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Why study the resting state with fMRI?

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Academic year: 2022

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(1)

Resting state analysis with SPM

Hamburg SPM course 2012 Helmut Laufs

Enzo Tagliazucchi   

nztglzcch@gmail.com

(2)

Why study the resting state with fMRI?

(3)

Why study the resting state with fMRI?

• Easy acquisition and experimental paradigm (for example,  easier to study brain function for certain patients)

(4)

Why study the resting state with fMRI?

• Easy acquisition and experimental paradigm (for example,  easier to study brain function for certain patients)

• Useful to obtain estimates of functional connectivity inthe  human brain, which in turn can reveal abnormalities in  underlying structural connections

(5)

Why study the resting state with fMRI?

• Easy acquisition and experimental paradigm (for example,  easier to study brain function for certain patients)

• Useful to obtain estimates of functional connectivity inthe  human brain, which in turn can reveal abnormalities in  underlying structural connections

• Study brain activity in different brain states for which 

experimental paradigms requiring subject participation are  not possible (i.e. Sleep, anesthesia, coma, certain seizures)

(6)

Why study the resting state with fMRI?

• Easy acquisition and experimental paradigm (for example,  easier to study brain function for certain patients)

• Useful to obtain estimates of functional connectivity inthe  human brain, which in turn can reveal abnormalities in  underlying structural connections

• Study brain activity in different brain states for which 

experimental paradigms requiring subject participation are  not possible (i.e. Sleep, anesthesia, coma, certain seizures)

• Gain insight on haemodynamic correlates of certain brain  rhythms (for example, spontaneously fluctuations of alpha  power)

(7)

Why study the resting state with fMRI?

• Easy acquisition and experimental paradigm (for example,  easier to study brain function for certain patients)

• Useful to obtain estimates of functional connectivity inthe  human brain, which in turn can reveal abnormalities in  underlying structural connections

• Study brain activity in different brain states for which 

experimental paradigms requiring subject participation are  not possible (i.e. Sleep, anesthesia, coma, certain seizures)

• Gain insight on haemodynamic correlates of certain brain  rhythms (for example, spontaneously fluctuations of alpha  power)

• Resting state activity is interesting per se

(8)

Aims

• To learn how to adapt SPM for the analysis of 

resting state data, especially seed correlation

(9)

Aims

• To learn how to adapt SPM for the analysis of  resting state data, especially seed correlation

• To know what SPM cannot easily do and apply 

self‐made MATLAB scripts to do it

(10)

Aims

• To learn how to adapt SPM for the analysis of  resting state data, especially seed correlation

• To know what SPM cannot easily do and apply  self‐made MATLAB scripts to do it

• To extend SPM using the Brain Connectivity  Toolbox (http://www.brain‐connectivity‐

toolbox.net), which allows graph theoretical 

analysis of functional connectivity networks

(11)

First part: seed correlation

(12)

Methods I: Seed correlation

• Functional connectivity between a BOLD timeseries from a  given location and the rest of the brain is assesed

(13)

Methods I: Seed correlation

• Functional connectivity between a BOLD timeseries from a  given location and the rest of the brain is assesed

Fox et al. 2007 Nat Rev Neurosci 

(14)

Methods I: Seed correlation

• Functional connectivity between a BOLD timeseries from a  given location and the rest of the brain is assesed

• It is common to apply it individually for each subject (first  level analysis) and the perform analysis at the group level or  inter‐group comparisons between different populations 

(second level analysis)

Baliki et al, J Neurosci 2008

(15)

How to do it

• First, extract a BOLD time course from a voxel or a ROI  (tools/extract_BOLD_regressor.m)

(16)

How to do it

• First, extract a BOLD time course from a voxel or a ROI  (tools/extract_BOLD_regressor.m)

• This can be done from a voxel a from a region in a given  template, in this case we use the AAL template

Y = spm_vol(‘aal_atlas.img'); aal = spm_read_vols(Y); Code to open an fMRI  volume using SPM

90 cortical and sub‐

cortical regions + 26  cerebellar regions

(17)

How to do it

• First, extract a BOLD time course from a voxel or a ROI  (tools/extract_BOLD_regressor.m)

• This can be done from a voxel a from a region in a given  template, in this case we use the AAL template

• Then, construct any other regressors you might want to  include in the analysis: motion time series, derivatives of  motion time series, cardiac and respiratory nosie.

RETROICOR method 

(Glover et al, 2000)

(18)

RETROICOR

(19)

How to do it

• First, extract a BOLD time course from a voxel or a ROI  (tools/extract_BOLD_regressor.m)

• This can be done from a voxel a from a region in a given  template, in this case we use the AAL template

• Then, construct any other regressors you might want to  include in the analysis: motion time series, derivatives of  motion time series, cardiac and respiratory nosie.

• Put the BOLD regressor in the design matrix, together with  the other regressors, and run a first level analysis for each  subject you want in the analysis

(20)

Realignment Smoothing

Normalisation

General linear model

Statistical parametric map (SPM)

Image time-series

Parameter estimates Design matrix

Template Kernel

Gaussian field theory

p <0.05 Statistical

inference

SPM pipeline

(21)

Realignment Smoothing

Normalisation

General linear model

Statistical parametric map (SPM)

Image time-series

Parameter estimates Design matrix

Template Kernel

Gaussian field theory

p <0.05 Statistical

inference

SPM pipeline

Instead of using a 

regressor based on the  model, we use one (or  more) regressors which  are BOLD time series 

extracted from certain 

ROIs

(22)

=

+ e

yy X

N N N

1 1

p

p

N: number of scans

p: number of regressors

e X

yX   e

y    e e ~ ~ N N ( ( 0 0 , ,

22

I I ) )

Design matrix and GLM

(23)

=

+ e

yy X

N N N

1 1

p

p

N: number of scans

p: number of regressors

e X

yX   e

y    e e ~ ~ N N ( ( 0 0 , ,

22

I I ) )

Design matrix and GLM

Warning!!

BOLD regressors are  NOT to be convolved  with HRF. Other 

regressors might (like  cardiac or respiratory)  or might not (like 

motion)

(24)

Dataset

• Five subjects in two groups (50 volumes, 79 x 95 x 68 voxels)

(25)

Dataset

• Five subjects in two groups (50 volumes, 79 x 95 x 68 voxels)

• First group has increased connectivity between left thalamus  and both left and right pre‐frontal cortex 

(26)

Dataset

• Five subjects in two groups (50 volumes, 79 x 95 x 68 voxels)

• First group has increased connectivity between left thalamus  and both left and right pre‐frontal cortex 

• Second group has increaased connectivity between left  thalamus and left left pre‐frontal cortex only

(27)

• Load the AAL atlas, which will be necessary to extract the  thalamus BOLD timecourse

Y = spm_vol('aal_atlas.img'); aal = spm_read_vols(Y);

Steps (first level)

(28)

• Load the AAL atlas, which will be necessary to extract the  thalamus BOLD timecourse

Y = spm_vol('aal_atlas.img'); aal = spm_read_vols(Y);

• Create BOLD regressors running the 

extract_BOLD_regressor.m script (Check path!). This will  create a .mat file in each subject directory with the 

corresponding regressor

Steps (first level)

(29)

• Load the AAL atlas, which will be necessary to extract the  thalamus BOLD timecourse

Y = spm_vol('aal_atlas.img'); aal = spm_read_vols(Y);

• Create BOLD regressors running the 

extract_BOLD_regressor.m script (Check path!). This will  create a .mat file in each subject directory with the 

corresponding regressor

• In each subject file there is a file with noise regressors 

(noise_regressors.mat). These can be combined to form all  the regressors to be included in the design matrix using the   create_all_regressors.m script (Check path!). 

Steps (first level)

(30)

Set up model (first level)

(31)

Set up model (first level)

(32)

Set up model (first level)

Click Data & Design, add volumes (careful! Check file order!!)  and add regressors using the  Multiple  Regressors option. 

Select TR (2.08 s.) and select directory. Model details do not concern us (we defined our regressor)

(33)

Set up model (first level)

Click Data & Design, add volumes (careful! Check file order!!)  and add regressors using the  Multiple  Regressors option. 

Select TR (2.08 s.) and select directory. Model details do not concern us (we defined our regressor)

Use the batch script 

first_level_analysis_job.m for all subjects. 

Change directory paths in the file!! 

(34)

Design matrix (example)

(35)

Design matrix (example)

BOLD regressor (Thalamus)

(36)

Design matrix (example)

BOLD regressor (Thalamus)

Physiological noise & motion regressors

(37)

Estimate model (first level)

(38)

Estimate model (first level)

Use the batch script 

estimate_model_first_level_job.m for all  subjects. Change directory paths in the file!! 

(39)

Results (first level)

Thalamic BOLD regressor

(40)

Results (first level)

Thalamic BOLD regressor Cardiac regressor

(41)

Second level analysis

(42)

Second level analysis

Select two‐sample t‐test and  the Beta_0001.img as 

„scans“ for each subject in  group1 and group 2

(43)

Results (second level)

group 1 > group 2

(44)

• Seed correlation can be performed in SPM by introducing a  BOLD regressor in the Design Matrix, together with other  physiological and motion confounds

Interim summary

(45)

• Seed correlation can be performed in SPM by introducing a  BOLD regressor in the Design Matrix, together with other  physiological and motion confounds

• At the group level, seed correlation can be used to detect  functional connectivity between populations (increasingly  used as a candidate „biomarker“ for disease)

Interim summary

(46)

• Seed correlation can be performed in SPM by introducing a  BOLD regressor in the Design Matrix, together with other  physiological and motion confounds

• At the group level, seed correlation can be used to detect  functional connectivity between populations (increasingly  used as a candidate „biomarker“ for disease)

• When used that way, it is very important to account for all  possible confounds specific to each populations (e.g., drugs? 

Depression? Motion? Vigilance?????)

Interim summary

(47)

• Play with seed correlation in this dataset (for example, using  different seeds)

• Play with a longer (200 vols) single subject data set  (single_subj/) using different seeds 

This subject also has EEG regressors, which can be added to  the design matrix to study BOLD correlates of different 

rhythms.

What else to do...

(48)

Second part: graph analysis

(49)

Graph analysis of functional  connectivity networks

Is it possible to cross  all bridges without  crossing one more  than once?

(50)

Graph analysis of functional  connectivity networks

• Graphs are simply a representation of objects and the  connections between them

(51)

The language of interactions

FvW VB

ET

HL

KJ AM

SB

LM

CR

A

MB AI

MD

A graph is a group of nodes (persons, brain regions, soccer  players, actors, etc) and a group of  edges representing relationships

(love, hate, neuronal coordination,  movie co‐starring,etc)

Separated (but interacting) social 

groups

More interactions gradually destroys

the identity of  separed modules

(52)

From BOLD time series to graphs

(53)

From BOLD time series to graphs

Arbitrary thresholding

of functional connectivity

(54)

What to study in a graph?

(see Bullmore and Sporns , Nat Rev Neurosci 2009 for a review)

• Average path length (L) : mean distance between each pair of  nodes

(55)

What to study in a graph?

(see Bullmore and Sporns , Nat Rev Neurosci 2009 for a review)

• Average path length (L) : mean distance between each pair of  nodes

• Clustering coefficient (C) : number of triangles in the network

(56)

What to study in a graph?

(see Bullmore and Sporns , Nat Rev Neurosci 2009 for a review)

• Average path length (L) : mean distance between each pair of  nodes

• Clustering coefficient (C) : number of triangles in the network

• Modularity (Q) : How well can the network be separated into  subsets of nodes which interact more strongly between them  than with the rest of the network?

(57)

What to study in a graph?

(see Bullmore and Sporns , Nat Rev Neurosci 2009 for a review)

• Average path length (L) : mean distance between each pair of  nodes

• Clustering coefficient (C) : number of triangles in the network

• Modularity (Q) : How well can the network be separated into  subsets of nodes which interact more strongly between them  than with the rest of the network?

• Degree: what is the number of connections each node has?

(58)

What to study in a graph?

(see Bullmore and Sporns , Nat Rev Neurosci 2009 for a review)

• Average path length (L) : mean distance between each pair of  nodes

• Clustering coefficient (C) : number of triangles in the network

• Modularity (Q) : How well can the network be separated into  subsets of nodes which interact more strongly between them  than with the rest of the network?

• Degree: what is the number of connections each node has?

• Betweeness: what is the number of shortest path going  through each node?

(59)

What to study in a graph?

(see Bullmore and Sporns , Nat Rev Neurosci 2009 for a review)

• Average path length (L) : mean distance between each pair of  nodes

• Clustering coefficient (C) : number of triangles in the network

• Modularity (Q) : How well can the network be separated into  subsets of nodes which interact more strongly between them  than with the rest of the network?

• Degree: what is the number of connections each node has?

• Betweeness: what is the number of shortest path going  through each node?

The arbitrary threshold in FC used to define a connection is  selected to match a given density of links. Properties are  studied along a range of density of links!!

(60)

How to do it? First level

• Add the Brain Connectivity Toolbox (BCT) to the path

(61)

How to do it? First level

• Add the Brain Connectivity Toolbox (BCT) to the path

• Run network_analysis_first_level_script.m. This will create in  each subject folder a .mat file (network_analysis.mat) 

containing the results of the first level. (open AAL template!)

(62)

How to do it? First level

• Add the Brain Connectivity Toolbox (BCT) to the path

• Run network_analysis_first_level_script.m. This will create in  each subject folder a .mat file (network_analysis.mat) 

containing the results of the first level. (open AAL template!)

• Note that this scripts invokes a function 

(network_measures_aal.m) which uses the BCT and gives all  the network metrics provided the BOLD time courses in all  ROI (in this case, the AAL template)

(63)

How to do it? Second level

• Run the script network_analysis_second_level_script.m,  which computes statistics (using Students t‐test and 

Bonferroni corrections).

(64)

How to do it? Second level

• Run the script network_analysis_second_level_script.m,  which computes statistics (using Students t‐test and 

Bonferroni corrections).

• Plots are produced automatically

(65)

Results ‐ I

(66)

Results ‐ II

(67)

Results ‐ II

Increased prefrontal degree  in group 1 

(more connected to the  thalamus!)

(68)

Interim summary 

• Graph methods allows the study of interactions between all pairs of regions

(69)

Interim summary 

• Graph methods allows the study of interactions between all pairs of regions

• They provide indexes summarizing the large‐scale  organization of functional networks

(70)

Interim summary 

• Graph methods allows the study of interactions between all pairs of regions

• They provide indexes summarizing the large‐scale  organization of functional networks

• They constitute an exploratory, multivariate method, as 

opposed to the seed‐based, mass univariate approach of seed  correlation.

(71)

Interim summary 

• Graph methods allows the study of interactions between all pairs of regions

• They provide indexes summarizing the large‐scale  organization of functional networks

• They constitute an exploratory, multivariate method, as 

opposed to the seed‐based, mass univariate approach of seed  correlation.

• In other words, if we did not know a priori that there was  something different in pre‐frontal areas between both 

populations, graph methods allow us to explore and find the  difference.

Referenzen

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