introduktion

ett sätt att beskriva funktionell kortikal organisation är genom kartor som paketerar hela cortex i små regioner, var och en med specifika hjärnfunktioner. Den mest populära kartan beskrevs först av Brodmann (1909) som delade upp cortexen på varje halvklot i 52 områden., Dessa områden är segmenterade på grundval av histologiska skillnader och har ingen överensstämmelse med hjärnans anatomiska underavdelningar i lober och gyri. Brodmanns område 44 (BA44) är ett av de få funktionella områdena som har en exakt korrespondens med en av cortexens anatomiska underavdelningar. Faktum är att BA44 finns och begränsas av pars opercularis av vänster sämre frontal gyrus, kärnan i den uttrycksfulla språkfunktionen som beskrivs av Broca (1861).,

det är besvärligt att förklara en sådan mängd funktioner från en segregationistmodell av hjärnfunktion baserad på moduler. De flesta moderna modeller förespråkar flera modulära tillvägagångssätt som förklarar kognition som en varians i nätverkskonfiguration. Detta innebär att varje specifikt område (t.ex. BA44) kan ansluta till olika moduler, beroende på uppgiften, vilket ger specifika nätverkskonfigurationer som ansvarar för en viss funktion. Hjärnanslutning, termen att hänvisa till denna uppfattning, kan förklara bättre komplexa kognitiva, beteendemässiga och neuropsykologiska fenomen än enkla lokaliseringsmodeller., Neurala nätverkskarakteriseringsmodeller är av värde i nuvarande status för kognitiv neurovetenskap, och för att uppnå denna uppdragsinmatning från olika metoder är det nödvändigt.

som ett resultat har det nyligen funnits intresse för hjärnanslutning genom tillkomsten av diffusion tensor imaging (DTI) och viloläge funktionell MR (fMRI). DTI kan identifiera fiberbanor av levande neuronal vävnad med hjälp av en nyligen utvecklad teknik som kallas traktografi., Tractography är en bildbehandling efterbehandlingsteknik som sammanfogar minut vatten diffusion banor (tensorer) i en kedja som representerar neurala områden. Viloläge fMRI är en annan form av datoranvändning efterbehandlingsprocedur som visar hjärnanslutningar genom att representera diskreta hjärnområden vars spontana svängningar är synkroniserade. Dessa två efterbehandlingsprocedurer är för närvarande de mest populära metoderna för att studera hjärnanslutning.

ny terminologi har skapats för att definiera resultaten eller tekniken i samband med moderna hjärnanslutningsstudier., (1) strukturell anslutning, hänvisar till skildringen av fibrer genom traktografi; (2) funktionell anslutning, hänvisar till kartor över synkroniska hjärnoscillationer, (3) effektiv anslutning, hänvisar till uppgiftsbaserad fMRI där statistiska och heuristiska tillvägagångssätt bedömer riktningen för dataflödet i de aktiverade modulerna i fMRI., Traktografi kan vara deterministisk eller probabilistisk; funktionell anslutning kan baseras på oberoende komponentanalys (ICA) av hela data, eller mer begränsad skildring avlägsen synkront relaterat till genomsnittet av signalvariation av en viss region av intresse (aka seeded-baserad funktionell anslutning). Effektiv anslutning kan utforskas med minst två ganska komplexa matematiska metoder .

även om alla dessa metoder kan ge liknande resultat kan de också skilja sig åt., Till exempel har användningen av deterministisk traktografi begränsad upplösning med korsande fibrer, medan probabilistisk traktografi verkar handla känslighet för specificitet (Yo et al., 2009). Funktionell anslutning observeras mellan regioner där det finns liten eller ingen strukturell anslutning (Damoiseaux och Greicius, 2009). Funktionell anslutning kan dock förändras och kan påverkas av snabb inlärning, träning av en uppgiftsspecifik prestanda eller en lesion (Kelly och Garavan, 2005; Hasenkamp och Barsalou, 2012; Jolles et al. 2013; för Vahdat et al.,, 2014) medan strukturell anslutning är stabilare och förändringar är främst relaterade till skador. De allra flesta studier av funktionell anslutning är baserade på viloläge fMRI. Få studier har utforskat hjärnans anslutning under eller efter uppgifter (t.ex. Caclin och Fonlupt, 2006; Bernal et al., 2013; Dima m.fl., 2013). Hjärnaktiveringskartor i uppgiftsrelaterade fMRI har visat anslutning men alltid begränsad till den undersökta funktionen. Detta är substrakten för effektiv anslutning.,

en nyligen beskriven metod baserad på en ganska begränsad metaanalysteknik har också beskrivits för att skildra hjärnans funktionella nätverk. Metoden har kallats meta-analytisk anslutningsmodell (MACM; BZDOK et al. 2013; för Ardila et al., 2014; Kohn et al., 2014). I denna studie använder vi denna metod för att beskriva Brocas område kärnnätverk som är involverat i uttrycksfullt språk. Vi har föredragit att kalla det ”Pooling – data connectivity study” för att undvika förvirring med den vanliga metaanalysmetoden som vanligtvis kräver bredare källor.,

material och metoder

datakällan för denna sammansättningsdataanslutningsstudie var brainmap.org. anledningen till att endast använda denna källa är att denna databas ger specifika och systematiserade fält av information och programvaruspecifika kodning av aktiveringskoordinater som möjliggör exakt, automatisk och konsekvent urval av provet för att studera. Produktionen av databasen läses också av en specifik programvara, som också tillhandahålls av brainmap.org. således var databasen av Brainmap1 nås utnyttja Sleuth 2.,2, öppen programvara som tillhandahålls av samma webbplats, den 20 augusti 2014. Sökvillkoren var: (1) studier som rapporterar BA44 eller Brocas områdesaktivering; (2) studier med fMRI; (3) normala ämnen; (4) aktiveringar: ”endast aktivering” (kassera rapport om avaktiveringar); (5) högerhänta ämnen; (6) ålder 20-60 år; (7) domän: språk. Sökningen utförs automatiskt av Sleuth, vilket ger en lista över papper som uppfyller selecton-kriterierna., Patienter över 60 var uteslutna på grund av två skäl, (1) ålder anses vanligtvis som en stark riskfaktor för kognitiv nedgång i allmänhet, och demens i synnerhet (Ritchie och Kildea, 1995; Ferri et al.(2) viss verbal förmåga nedgång observeras efter 60 års ålder (t.ex. Alwin och McCammon, 2001; Ardila, 2007); vissa verbala förmågor, sådan verbal flyt –en språkproduktionsförmåga som involverar BA44 – minskar tydligt efter denna ålder (Tombaugh et al., 1999).

69 papper med 102 av 407 experiment matchade kriterier. Uteslutningskriterier tillämpades för närvarande., Artiklar exkluderades om de hade tvåspråkiga ämnen eller hade uppgifter utförda på orientaliska språk, uppgifter begränsade till automatiskt tal, uppgifter begränsade till mottagligt språk. Papper som rapporterade patienter eller papper där språkengagemang var marginellt eller underordnat andra kognitiva uppgifter (minne, uppmärksamhet, hämning) eller medierade ämnets svar exkluderades också. Ämnen av båda könen inkluderades. På grundval av dessa uteslutningskriterier uteslöts 12 artiklar., FMRI-resultaten av 57-papper sammanfördes således för vidare analys som gav 883 av 914-ämnen, 84 av 338-experiment, 175 av 280-villkor och 1247 av 3699-platser (Tabell 1). Aktiveringar associerade till BA44 (sökkriterier) erhölls automatiskt från Sleuth-programvaran. Denna automatiska rapportlista ett antal kluster som definieras av masscentrum (i MNI-koordinater), klustervolym i mm3 och intensitet. Dessa koordinater, per ämne/uppgift/papper exporterades som textfiler (poolade resutler) för analys på följande steg.,

den statistiska betydelsen av kluster som hittades på poolade-data analyserades sedan med hjälp av activation likelihood estimate – (ALE) – metoden. Detta steg utfördes med öppen källkod GingerALE2. ALE är en metod för att analysera koordinatbaserade hjärnaktiveringar i pooling – dataStudier. Beskrivningen av ale: s matematik ligger utanför syftet med detta betänkande., I ett nötskal behandlar ALE rapporterade toppar av aktivering som rumsliga sannolikhetsfördelningar centrerade vid de givna koordinaterna. ALE beräknar föreningen av aktiveringssannolikheter för varje voxel, vilket möjliggör skillnad mellan sann konvergens av aktiveringsfokus från slumpmässig klustring (buller). ALE poäng som erhållits från tusentals slumpmässiga iterationer används för att tilldela p-värden till de observerade kluster av aktivering. För mer information om teorin om ALE läsaren rekommenderas att läsa arbetet med Eickhoff et al. (2009). Våra ALE-kartor var tröskel vid p < 0.,01 korrigeras för flera jämförelser med falsk upptäckt hastighet. Endast kluster på 200 eller mer kubik mm om de godtas som giltiga kluster. ALE-resultaten överlagrades på en anatomisk mall som var lämplig för MNI-koordinater, som också tillhandahölls av brainmap.org. för detta ändamål använde vi Multi-Image Analysis GUI (Mango)3. En mosaik av 3 × 3 transverala Infogningar av fusionsbilder erhölls med samma verktyg, välja varje 3-4 bilder som börjar på bild nr 10, och exporteras till en 2D-jpg-bild.

resultat

16 signifikanta aktiveringskluster hittades med ALE-förfarandet., Tabell 1 visar dessa kluster rankas efter deras volym i kubik millimeter. Huvudklustret omfattar BA44 och dess anliggande områden. Dessa är den främre insula, den underlägsna och mellersta frontalgyri och den pre-centrala gyrusen. Det andra klustret ligger i vänster pre – SMA och främre cingulate gyrus som involverar BA6 och 32. Involveringen av den högra främre cingulate gyrus kan vara verklig eller sannolikt en effekt av utjämning av den närliggande kontralaterala homologa strukturen., Det tredje klustret ligger i den vänstra superior och inferior parietala lobule, ett område som delas av BAs 7, 39 och 40. Det fjärde klustret involverade några spegelområden i vänster Broca (höger BA44, höger främre insula och höger BA9) och en subkortisk struktur, putamen. Det femte klustret involverade vänster fusiform gyrus. Det sjätte klustret representerar kärnan i det mottagliga språkområdet eller Wernickes område. Nästa kluster av betydelse var belägen i vänster thalamus., Ytterligare nio kluster listades i den automatiserade rapporten av GingerAle, som anges i Tabell 1, de är vänster putamen, höger parietallob, occipitalloberna, cerebellum och rätt precentral gyrus.

diskussion

Vi presenterar Brocas områdesnätverk specifikt för språkuppgifter som använder en metod för ALE i poolade fMRI-data. Vår metod skiljer sig från andra genom att skildra anslutning av ett visst område i sitt bredaste utbud av potentialitet, genom att fokusera på karakterisering av specifika nätverk underservera en specifik kognitiv domän eller funktion.,

Vi fann att språknätverket för BA44 består av 16 kluster. De första sex klustren av aktivering är väl etablerade språkområden: kluster 1 representerar vänster infero-lateral frontal gyrus och den främre insula, som tillsammans har erkänts i litteraturen som det uttrycksfulla språkområdet (Benson och Ardila, 1996)., Den stora kluster avslöjar den täta angränsande anslutning till områden i anslutning till BA44 genom U-fibrer, kluster 2, representerar kompletterande motor område som tidigare är ansluten strukturellt genom aslant frontal fasciculus beskrivs av Catani et al. (2013), och troligen i samband med verbal flyt och initiering av tal (Martino et al., 2012); kluster 3, representerar aktiveringen av den vänstra överlägsen och sämre parietala lobulen, ansluten direkt eller indirekt med fibrer av den bågformiga fasciculus eller den underlägsna occipitofrontala fasciculus (Dick et al.,, 2013). Anslutningen till dessa parietala områden är mer sannolikt relaterad till tillgång till verbala arbetsminnesnoder (Jonides et al., 1998); kluster 4, visade aktivering av homologa områden av kluster 1; kluster 5 och 6 var relaterade till kanoniska Wernickes områden, troligen kopplade genom de bågformiga fasciculus och subserving fonologiska överföringsfunktionerna (Dick et al., 2013).

kluster 7 till 16 bestod av aktivering av subkortiska områden, medial dorsalkärna i vänster thalamus; vänster putamen och höger cerebellum., Involveringen av vänster cerebellum är tveksamt och kommer att behandlas senare. Andra små kluster är beläget i kontralaterala homolog områden aktiveringar (BA7 och BA22), sekundär visuella områden (BA18 och BA19) i båda hjärnhalvorna och aktivering av höger precentral gyrus. Dessa områdens medverkan är inte väl förstådd., Visuella områden kan vara inblandade i verbala uppgifter som ämnet ”åter visualisera” objekt och scener som beskrivs av det verbala materialet; precentral gyrus kan vara involverad som en consecuence av subvocalization, som kan vara närvarande när de utsätts för verbalt material som en strategi för att repetera bilder med motor ledtrådar (Smith et al., 1995). Notera är bristen på anslutning till vänster BA45 och vänster BA21, inte anges i Ale-automatisk textrapport, eller visas i rendering bilden. Bristen på engagemang från vänster BA45 och BA39 kommer att åtgärdas senare.,

så vitt vi vet har inga tidigare försök att fastställa den funktionella anslutningen av Brocas område på språk rapporterats. Få publikationer har dock rapporterat studier som bedömer hjärnans anslutning relaterad till specifika uppgifter eller språkfunktioner. Användning av en fröbaserad viloläge funktionell anslutningsanalys Zhu et al. (2014) har visat språknätverket sådd Brocas och Wernickes områden. De visade att Broca skulle lämnas senarelagd., Genom att använda fröbaserade vilotillstånd fMRI i en kohort av 970 friska försökspersoner Tomasi och Volkow (2012) fann man aktivering av de kanoniska prefrontala, temporala och parietala regionerna, bilateralt caudatus och vänster putamen/globus pallidus och subtalamisk kärna. Författarna utnyttjade både Wernickes och Brocas områden som såddregioner. Det finns också några studier av strukturell anslutning av Brocas område. Morgan et al. (2009) rapporterade kombinera DTI och viloläge funktionell anslutning för att bedöma sambandet mellan SMA och uttrycksfulla språkområden., I en meta-analytisk studie av Eickhoff et al. (2009) beskrev det uttrycksfulla nätverket genom att samla resultat av flytande uppgifter och genomföra DCM (Heim et al., 2009). De fann kärnnätet bestående av BA44, främre insula, BA6 (premotor cortex) och BA4 (primär motor cortex), med anslutningar till basala ganglier och cerebellum. I sin studie fann de att DCM bevis insula i en position mellan BA44 och två parallella noder som inkluderar lillhjärnan/basala ganglierna och motoriska cortex. Heim et al., (2009) bedömde afferenta anslutningar till BA45 (och ba44, indirekt) i en språkuppgift av fonologisk/lexisk diskriminering som visuellt presenteras.

två ytterligare studier har fokuserat på parceling Brocas område avseende struktur till funktion. Den första studien utnyttjade probabilistisk traktografi och inkluderade BA45. Tre segregerade områden identifierades: BA44, BA45 och djupt operkulärt område som ligger anterior insula (Anwander et al., 2007); den andra studien utnyttjade en metod baserad på mönster av samaktivering på flera olika kognitiva uppgifter., I detta arbete beskriver författarna fem underavdelningar av Brocas område, två bakre områden relaterade till fonologi (dorsal) och rytmisk sekvensering (ventral) och tre främre områden relaterade till arbetsminne, omkopplingskontroll och semantik (Clos et al., 2013). Det är inte klart hur denna parcellation harmoniserar med tidigare resultat som beskriver en dorso-ventral differentiering av BA44, vilket i den dorsala aspekten fördelar det observationsrelaterade spegelneuronsystemet (Molnar-Szakacs et al., 2005).

vår metod även om ny inte är helt ny., Sundermann och Pfleiderer (2012) genomförde en studie med samma metod som vår studie. Dessa författare var dock inte inriktade på språk. Istället fokuserade de sin studie i ”inferior frontal junction” (ett område som omfattar sämre frontal gyrus, caudal aspekt av den mellersta frontal gyrus och främre insula) och dess roll i kognitiv kontroll. De tillämpade meta-analytisk anslutningsmodellering (MACM) baserat på ALE-metoden. Som vi gjorde i vårt tillvägagångssätt gjorde de sin analys som aggregerade alla artiklar där vänster eller höger sämre frontalgyri rapporterades som Aktiverad., Liksom oss gjorde de också aktiveringsområdet den oberoende variabeln utan några specifika antaganden om funktionell specialisering av målområdet. Alla samaktiveringsområden ansågs vara kopplade till kärnområdet (urvalskriterier för MACM).

betydelsen av att karakterisera ba44s språknätverk ligger i det ovan nämnda faktumet att multimodalitet engagerar detta område över olika domäner i kognition. Brocas område som kärnan i uttrycksfullt språk verkar ha andra många funktioner., Förutom de funktioner som redan nämnts verkar BA44 vara involverad i verbala arbetsminnesuppgifter (Rämä et al., 2001; Sun et al., 2005), särskilt minne av syntaktisk typ (Fiebach et al., 2005; Wang et al., 2008); system av spegelneuroner (Manthey et al., 2003; Lawrence m.fl., 2006; Lotze et al., 2006); motor programmering (Ro et al., 2004); taktila bilder (Yoo et al., 2003); aritmetiska bearbetning (Rickard et al., 2000), och även musik njutning (Koelsch et al., 2006)., Denna multifunktionalitet av Brocas område kan delvis förklaras av den anatomiska underavdelningen som beskrivits tidigare, men fortfarande specifika delområden bör ansluta på ett specifikt sätt som producerar distinkta uppgiftsrelaterade nätverkskonfigurationer.

Brocas sub-anatomiska differentieringshypotes stöds av en nyligen histologisk autoradiografistudie som visar olika populationer av cellreceptorer (Amunts et al., 2010). Huvudantagandet i detta arbete är att differentieringen i cellreceptorsegment också funktionen., Det finns sex receptor typer parceling broca ’ s i en (1) lufthål precentral övergångsbestämmelser cortex, (2) rygg-BA44, (3) lufthål BA44, (4) främre BA45, (5) bakre BA45, och (6) mellersta frontal gyrus frontal operculum. Att notera är vidare betydelsen av Brocas område i detta arbete, bland annat BA45 eller par triangularis av IFG.

alla dessa fakta är ett tecken på en multipotential funktion av BA44 som troligen har uttryck i en flera nätverkskonfiguration som står för de olika funktionsutgångarna., Därför är en karakterisering av alla möjliga nätverkskonfigurationer tillrådligt i ett försök att förstå hjärnans plasticitet och de möjliga kliniska effekterna av de lokala lesionerna.

våra resultat har viktiga konsekvenser. Det kan fungera som en utgångspunkt för att ytterligare caractherize de distinkta Brocas relaterade nätverk som är associerade till olika hjärnfunktioner. Det kan också lätt förklaringen av komplexiteten i syndrom ses i tal-och språkstörningar, svårt att minska till två eller tre moduler i språkstandardmodellen., Demonstrationen av specifika nätverk underserving också specifika kognitiva funktioner, som presenteras i detta dokument, är viktigt för korsvalidering av andra tekniker som visar hjärnans anslutning; det kan också tjäna till bevis eller DYS proof funktionell inblandning av strukturella anslutningar. Till exempel har det visat sig att vissa ämnen med höger halvklot dominans för språk, har lämnat bågformig fasciculus dominans (Dick et al.,, 2013), i vilket fall följer den strukturella anslutningen inte neural anslutning; vår metod kan också utvecklas som ett verktyg för att acertain språk lateralisering om distinkta höger till vänster anslutningar demonstreras i framtida forskning på detta område.

begränsningar

många fler artiklar har beskrivit ba44 aktivering i språkuppgifter, men de har inte inkluderats i brainmap.org databas., För att komma in i databasen måste studieresultaten rapportera aktivering i standardrumskoordinater (MNI eller Talairach), som måste matas in manuellt till databasen och sedan godkännas av det team som leder brainmap.org projekt. Trots denna begränsning författarna uppskattar antalet studier / deltagare / experiment som kommer in i poolen-data är stor och återspeglar toppmoderna publikationer i fMRI språk.

en annan potentiell begränsning som härrör från förbehandlingen är felaktig fördelning av aktivering i områden där två olika lober eller strukturer ligger an mot varandra., En del av förBehandlingen av data består av utjämning av aktiveringen. I utjämning ökas voxlar med lägre signal än grannarna för mindre bullriga presentationer. Således behandlar algoritmen alla grannar som ett kontinuum. Denna procedur förklarar vad som sannolikt är en falsk aktivering av cerebellums kulmen, eftersom utjämningen av den sanna aktiveringen som erhållits i fusiform gyrus ligger i kulmen. En liknande effekt förklarar aktiveringsanropet i den högra främre cingulate gyrus och den vänstra temporala överlägsen gyrus (område 22 i kluster 1)., Denna aktivering beror sannolikt på förlängning av utjämningen från det intilliggande frontoperkulatet.

två ytterligare begränsningar bör exponeras. Trots BA45: s tydliga engagemang i språk som framgår av tidigare nämnda fMRI-studier nämns inte detta område i Ale: s automatiska rapport. Kluster 1 (Tabell 1) visar aktivering i alla områden som omger BA45 (dvs. 44, 47, 6 och 9)., Det verkar därför vara den algoritm som utgår från ett ”block”, inklusive BA45 (Pars Tringularis) inom BA44, eftersom aktiveringen är synliga i det område i enlighet med den renderade bilden (Figur 1, höger panel). En liknande situation kan förklara bristen på rapport från BA21. Dessa tekniska begränsningar är långt ifrån lämpliga att modifieras av författarna. I sig påverkar de emellertid inte den statistiska analysen eller resultaten.

andra begränsningar är medvetna begränsningar av studien för att undvika effekten av förvirrande faktorer som är kända för att påverka språk lateralisering (righ-handed normala ämnen, språktyp: occidental och ålder: 20-60). Undersökningen av hur dessa variabler samspelar med Brocas nätverk är värt att ta itu med i framtida forskning.

tillkomsten av en stor databas tillåter aggregering av information pålitlig under en given variabel. Det skulle göra det möjligt för oss att få tillförlitlig information med hög generaliseringsförmåga., Dessutom möjliggör sammanslagning av data i den metod som vi föreslår här demonstration av områden för samaktivering mellan ämnen och mellan uppgifter som underserverar antingen en specifik funktion eller en grupp funktioner som hänför sig till en viss domän. I synnerhet kan varje specifik uppgift (fonologi, semantisk, förståelse etc.) endast använda några av modulerna. Skildringen av höga specifika nätverk som sänker specifika funktioner kan vara av betydelse i klinisk praxis., Det kan till exempel identifiera nätverk relaterade till lateralisering av språk och därmed hjälpa till med neurokirurgisk planering hos patienter som inte är lämpliga för uppgiftsberoende fMRI-eller Wada-test. I stort kan vår metod visa möjlig eller potentiell anslutning av nätverket för den kognitiva domänen som förbättrar förståelsen av hjärnfunktionen., Till exempel kan vi bedöma alla olika ”konfigurationer” där BA44 deltar för att avslöja sin maximala anslutning eller, i mindre skala, söka differentiering av sådana konfigurationer för att belysa hur BA44 är involverad i olika funktioner.

slutsats

Vi har visat tillämpningen av en samlingsdatametod för att skildra i stort nätverket av BA44 relaterat till språk. De kluster av aktivering som finns är i linje med tidigare kliniska och neuroimaging studier, även om de senare är skarpa., För att förklara hjärnans funktion kommer beskrivningen av nätverk att ha en större inverkan i den oändliga framtiden än beskrivningen av hjärnmoduler kan ha haft tidigare. Bättre förståelse av hjärnans anslutning kommer att nödvändigarilly bidra till att bättre förstå hjärnans funktioner.

intressekonflikt uttalande

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.,

fotnoter

1. ^http://brainmap.org
2. ^http://brainmap.org
3. ^http://ric.uthscsa.edu/mango/