Introducere

O modalitate de a descrie funcționale corticale organizație este prin hărți care parcela întregul cortex în mici regiuni, fiecare având funcții specifice ale creierului. Cea mai populară hartă a fost descrisă pentru prima dată de Brodmann (1909), care a împărțit cortexul fiecărei emisfere în 52 de zone., Aceste zone sunt segmentate pe baza diferențelor histologice și nu au nicio concordanță cu subdiviziunile anatomice ale creierului în lobi și gyri. Zona Brodmann 44 (BA44) este una dintre puținele zone funcționale care are o corespondență precisă cu una dintre subdiviziunile anatomice ale cortexului. Într-adevăr, BA44 este conținut și limitat de pars opercularis al girusului frontal inferior stâng, nucleul funcției limbajului expresiv descris de Broca (1861).,este dificil să explicăm o astfel de varietate de funcții dintr-un model segregaționist al funcției creierului bazat pe module. Majoritatea modelelor moderne pledează pentru abordări multi-modulare care explică cunoașterea ca o variație în configurația rețelei. Aceasta înseamnă că orice zonă specifică (de exemplu, BA44) se poate conecta cu diferite module, în funcție de sarcină, rezultând configurații de rețea specifice responsabile pentru o anumită funcție. Conectivitatea creierului, termenul care se referă la această viziune, poate explica fenomene cognitive, comportamentale și neuropsihologice mai complexe decât modelele simple de localizare., Modelele de caracterizare a rețelei neuronale au valoare în starea actuală a Neuroștiinței cognitive, iar pentru realizarea acestei căutări sunt necesare contribuții din diferite metode.ca rezultat ,s-a constatat recent interesul pentru conectivitatea creierului prin apariția imaginii tensorului de difuzie (DTI) și a RMN funcțional în stare de repaus (fMRI). DTI este capabil să identifice tracturile de fibre ale țesutului neuronal viu folosind o tehnică recent dezvoltată numită tractografie., Tractografia este o tehnică post-procesare imagistică care îmbină traiectoriile de difuzie a apei minute (tensori) într-un lanț care reprezintă tracturile neuronale. Starea de repaus fMRI este o altă formă de procedură de calcul post-procesare care descrie conexiunile creierului prin reprezentarea unor zone discrete ale creierului ale căror oscilații spontane sunt în sincronizare. Aceste două proceduri post-procesare sunt în prezent cele mai populare metode de a studia conectivitatea creierului.a fost creată o nouă terminologie pentru a defini constatările sau tehnica asociată studiilor moderne de conectivitate a creierului., (1) conectivitatea Structurală, se referă la descrierea de fibre de tractografia; (2) conectivitatea Funcțională, se referă la hărți de sincronică creierul oscilații, (3) conectivitate în vigoare, se referă la task-based fMRI în care statistic și abordările euristice evalua direcția de fluxul de date în module activate de fMRI., Tractografia poate fi deterministă sau probabilistică; conectivitatea funcțională se poate baza pe analiza independentă a componentelor (ICA) a întregului date sau mai limitată care prezintă sincronia la distanță legată de media variației semnalului unei anumite regiuni de interes (aka conectivitate funcțională bazată pe semințe). Conectivitatea eficientă poate fi explorată cu cel puțin două abordări matematice destul de complexe .deși toate aceste metode pot oferi rezultate similare, ele pot diferi de asemenea., De exemplu, utilizarea tractografiei deterministe are o rezoluție limitată cu fibre de trecere, în timp ce tractografia probabilistică pare să comercializeze sensibilitatea pentru specificitate (Yo et al., 2009). Conectivitatea funcțională este observată între regiunile în care există o conexiune structurală mică sau deloc (Damoiseaux și Greicius, 2009). Cu toate acestea, conectivitatea funcțională se poate schimba și poate fi influențată de învățarea rapidă, formarea unei performanțe specifice unei sarcini sau o leziune (Kelly și Garavan, 2005; Hasenkamp și Barsalou, 2012; Jolles et al., 2013; Vahdat și colab.,, 2014) în timp ce conectivitatea structurală este mai stabilă, iar modificările sunt legate în principal de leziuni. Marea majoritate a studiilor privind conectivitatea funcțională se bazează pe fMRI în stare de repaus. Puține studii au explorat conectivitatea creierului în timpul sau după sarcini (de exemplu, Caclin și Fonlupt, 2006; Bernal et al., 2013; Dima și colab., 2013). Hărțile de activare a creierului în fMRI legate de sarcini au afișat conectivitate, dar întotdeauna limitate la funcția investigată. Acesta este substractul conectivității eficiente.,o metodologie descrisă recent bazată pe o tehnică de meta-analiză destul de limitată a fost, de asemenea, descrisă pentru a descrie rețelele funcționale ale creierului. Metoda a fost denumită model de conectivitate meta-analitică (MACM; Bzdok și colab., 2013; Ardila și colab., 2014; Kohn și colab., 2014). În studiul de față folosim această metodă pentru a descrie rețeaua centrală a Broca implicată în limbajul expresiv. Am preferat să-l numim „studiu de conectare la date” pentru a evita confuzia cu metodologia standard de meta-analiză, care necesită de obicei surse mai largi.,

Materiale și Metode

sursa de date pentru acest tip pooling-conectivitate de date studiu a fost brainmap.org. Motivul de a utiliza doar această sursă este că această bază de date oferă specifice și sistematizat domenii de informații și programe specifice de codificare de activare coordonatele care fac posibilă precise, automată și coerent de selecție a eșantionului de studiu. Ieșirea bazei de date este citită și de un software specific, furnizat și de brainmap.org. astfel, baza de date a Brainmap1 a fost accesată utilizând Sleuth 2.,2, software-ul deschis furnizat de același site web, pe 20 August 2014. În condiții de căutare au fost: (1) studii de raportare BA44 sau aria lui Broca de activare; (2) studiile de neuroimagistică; (3) subiecții normali; (4) activări: „activare numai” (aruncarea raportul de activari); (5) dreptaci subiecte; (6) varsta 20-60 ani; (7) domeniul: limbă. Căutarea este efectuată automat de Sleuth, oferind o listă de lucrări care satisfice criteriile selecton., Subiecții peste 60 de ani au fost excluși din două motive, (1) vârsta este de obicei considerată un factor de risc puternic pentru declinul cognitiv în general și demența în special (Ritchie și Kildea, 1995; Ferri et al., 2006); (2) unele verbală capacitatea de declin este observat după vârsta de 60 de ani (de exemplu, Alwin și McCammon, 2001; Ardila, 2007); anumite abilități verbale, cum ar fluență verbală –o limbă capacitatea de producție care implică BA44 – clar scade după această vârstă (Tombaugh et al., 1999).

șaizeci și nouă de lucrări cu 102 de 407 experimente criterii potrivite. Criteriile de excludere au fost aplicate în acest moment., Articolele au fost excluse dacă aveau subiecte bilingve sau aveau sarcini efectuate în limbi orientale, sarcini limitate la vorbirea automată, sarcini limitate la limbajul receptiv. De asemenea, au fost excluse documentele care raportau pacienții sau documentele în care implicarea limbajului era marginală sau auxiliară a altor sarcini cognitive (memorie, atenție, inhibiție) sau mediate răspunsurile subiectului. Au fost incluși subiecți de ambele sexe. În baza acestor criterii de excludere au fost excluse 12 articole., Astfel, rezultatele fMRI a 57 de lucrări au fost reunite pentru analize suplimentare oferind 883 din 914 subiecți, 84 din 338 experimente; 175 din 280 condiții; și 1247 din 3699 locații (Tabelul 1). Activările asociate BA44 (criterii de căutare) au fost obținute automat din software-ul Sleuth. Acest raport automat enumeră un număr de clustere definite de centrul de masă (în coordonate MNI), volumul clusterului în mm3 și intensitatea. Aceste coordonate, per subiect/sarcină / hârtie au fost exportate ca fișiere text (resutl-uri cumulate) pentru analiză în pasul următor.,

semnificația statistică a clusterelor găsite pe datele grupate a fost apoi analizată utilizând metoda estimării probabilității de activare (ALE). Acest pas a fost realizat cu software-ul open source GingerALE2. ALE este o metodă de analiză a activărilor creierului bazate pe coordonate în studiile de date. Descrierea matematicii ALE sunt dincolo de scopul acestui raport., Pe scurt, ale tratează vârfurile de activare raportate ca distribuții de probabilitate spațiale centrate pe coordonatele date. ALE calculează unirea probabilităților de activare pentru fiecare voxel, permițând diferențierea între convergența reală a focarelor de activare de la gruparea aleatorie (zgomot). Scorurile ALE obținute din mii de iterații aleatorii sunt utilizate pentru a atribui valori p clusterelor de activare observate. Pentru mai multe informații despre teoria ALE, cititorul este sfătuit să citească lucrarea lui Eickhoff et al. (2009). Hărțile noastre ALE au fost prag la p < 0.,01 corectat pentru comparații multiple cu rata de descoperire falsă. Numai clustere de 200 sau mai multe mm cubi în cazul în care sunt acceptate ca clustere valide. Rezultatele ALE au fost suprapuse pe un șablon anatomic adecvat coordonatelor MNI, furnizate și de brainmap.org. în acest scop, am utilizat analiza multi-imagine GUI (Mango) 3. Un mozaic de inserții transverale 3 × 3 de imagini fusion a fost obținut utilizând același instrument, selectând fiecare 3-4 imagini începând cu imaginea nr.10 și exportate într-o imagine 2D-jpg.

rezultate

șaisprezece clustere semnificative de activare au fost găsite cu procedura ALE., Tabelul 1 prezintă aceste clustere clasificate după volumul lor în milimetri cubi. Clusterul principal cuprinde BA44 și zonele sale de rezemare. Acestea sunt insula anterioară, girusul frontal inferior și mijlociu și girusul pre-central. Cel de-al doilea Cluster este situat în girusul stâng pre-SMA și cingulatul anterior care implică BA6 și 32. Implicarea girusului cingulat anterior drept ar putea fi reală sau, cel mai probabil, un efect de netezire a structurii omoloage contralaterale vecine., Cel de-al treilea grup este situat în lobul parietal superior și inferior stâng, o zonă împărțită de BAs 7, 39 și 40. Cel de-al patrulea grup a implicat unele zone oglindă ale Broca stâng (BA44 drept, insula anterioară dreaptă și BA9 drept) și o structură subcorticală, putamenul. Cel de-al cincilea grup a implicat girusul fusiform stâng. Al șaselea cluster reprezintă nucleul zonei de limbă receptivă sau zona lui Wernicke. Următorul grup de importanță a fost localizat în talamusul stâng., Alte nouă grupuri au fost enumerate în raportul automat de GingerAle, așa cum sunt enumerate în tabelul 1, acestea sunt putamenul stâng, lobul parietal drept, lobii occipitali, cerebelul și girusul precentral drept.

discuție

prezentăm rețeaua de zonă Broca specifică sarcinilor lingvistice utilizând o metodă de ALE în datele fMRI cumulate. Metoda noastră diferă de celelalte prin reprezentarea conectivității unei anumite zone în cea mai largă gamă de potențialitate, prin concentrarea în caracterizarea rețelelor specifice care subservează un domeniu sau o funcție cognitivă specifică.,

am constatat că rețeaua de limbă BA44 este format din 16 clustere. Primele șase clustere de activare sunt zone lingvistice bine stabilite: clusterul 1 reprezintă girusul frontal infero-lateral stâng și insula anterioară, care luate împreună au fost recunoscute în literatură ca zona expresivă a limbajului (Benson și Ardila, 1996)., Dimensiunea mare a clusterului relevă conectivitatea densă vecină cu zonele adiacente BA44 prin fibrele U; clusterul 2, reprezintă zona motorului suplimentar, la care priorul este conectat structural prin fasciculul frontal aslant descris de Catani et al. (2013), și cel mai probabil asociat cu fluența verbală și inițierea vorbirii (Martino et al., 2012); clusterul 3, reprezintă activarea superior stâng și lobul parietal inferior, conectate direct sau indirect cu fibre din fasciculul arcuit sau inferior fasciculul occipitofrontal (Dick et al.,, 2013). Legătura cu aceste zone parietale este mai probabil legată de accesul la nodurile memoriei de lucru verbale (Jonides et al., 1998); cluster 4, a arătat activarea omoloage zone de cluster 1; cluster 5 și 6 au fost legate de canonic Wernicke zone, cel mai probabil, conectat prin fasciculul arcuit și subserving fonologice transferul de funcții (Dick et al., 2013).clusterele de la 7 la 16 au constat în activarea zonelor subcortice, nucleul dorsal medial al talamusului stâng; putamenul stâng și cerebelul drept., Implicarea cerebelului stâng este discutabilă și va fi abordată mai târziu. Alte grupuri mici sunt situate în contralateral omoloage zone de activări (BA7 și BA22), ariile vizuale secundare (BA18 și BA19) în ambele emisfere și de activare a dreptul girusul precentral. Implicarea acestor domenii nu este bine înțeleasă., Zonele vizuale pot fi implicate în SARCINI verbale, deoarece subiectul „re-vizualizează” obiectele și scenele descrise de Materialul verbal; girusul precentral poate fi implicat ca o consecvență a subvocalizării, care poate fi prezent atunci când este expus materialului verbal ca strategie pentru imageria repetiției cu indicii motorii (Smith et al., 1995). De remarcat este lipsa conectivității la stânga BA45 și la stânga BA21, care nu sunt enumerate în raportul de text ALE-automatic și nici nu apar în imaginea de redare. Lipsa de implicare a BA45 stânga și BA39 vor fi abordate mai târziu.,din cunoștințele noastre, nu au fost raportate încercări anterioare de a stabili conectivitatea funcțională a zonei Broca în limbaj. Cu toate acestea, puține publicații au raportat studii care evaluează conectivitatea creierului legate de sarcini specifice sau funcții lingvistice. Folosind o analiză de conectivitate funcțională bazată pe semințe, Zhu et al. (2014) au demonstrat rețeaua lingvistică semănând zonele lui Broca și Wernicke. Au demonstrat că Broca e lăsat lateralizat., De asemenea, utilizarea fMRI de stare de repaus pe bază de semințe într-o cohortă de subiecți sănătoși 970 Tomasi și Volkow (2012) a găsit activarea regiunilor prefrontale, temporale și parietale canonice, caudate bilaterale și putamen stâng/globus pallidus și nucleul subtalamic. Autorii au folosit atât zonele Wernicke, cât și zonele Broca ca regiuni de însămânțare. Există, de asemenea, unele studii de conectivitate structurală a zonei Broca. Morgan și colab. (2009) a raportat combinarea DTI și conectivitatea funcțională în stare de repaus pentru a evalua conectivitatea dintre SMA și zonele de limbaj expresiv., Într-un studiu meta-analitic realizat de Eickhoff și colab. (2009) a descris rețeaua expresivă prin punerea în comun a rezultatelor sarcinilor de fluență și efectuarea DCM (Heim et al., 2009). Au găsit o rețea de bază constând din BA44, anterior izolației, BA6 (cortexul premotor), și BA4 (cortexul motor primar), cu legături spre ganglionii bazali și cerebel. În studiul lor au constatat că DCM dovezi insula într-o poziție între BA44 și în paralel două noduri care include cerebelul/bazali și cortexul motor. Heim și colab., (2009) a evaluat aferente conectivitate la BA45 (și BA44, indirect) într-o limbă sarcina de a fonologice/lexicale discriminare prezentate vizual.

două studii suplimentare s-au concentrat în parcelarea zonei Broca referitoare la structura funcției. Primul studiu a utilizat tractografia probabilistică și a inclus BA45. Trei zone separate, au fost identificate: BA44, BA45, și adânc opercular zona pervaze insula anterior (Anwander et al., 2007); al doilea studiu a utilizat o metodă bazată pe modele de co-activare pe mai multe sarcini cognitive distincte., În această lucrare autorii descriu cinci subdiviziuni ale ariei Broca, două zone posterioare legate de fonologie (dorsală) și secvențiere ritmică (ventrală) și trei zone anterioare legate de memoria de lucru, controlul comutării și semantica (Clos et al., 2013). Nu este clar cum acest parcellation armonizeaza cu descoperiri anterioare descriind o dorso-ventral diferențiere a BA44, alocarea dorsal aspect observarea legate de sistemul de neuroni oglinda (Molnar-Szakacs et al., 2005).metoda noastră deși nouă nu este complet nouă., Sundermann and Pfleiderer (2012) a efectuat un studiu utilizând aceeași metodologie ca și studiul nostru. Totuși, acești autori nu au vizat limba. În schimb, ei și-au concentrat studiul în „joncțiunea frontală inferioară” (o zonă care cuprinde gyrusul frontal inferior, aspectul caudal al gyrusului frontal mijlociu și insula anterioară) și rolul său în controlul cognitiv. Ei au aplicat modelarea meta-analitică a conectivității (MACM) bazată pe metoda ALE. Așa cum am făcut în abordarea noastră, și-au făcut analiza agregând toate articolele în care gyri frontal inferior stâng sau drept au fost raportate ca fiind activate., Ca și noi, au făcut și zona de activare variabila independentă fără presupuneri specifice privind specializarea funcțională a zonei țintă. Toate zonele de co-activare au fost considerate a fi conectate cu zona de bază (criterii de selecție pentru MACM).importanța caracterizării rețelei lingvistice a BA44 constă în faptul menționat anterior al implicării multimodale a acestei zone în diferite domenii în cunoaștere. Zona lui Broca ca nucleu al limbajului expresiv, pare să aibă alte multe funcții., Pe lângă funcțiile deja menționate, BA44 apare implicat în SARCINI verbale de memorie de lucru (Rämä et al., 2001; Sun și colab., 2005), în special memoria de tip sintactic (Fiebach et al., 2005; Wang și colab., 2008); sistem de neuroni oglindă (Manthey și colab., 2003; Lawrence și colab., 2006; Lotze și colab., 2006); programarea motoarelor (Amunts et al., 2004); imagini tactile (Yoo et al., 2003); prelucrare aritmetică (Rickard et al., 2000); și chiar bucurie muzicală (Koelsch et al., 2006)., Această multifuncționalitate a zonei Broca poate fi explicată parțial prin subdiviziunea anatomică descrisă anterior, dar totuși subzonele specifice ar trebui să se conecteze într-o manieră specifică, producând configurații distincte de rețea legate de sarcini.ipoteza de diferențiere sub-anatomică a lui Broca este susținută de un studiu recent de autoradiografie histologică care demonstrează diferite populații de receptori celulari (Amunts et al., 2010). Principala ipoteză în această lucrare este că diferențierea în segmentele receptorilor celulari și funcția., Există șase tipuri de receptori de parcelare Broca în o (1) ventral precentral tranziție cortex, (2) dorsală BA44, (3) ventral BA44, (4) anterior BA45, (5) posterior BA45, și (6) mijloc girusul frontal frontal operculum. De remarcat este sensul mai larg al zonei Broca în această lucrare, inclusiv BA45 sau par triangularis al IFG.toate aceste fapte indică o funcție multi-potențială a BA44 care, cel mai probabil, are o expresie într-o configurație cu mai multe rețele care reprezintă ieșirea diferită a funcției., Prin urmare, o caracterizare a tuturor configurațiilor posibile de rețea este recomandabilă în încercarea de a înțelege plasticitatea funcției creierului și posibilele efecte clinice ale leziunilor locale.rezultatele noastre au implicații importante. Poate servi ca punct de plecare pentru a caracteriza în continuare rețelele distincte legate de Broca asociate diverselor funcții ale creierului. De asemenea, poate facilita explicarea complexității sindromului observat în tulburările de vorbire și limbaj, dificil de redus la două sau trei module ale modelului standard de limbă., Demonstrarea specifice rețelelor subserving, de asemenea, anumite funcții cognitive, cum este prezentat în această lucrare, este important pentru validare cruce de alte tehnici care să demonstreze conectivitate creierului; de asemenea, poate servi de dovada sau dysproof funcționale implicarea conectivitatea structurală. De exemplu, s-a constatat că unii subiecți cu dominația emisferei drepte pentru limbă, au lăsat dominația fasciculului arcuat (Dick et al.,, 2013), caz în care conectivitatea structurală nu urmează conectivitatea neuronală; metoda noastră poate evolua, de asemenea, ca un instrument pentru o anumită lateralizare a limbajului dacă se demonstrează conectivități distincte de la dreapta la stânga în cercetările viitoare în acest domeniu.

limitări

multe alte articole au descris activarea BA44 în sarcinile de limbă, dar nu au fost incluse în brainmap.org baza de date., Pentru a intra în baza de date, rezultatele studiului au la raportul de activare în spațiu standard de coordonate (MNI sau Talairach), care trebuie să fie introduse manual în baza de date și apoi a fost aprobat de echipa de conducere brainmap.org proiect. În ciuda acestei limitări, autorii estimează numărul de studii/participanți / experimente care intră în pooling-datele sunt mari și reflectă stadiul publicațiilor de ultimă oră în fMRI de limbă.o altă limitare potențială derivată din pre-procesare este alocarea greșită a activării în zonele în care se învecinează doi lobi sau structuri diferite., O parte din preprocesarea datelor constă în netezirea activării. În netezire, voxelii cu semnal mai mic decât vecinii sunt crescuți pentru o prezentare mai puțin zgomotoasă. Astfel, algoritmul tratează toți vecinii ca un continuum. Această procedură se explică de ce este cel mai probabil un fals activarea culmen de cerebel, ca netezirea adevărat de activare obținute în girusul fusiform se sprijină pe culmen. Un efect similar explică apelul de activare în girusul cingulat anterior drept și girusul superior temporal stâng (zona 22 din clusterul 1)., Această activare se datorează cel mai probabil extinderii netezirii de la operculul frontal adiacent.trebuie expuse două limitări suplimentare. În ciuda implicării clare a BA45 în limba demonstrată de studiile fMRI menționate mai sus, acest domeniu nu este menționat în raportul automat ALE. Clusterul 1 (Tabelul 1) arată activarea în toate zonele din jurul BA45 (adică 44, 47, 6 și 9)., Prin urmare, se pare că algoritmul este presupunând un „bloc”, inclusiv BA45 (Pars Tringularis) în termen de BA44, deoarece activarea este evidentă în acest domeniu în conformitate cu imaginea randată (Figura 1, dreapta). O situație similară poate explica lipsa raportului BA21. Aceste limitări tehnologice sunt departe de a fi potrivite pentru a fi modificate de autori. Cu toate acestea, în sine, acestea nu afectează analiza sau rezultatele statistice.