG potentials (ERPs) to understand and support behavioral investigations of episodic memory in patients with amnestic ...

Isolation of Soluble and Insoluble PrP Oligomers in the Normal Human Brain

Isolering av lösliga och olösliga PrP Oligomerer i den normala humana hjärnan

The central event in the pathogenesis of prion diseases involves a conversion of the host-encoded cellular prion protein PrPC into its pathogenic isoform ...

The Use of Primary Human Fibroblasts for Monitoring Mitochondrial Phenotypes in the Field of Parkinson's Disease

Användning av primära humana fibroblaster för övervakning Mitokondriella fenotyper inom området för Parkinsons sjukdom

Parkinson's disease (PD) is the second most  common movement disorder and affects 1% of people over the age of 60 1. Because ageing is  the most important ...

Quantitative Analysis of Chromatin Proteomes in Disease

Kvantitativ analys av kromatin proteom vid sjukdom

In the nucleus reside the proteomes whose functions are most intimately linked with gene regulation. Adult mammalian cardiomyocyte nuclei are unique due ...

Collecting Saliva and Measuring Salivary Cortisol and Alpha-amylase in Frail Community Residing Older Adults via Family Caregivers

Salivary measures have emerged in bio-behavioral research  that are easy-to-collect, minimally invasive, and relatively inexpensive  biologic markers of ...

Lesion Explorer: A Video-guided, Standardized Protocol for Accurate and Reliable MRI-derived Volumetrics in Alzheimer's Disease and Normal Elderly

Lesion Explorer: En video-styrd, standardiserat protokoll för korrekt och tillförlitlig MRI-härledda Volumetrics i Alzheimers sjukdom och Normal Äldre

Obtaining in vivo human brain tissue volumetrics from MRI is often complicated by various technical and biological issues. These challenges are ...

Network Analysis of the Default Mode Network Using Functional Connectivity MRI in Temporal Lobe Epilepsy

Analys av standardläge nätverk med Funktionell Connectivity MRI i Oral Lobe Epilepsi Network

Functional connectivity MRI (fcMRI) is an fMRI method that examines the connectivity of different brain areas based on the correlation of BOLD signal ...

Motor and Hippocampal Dependent Spatial Learning and Reference Memory Assessment in a Transgenic Rat Model of Alzheimer's Disease with Stroke

Motor och hippocampus Beroende spatial inlärning och referens minne bedömning i en transgen råttmodell av Alzheimers sjukdom med Stroke

Alzheimer&#39;s disease (AD) is a debilitating neurodegenerative disease that results in neurodegeneration and memory loss. While age is a major risk ...

Quantitative 3D In Silico Modeling (q3DISM) of Cerebral Amyloid-beta Phagocytosis in Rodent Models of Alzheimer's Disease

Quantitative 3D In Silico Modeling q3DISM of Cerebral Amyloid-beta Phagocytosis in Rodent Models of Alzheimer's Disease

kvantitativ 3D<em&gt; In silico</em&gt; Modeling (q3DISM) av cerebral amyloid-beta Fagocytos i gnagarmodeller av Alzheimers sjukdom

Neuroinflammation is now recognized as a major etiological factor in neurodegenerative disease. Mononuclear phagocytes are innate immune cells responsible ...