Models of functional connectivity as potential biomarkers in Multiple Sclerosis using fMRI

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Santos, Joana Almeida
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10316/98104
Resumo: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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spelling Models of functional connectivity as potential biomarkers in Multiple Sclerosis using fMRIModelos de conetividade funcional de fMRI como potenciais biomarcadores na Esclerose MúltiplaEsclerose múltiplafMRI em tarefaConetividade funcionalCausalidade de GrangerTeoria de grafosMultiple sclerosisTask-based fMRIFunctional connectivityGranger causalityGraph theoryDissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA imagem por ressonância magnética (MRI, do inglês Magnetic Resonance Imaging) é a técnica mais utilizada no diagnóstico e monitorização da esclerose múltipla (MS, do inglês Multiple Sclerosis). O uso da imagem por ressonância magnética funcional (fMRI, do inglês functional MRI) tem sido cada vez mais comum na identificação de padrões de conetividade funcional (FC, do inglês functional connectivity) na MS, principalmente com o cérebro em repouso. Padrões de ativação anormais na MS também foram encontrados durante a realização de tarefas, mas não há consenso sobre as mudanças da FC neste contexto.Esta tese tem como objetivo recolher dados fMRI e explorar as mudanças da FC no cérebro de doentes com MS em relação a controlos saudáveis, durante tarefas de perceção de movimento visual passivo e de movimento biológico, bem como descrever quantitativamente essas alterações. Para cada participante, o sinal fMRI médio de dezasseis regiões do cérebro (oito em cada hemisfério) envolvidas nas tarefas foi calculado, e a FC foi determinada através da Causalidade de Granger (valores F). As matrizes de conetividade foram comparadas entre grupos para identificar quais as ligações alteradas na MS. Além disso, medidas quantitativas de conetividade foram extraídas com base na teoria de grafos. A correlação entre a FC e dados neuropsicológicos dos doentes também foi analisada.Durante ambas as tarefas, foi observado um aumento geral dos valores F na MS, bem como alterações nas ligações recrutadas pelas tarefas, com mais envolvimento de regiões de alto nível na tarefa de movimento biológico. A disparidade dos valores F entre os grupos indica que uma sobrecompensação pode ocorrer na MS durante o desempenho de tarefas envolvendo regiões críticas. Além disso, a análise com teoria dos grafos revelou que as propriedades topológicas da rede estavam alteradas na MS e que, ao contrário de estudos anteriores, doentes com MS apresentavam valores de eficiência mais elevados. Mudanças significativas na FC foram também encontradas na correlação dos valores F com os dados neuropsicológicos, o que contribui para a compreensão dos mecanismos subjacentes às alterações cognitivas na MS.Conseguimos validar a MS como uma doença de desconexão que afeta a função cerebral e provar que a análise multivariada de dados fMRI pode contribuir para o estudo dos mecanismos anormais e adaptativos da MS.Magnetic resonance imaging (MRI) is the gold standard for diagnosing and monitoring Multiple Sclerosis (MS). More recently, functional MRI (fMRI) has been used to identify functional connectivity (FC) patterns in MS, mostly during resting-state. Abnormal fMRI activation patterns have also been found during task performance, but there is no consensus regarding these FC changes in MS. This thesis aims to collect fMRI data and explore changes of brain directed FC in MS patients relative to healthy controls during visual passive motion and biological motion perception tasks and quantitively describe these alterations. For each participant, the average fMRI signal within sixteen brain regions (8 in each hemisphere) elicited by the task was computed, and the pairwise FC was calculated using Granger Causality (F-values). The connectivity matrices were compared between groups to identify which connections were altered in MS. Furthermore, quantitative connectivity measures were extracted using concepts from graph theory. The correlation between F-values and neuropsychological data of the patients was also analysed.During both tasks, a general increase of the F-values was observed in MS, as well as alterations in the connections employed in the tasks, with high-order regions being more involved in the biological motion task. The disparity of F-values between groups indicates that overcompensation may occur in MS during task performance involving critical brain regions. Moreover, graph theory analysis revealed that the network’s topological properties were altered in MS and that, contrary to previous research, MS presented higher efficiency values. Significant alterations between groups in FC were found when correlating F-values with neuropsychological data, which further contributes to the understanding of the underlying mechanisms of cognitive impairment in MS.We were able to validate MS as a disconnection disease that affects brain function and prove that multivariate analysis of fMRI data might contribute to the study of the abnormal and adaptive mechanisms of MS.FCT2021-10-212023-10-21T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://hdl.handle.net/10316/98104http://hdl.handle.net/10316/98104TID:202922596engSantos, Joana Almeidainfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-10-27T11:04:17Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/98104Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:16:01.015264Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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Modelos de conetividade funcional de fMRI como potenciais biomarcadores na Esclerose Múltipla
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