Μεθοδολογίες εκτίμησης δυναμικής λειτουργικής συνδεσιμότητας σε δεδομένα λειτουργικής απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού

Abstract

Recent studies related to assessing functional connectivity (FC) in resting-state functional Magnetic Resonance Imaging (rs-fMRI) have revealed that the resulting connectivity patterns exhibit considerable fluctuations (dynamic FC – dFC) contrary to earlier assumptions of stationarity. A widely applied method for quantifying dFC is the sliding window method, whereby the data are divided into segments with the same length (window size) and a correlation metric is employed to assess connectivity within these segments, while the window size is often empirically chosen. Usually, the data points inside each window are given equal weights; however, it has been argued that this approach could result in abrupt changes in windowed metric series if an outlier is considered. For this reason, a variety of window functions were employed in the corresponding literature. In the present thesis, the assessment of dFC from rs-fMRI data is rigorously investigated using the sliding window method. Firstly, the present thesis accomplishes an exhaustive investigation using ten different window functions. Secondly, a detailed comparison is performed between different correlation metrics across a wide range of window sizes, aiming to systematically define an optimum parameter selection to assess dFC. Statistical inference is achieved by employing a hypothesis testing framework based on surrogate data, for constructing the null hypothesis of dFC absence. Based on this analysis, we sought to identify the sensitivity of each metric and window function with respect to window size, for identifying dFC. Subsequently, in the present thesis, another method for estimating dFC is considered, whereby the time-series are projected to the time-frequency domain. This technique is based on the wavelet transform for obtaining a coherence measure of the examined signals in both time and frequency, as well as their phase coupling values. Using both visual illustrations and a hypothesis testing framework based on surrogate data, a broader interpretation of dFC is achieved, which only requires the selection of the wavelet basis function for the transform, as opposed to the sliding window method that requires the definition of the FC metric, window size, window shifting and window function. Consequently, the conclusions depend on fewer methodological parameters and can provide a better understanding of FC patterns of the resting brain.

Πρόσφατες μελέτες σχετικά με την εκτίμηση της λειτουργικής συνδεσιμότητας (ΛΣ) στη λειτουργική Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (ΛΑΜΣ) σε κατάσταση ηρεμίας αποκάλυψαν ότι τα πρότυπα σύνδεσης παρουσιάζουν σημαντικές διακυμάνσεις (δυναμική ΛΣ – δΛΣ) σε αντίθεση με προηγούμενες υποθέσεις στασιμότητας. Μια ευρέως εφαρμοζόμενη μέθοδος για την εκτίμηση της δΛΣ είναι η μέθοδος κυλιόμενου παραθύρου, όπου τα δεδομένα χωρίζονται σε τμήματα ίσου μήκους (μέγεθος παραθύρου) και χρησιμοποιείται μια μετρική συσχέτισης για την αξιολόγηση της συνδεσιμότητας σε αυτά τα τμήματα, ενώ το μέγεθος παραθύρου συχνά επιλέγεται εμπειρικά. Συνήθως, στα δεδομένα μέσα σε κάθε παράθυρο αποδίδονται ίσα βάρη. Ωστόσο, έχει υποστηριχθεί ότι αυτή η προσέγγιση πιθανόν να οδηγήσει σε απότομες αλλαγές στην εκτίμηση της ΛΣ στην περίπτωση παρουσίας ακραίων τιμών. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκαν στη βιβλιογραφία διάφορες συναρτήσεις παραθύρου. Στο πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής, διερευνάται αυστηρά η εκτίμηση της δΛΣ σε δεδομένα ΛΑΜΣ σε κατάσταση ηρεμίας χρησιμοποιώντας την μέθοδο κυλιόμενου παραθύρου. Αρχικά, διενεργείται μια εξαντλητική έρευνα χρησιμοποιώντας δέκα διαφορετικές συναρτήσεις παραθύρου. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μια λεπτομερής σύγκριση μεταξύ διαφορετικών μετρικών συσχέτισης σε ένα ευρύ φάσμα μεγεθών παραθύρων, με σκοπό τον συστηματικό καθορισμό μιας βέλτιστης επιλογής παραμέτρων για την αξιολόγηση της δΛΣ. Η στατιστική συμπερασματολογία επιτυγχάνεται με τη χρήση ελέγχου υποθέσεων βασισμένου σε υποκατάστατα δεδομένα, με σκοπό την κατασκευή της μηδενικής υπόθεσης της απουσίας δΛΣ. Βάσει αυτής της ανάλυσης, επιδιώκεται ο προσδιορισμός της ευαισθησίας κάθε μετρικής και συνάρτησης παραθύρου σε σχέση με το μέγεθος παραθύρου. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής, χρησιμοποιείται μια άλλη μέθοδος εκτίμησης της δΛΣ, σύμφωνα με την οποία οι χρονοσειρές απεικονίζονται στο πεδίο του χρόνου–συχνότητας. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στον μετασχηματισμό κυματιδίων για την απόκτηση μιας μετρικής συνάφειας των εξεταζόμενων σημάτων στο χρόνο και στη συχνότητα, καθώς και την μεταξύ τους διαφορά φάσης. Χρησιμοποιώντας τόσο οπτικές αναπαραστάσεις όσο και πλαίσιο ελέγχου υποθέσεων βασισμένο σε υποκατάστατα δεδομένα επιτυγχάνεται ευρύτερη ερμηνεία της δΛΣ, η οποία απαιτεί μόνο την επιλογή της συνάρτησης βάσης για το μετασχηματισμό κυματιδίων, σε αντίθεση με τη μέθοδο κυλιόμενου παραθύρου που απαιτεί τον ορισμό της μετρικής ΛΣ, του μεγέθους παραθύρου, της μετατόπισης παραθύρου και της συνάρτησης παραθύρου. Ως εκ τούτου, τα συμπεράσματα εξαρτώνται από λιγότερες μεθοδολογικές παραμέτρους και μπορούν να παρέχουν καλύτερη κατανόηση των προτύπων ΛΣ του εγκεφάλου που βρίσκεται σε ηρεμία.