Assessment of lesion-induced network connectivity disruption in the human brain: application to a context of pre-surgical planning

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Henriques, Laeticia
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/45263
Resumo: Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020
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spelling Assessment of lesion-induced network connectivity disruption in the human brain: application to a context of pre-surgical planningImagem de ressonância magnética funcional de repousoTumorTeoria dos grafosLimiares proporcionaisAnálise entre hemisférios das redes neuronaisTeses de mestrado - 2020Departamento de FísicaTese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020Neurosurgery has been considered as a treatment or a therapy option for brain lesions with satisfactory outcomes regarding the maximal resection of the lesioned area and the minimal post-surgical neurological dysfunctions by avoiding eloquent areas. For the last two decades, resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has emerged as an effective non-invasive neuro-imaging technique that can be used for pre-surgical functional brain mapping at rest. The analysis of these maps can focus on both the local function of specific regions (segregation) and the functional connections between them (integration) for the assessment of lesion-induced changes. The brain network can be characterized resorting to graph theory analysis for the calculation of these segregation and integration properties which is more facilitated on thresholded binarized matrices. These can be obtained by proportional thresholds revealing the top strongest connections that are present in the network. This study intends to analyse and compare the segregation and integration properties of lesioned and non lesioned hemispheric networks from a group of 7 patients with brain tumors and a cavernous malformation. Moreover, it also aims to evaluate the effect of the proportional thresholds in those properties. By using rs-fMRI and graph theory analysis, the network features of lesioned and non lesioned hemispheres were investigated, over a range between 20%-40% (at intervals of 5%) of proportional thresholds. The results reflected more integrated and segregated networks as more connections were included in the networks. The lesioned network revealed higher global integration and local processing at the highest density of 40%. However, the lesioned small-world organization was less optimal when comparing to the non lesioned network. In conclusion, our findings indicated that the lesion-induced perturbations disturbed the functional connectivity of the lesioned hemisphere. Nevertheless, compensatory mechanisms should be accounted for the pre-surgical evaluation of the affected and unaffected brain areas.A remoção cirúrgica de uma lesão cerebral envolve a resseção da maior área lesada sem comprometer o tecido eloquente e não lesado envolvente. Desta forma, pretende-se minimizar disfunções neurológicas após a cirurgia garantindo a melhor qualidade de vida possível. Como tal, há a necessidade de incluir técnicas de imagem auxiliares à cirurgia que permitam fazer um mapeamento da lesão cerebral, não só ao nível anatómico mas principalmente funcional. Atualmente, existem diversas técnicas de neuro-imagem que atuam de forma não invasiva e que contribuem para o mapeamento funcional do cérebro, num contexto pré-cirúrgico. Destas destaca-se a imagem de ressonância magnética funcional que, tradicionalmente requer que o sujeito execute uma tarefa de modo a extrair as redes neuronais associadas `as regiões ativadas pelo desempenho da tarefa. No entanto, o facto desta técnica apenas possibilitar a extração de redes neuronais singulares somente associadas à tarefa em questão bem como sujeitos com lesões poderem ter dificuldades em realizar a tarefa requerida levou a que nas últimas duas décadas tenha emergido uma nova modalidade - a imagem de ressonância magnética funcional de repouso. Esta distingue-se da anterior no sentido do sujeito não executar qualquer tarefa nem ser submetido a qualquer estímulo. Através da aquisição da actividade cerebral espontânea é possível extrair as redes neuronais relacionadas com a atividade neuronal. Desta forma, a imagem de ressonância magnética funcional de repouso não só supera a limitação da eventual dificuldade ou incapacidade de execução de uma tarefa como também faculta a identificação de múltiplas redes neuronais, ao contrário da ressonância funcional baseada numa tarefa requerida. A extração destas redes neuronais funcionais é conseguida mediante a aplicação de métodos de análise que se focam na localização da função de determinadas regiões cerebrais (segregação) ou na conectividade funcional entre as mesmas (integração). Complementarmente, métodos que englobam tanto a análise da atividade (segregação) como da conectividade (integração) da imagem da ressonância magnética funcional de repouso têm sido combinados com a teoria dos grafos com o objetivo de investigar o cérebro enquanto uma rede neuronal complexa com conexões contínuas e dispersas entre as suas regiões. Ao mesmo tempo também permitem determinar as propriedades da organização funcional cerebral tanto a nível global como local, isto é, em grupos de regiões interligados igualmente denominados de módulos ou comunidades. Para caracterizar a integração e segregação da rede neuronal diversas medidas topológicas associadas à capacidade da rede neuronal partilhar informação entre diferentes regiões podem ser calculadas. O cálculo destas medidas implica a construção da rede neuronal funcional enquanto um conectoma definido por um dado número de regiões cerebrais, designadas de nodos, e pelas conexões funcionais estabelecidas entre as mesmas. O nível de conectividade funcional entre os nodos, também denominado de correlação funcional, é determinado pela computação da correlação entre as séries temporais de cada par de nodos. Posteriormente, estes dados podem ser organizados numa matriz de conectividade cujas entradas representam os pesos da correlação funcional. Contudo, o elevado número de conexões entre as regiões cerebrais dificulta a extração de informação relevante. Neste sentido, a binarização e aplicação de um limiar à matriz de conectividade assegura a redução dessas interações facilitando a determinação das propriedades topológicas da rede neuronal. Limiares que consideram um coeficiente de correlação funcional entre as regiões como o valor limiar para a inclusão das conexões (limiar absoluto) podem ser impostos `a matriz. Por outro lado, ao invés de um limite de correlação, também se pode selecionar uma percentagem das conexões mais fortes a serem incluídas na rede (limiar proporcional ou densidade). Estudos anteriores mostram evidências que limitar as redes neuronais por via de um limite de densidade resulta em medidas topológicas mais estáveis, razão pelo qual os limites proporcionais têm sido mais frequentemente aplicados na sua computação. Ainda assim, não existe um consenso relativamente à escolha ideal do valor do limiar que evita resultados incompletos ou falaciosos. O objetivo deste estudo engloba a análise de redes neuronais relativas aos hemisférios lesados e não lesados para um grupo de sete sujeitos com tumores cerebrais e uma malformação cavernosa. Adicionalmente, para cada hemisfério será calculado um conjunto de medidas de segregação e integração que permite caracterizar a respetiva rede neuronal, seguido de uma comparação entre as mesmas. Estas medidas serão determinadas com base na teoria de grafos aplicação de um conjunto de limiares proporcionais à matriz binarizada, com fundamento nos benefícios explorados acima. Deste modo, em cada rede neuronal, as conexões funcionais entre as suas regiões serão limitadas por um leque de densidades que varia entre 20% e 40%, com intervalos de 5%. Assim, a comparação entre as propriedades hemisféricas será realizada para cada limiar. Além do mais, uma comparação das medidas de grafos entre os diferentes limiares também será conduzida de modo a estudar o efeito dos mesmos na topologia de cada rede neuronal. Em primeiro lugar, os resultados deste estudo demonstraram que tanto o hemisfério lesado como o hemisfério não lesado estão organizados segundo uma rede de pequeno mundo, equilibrando de forma eficaz o processamento local e a integração global. Contudo, o hemisfério lesado mostrou ter uma organização topológica sub-ótima em comparação com o hemisfério não lesado. Os resultados da análise das medidas de integração revelaram que a inclusão de mais conexões nas redes lesadas e não lesadas, através do aumento do limiar proporcional, levou a uma diminuição da distância mínima entre duas regiões, sendo essa diminuição maior no hemisfério não lesado. Complementarmente, a eficiência global associada à comunicação entre as regiões também aumentou com a inclusão de mais conexões nos hemisférios. Desta forma pôde concluir-se que a consideração de mais conexões funcionais nas redes neuronais permitiu comunicações intra hemisféricas mais curtas e consequentemente mais eficientes, numa perspetiva global para as redes neuronais. Para além disso, o hemisfério não lesado revelou uma maior integração global para todas as densidades, exceto para a densidade de 40%. Para esta densidade, a reorganização funcional da rede neuronal lesada mostrou ser mais construtiva permitindo uma eficiência global mais elevada. Ao nível da segregação, os resultados evidenciaram que a escolha de densidades mais elevadas levou a que as redes neuronais fossem mais segregadas. Excluindo as densidades mais elevadas, o nível de conexões locais na rede lesada bem como a sua eficiência de propagação informação local foi menor em comparação com a rede não lesada. Para a densidade de 40%, a transferência de informação local foi mais eficiente no hemisfério lesado. Assim, o hemisfério lesado revelou não só uma maior integração global como também uma especialização local mais eficiente. Em conclusão, as medidas topológicas calculadas pareceram depender da escolha do limiar proporcional que foi aplicado nas redes neuronais. Para as densidades entre 20%-35%, os resultados mostraram que a lesão localizada no hemisfério lesado conduziu a disrupções na estrutura funcional desse mesmo hemisfério (menor integração e segregação). Porém, na densidade de 40%, a reorganização funcional pareceu indicar o estabelecimento de mecanismos e conexões compensatórios suficientes para compensar as perturbações causadas pela presença da lesão nesse hemisfério. De notar que os resultados não mostraram ser totalmente conclusivos quanto ao impacto da lesão na rede não lesada, através de interações funcionais entre os hemisférios. Assim, os resultados deste estudo sugeriram que as perturbações funcionais induzidas pela lesão afetaram a conectividade funcional entre as regiões do hemisfério onde a mesma estava localizada. Como consequência, a escolha de densidades mais elevadas pareceu clarificar conexões e mecanismos de compensação no hemisfério lesado. Deste modo, estas alterações devem ser tidas em conta para a avaliação pré-cirúrgica das áreas cerebrais afetadas e não afetadas.Andrade, Alexandre da Rocha Freire de, 1971-Repositório da Universidade de LisboaHenriques, Laeticia2020-12-11T17:39:03Z202020202020-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/45263TID:202606538enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:46:58Zoai:repositorio.ul.pt:10451/45263Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:57:45.504135Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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