Функціональна МРТ оцінка нейронних мереж головного мозку людини за церебральних патологій

Дисертаційна робота присвячена комплексному дослідженню взаємодії ділянок контролю руху та дефолтної нейронної мережі головного мозку людини в нормі та за церебральної патології методом функціональної магнітно-резонансної томографії.
Однією з основних функцій головного мозку є контроль цілеспрямованої взаємодії організму з зовнішнім середовищем, зокрема, за допомогою рухів. Дослідження церебральної репрезентації контролю рухів є вивченням функціонування значних ділянок кори і підкірки, а отже, деякою мірою, інтегративної функції головного мозку в цілому. Для вивчення активності кори головного мозку при виконанні функцій на сьогодні широко використовуються функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ). Цей метод опосередковано вивчає індивідуальну гемодинамічну реакцію ділянок головного мозку на подразник і відомий в літературі як залежний від насиченості крові киснем або «blood oxygenation level dependent» (BOLD) фМРТ. Передопераційне фМРТ картування функцій головного мозку є одним з найбільш широко застосовуваних клінічних додатків методу фМРТ, які оптимізують тактику нейрохірургічного лікування. Застосування фМРТ в спостереженні та контролі ефективності нейрореабілітації зараз широко вивчається. Наразі відсутні комплексні дослідження застосування фМРТ в клінічній діагностиці, які б торкались питань вікових, статевих та обумовлених методикою виконання особливостей активації головного мозку в нормі та при патології, зокрема інсульті, скроневій епілепсії. Врахування вказаних особливостей при проведенні фМРТ з діагностичною метою покращить та збільшить достовірність отриманих результатів і, відповідно, потенційно підвищить моніторинг лікувального ефекту застосовуваної терапії. Дослідження тонкощів взаємодії нейронних мереж надасть нові можливості для вивчення їх ролі при церебральній патології.
Метою дисертаційної роботи стала фМРТ оцінка взаємодії ділянок контролю руху та дефолтної нейронної мережі головного мозку людини в нормі та за церебральної патології. Припускається, що патерни активації кори головного мозку при виконанні рухів мають вікові та статеві особливості, а взаємодія сенсомоторної та дефолтної нейронних мереж при виконанні рухів характеризується динамічними змінами.
Для досягнення поставленої мети в роботі було застосовано блок-подібну та факторіальну парадигми виконання рухових завдань для функціональної магнітно-резонансної томографії, що дозволило виявити як статеві і вікові, а також обумовлені методикою виконання особливості активації головного мозку людини. Було застосовано комбіновану методику обробки даних методами загального лінійного моделювання і аналізу незалежних компонент, що дозволило виявити як активацію і деактивацію, так і функціональну зв’язаність макроскопічних нейронних мереж.
Було показано характерну схему активації при виконанні рухового завдання в різному віці. Зокрема, активуються ділянки контралатеральної півкулі головного мозку, а саме первинна рухова і соматосенсорна кора, вторинна соматосенсорна кора, додаткова моторна кора, вентральна премоторна кора, дорсолатеральна префронтальна кора, контралатеральна півкуля мозочка, ділянки надкрайової звивини і дорсальні ділянки скроневої частки. В іпсилатеральній півкулі головного мозку активувалася вентральна премоторна кора і іпсилатеральна півкуля мозочка, ділянки надкрайової звивини. Виявлено збільшення площі зон активації у волонтерів літнього віку. Виявлено часткову деактивацію та функціональну зв’язаність вузлів дефолтної нейронної мережі, а саме задньої частини поясної звивини, передклина, нижніх тім’яних часточок і присередньої префронтальної кори. Показано, що в юнацькому віці функціональна зв'язаність зон, які відповідають дефолтній мережі сформована в неповному обсязі. Вперше показано незалежний від виконання завдання режим функціонування зон дефолтної мережі. Виконання простого рухового завдання також супроводжується функціональною зв’язанністю виконавчої нейронної мережі, яка складається з ділянок дорсолатеральної префронтальної і тім'яної кори обох півкуль головного мозку. У літньому віці функціональна зв'язаність зони дорсолатеральної префронтальної кори лівої півкулі з іншими ділянками описаної мережі була знижена.
Було виявлено збільшення площі активації дорсальної премоторної кори, додаткової активації додаткової моторної кори, внутрішньотім’яної борозди, вторинної соматосенсорної кори, контралатеральної півкулі мозочка, при виконанні складних рухів пальців руки у порівнянні простими. Показано, що по мірі ускладнення рухового завдання зростає амплітуда зміни BOLD-сигналу і об’єм активації первинної сенсомоторної кори.
Було виявлено збільшений об’єм активації головного мозку при виконанні руху пільців у жінок в порівнянні з чоловіками. Показано, що у жінок при виконанні руху додатково активувались вентральна премоторна і дозрозолатеральна префронтальна кора іпсилатеральної півкулі головного мозку. Не було знайдено статевих відмінностей у деактивації ділянок дефолтної нейронної мережі. Показано деактивацію мигдалеподібного тіла контралатеральної півкулі мозку у чоловіків.
Показано, що церебральний контроль виконання руху при ішемічному ураженні головного мозку вимагає залучення додаткових ділянок кори, підкірки і може мігрувати в аналогічні ділянки контралатеральної півкулі. Виявлено, що зони активації можуть спостерігатися поблизу вогнищ з обмеженою дифузією протонів води, але не в ядрі інфаркту мозкової речовини, що має виключне діагностиче значення.
Знайдно функціональну зв'язаність скроневих ділянок, морського коника, приморськоконикових звивин, що може свідчити про інтеріктальну синхронізацію епілептогенної нейронної мережі у пацієнтів із скроневою епілепсією.
Показано підвищення збудливості головного мозку внаслідок аудіо-візуальної стимуляції, яке проявляється в зростанні об’єму активації головного мозку при виконанні руху і зниженні об’єму його деактивації.

Ключові слова: функціональна магнітно-резонансна томографія, BOLD, рухова кора, дефолтна нейронна мережа, вікові особливості, статеві особливості, інсульт, епілепсія, аудіо-візуальна стимуляція.

The dissertation considers a comprehensive evaluation of human cerebral regions of movement control and default mode network in normal physiological conditions and cerebral pathology with fMRI.
The control of the goal-directed organism interaction with the environment, particularly with the help of movements is one of the main functions of the brain. Investigation of the cerebral representation of the movement control is a study of large regions of cortex and subcortical structures functioning, though, in some extent, of integrative brain function in general. Currently functional magnetic resonance imaging (fMRI) is widely used for the brain cortex activity research. This method indirectly investigates the individual haemodynamic response of the brain regions to the stimulus and is known in the literature as blood oxygenation level dependent (BOLD) fMRI. Preoperative fMRI mapping is widely used as a clinical diagnostics method which optimizes neurosurgical treatment tactics. fMRI implementation for the neurorehabilitation monitoring and outcome control is currently under investigation. Complex research of age, gender and methodology related fMRI peculiarities in clinical diagnostics is currently absent. Taking into account mentioned peculiarities will improve and increase accuracy of the fMRI results and subsequently improve the treatment effect monitoring. Neural network interaction details investigation will give new possibilities for the study of their role in cerebral pathology.
The aim of this dissertation work was to evaluate human cerebral regions of movement control and default mode network in normal physiological conditions and cerebral pathology with fMRI. We assumed that during the movement brain activation patterns have age and gender related peculiarities. Sensorimotor and default mode networks interaction characterizes with dynamic changes.
To achieve this aim we used blocked and factorial paradigm design, which gave us opportunity to find the methodology, age and gender related peculiarities of brain activation. The combination of general linear modeling and independent component analysis was used for data processing and analysis. The last allowed us to reveal as activation and deactivation, as functional connectivity of macroscopic neural networks.
The general pattern of brain activation during the movement execution for different ages was shown. Regions of contralateral brain hemisphere were activated. In particular, primary motor and somatosensory cortices, secondary somatosensory cortex, supplementary motor area, ventral premotor cortex, dorsolateral prefrontal cortex, contralateral cerebellum hemisphere, regions of supramarginal gyrus and dorsal regions of temporal lobe. Ventral premotor cortex, ipsilateral cerebellum hemisphere, and regions of supramarginal gyrus were activated in the ipsilateral brain hemisphere. Increase of the activation area in elder volunteers was shown. Partial deactivation and functional connectivity of the nodes of the default mode network, particularly posterior cingulate gyrus, precuneus, inferior parietal lobuli and medial prefrontal cortex were found. In juvenile volunteers functional connectivity of the default mode network was formed partially. For the first time, task independent regime of default mode network functional connectivity was shown. Simple motor task execution is accompanied by the functional connectivity of the executive neural network, form with dorsolateral prefrontal and parietal cortices of both hemispheres. In elder age functional connectivity of the dorsolateral prefrontal cortex of the left hemisphere with other mentioned regions was decreased.
Increase of the activation area of the dorsal premotor cortex, supplementary motor area, intraparietal sulcus, secondary somatosensory cortex, contralateral cerebellum hemisphere was found in complex motor task execution as compared to simple. Increase of the BOLD MR signal change and activation volume of the primary somatosensory cortex were found with the task complexity escalation.
Increased volume of brain activation during the finger movement was found in women as compared to men. The volume of activation of the ventral premotor and dorsolateral prefrontal cortices of the ipsilateral brain hemisphere was increased in women. Gender related peculiarities of the default mode network deactivation were not found. Deactivation of the contralateral brain hemisphere amygdala was found in men.
Movement execution cerebral control in ischemic brain affection demands additional regions cortical, subcortical regions incorporation and might migrate to the analogic regions of the contralateral hemisphere. Regions of activation might be found near the diffusion restriction focuses, but not in the brain tissue infarct core, which possesses exclusive diagnostic value.
Functional connectivity of the temporal regions, hippocampus, parahippocampal gyri was found, which might evidence about the interictal synchronization of the epileptogenic neural network in patients with temporal epilepsy.
Increase of the brain cortical excitability as a result of the audio-visual stimulation which has appeared in brain activation volume increase and deactivation volume decrease was shown.

Keywords: functional magnetic resonance imaging, BOLD, motor cortex, default mode network, age-related peculiarities, gender-related peculiarities, stroke, epilepsy, audio-visual stimulation.

Омельченко О. М. Функціональна МРТ оцінка нейронних мереж головного мозку людини за церебральних патологій : дис. ... канд. біол. наук : 03.00.13 – фізіологія людини і тварин / Омельченко Олексій Миколайович. - Київ, 2023. - 135 с.