Multimodal connectivity analysis

Amaç: Yaratıcı düşünce ve usavurma, insan beyninin bilişsel kapasitesinin hiyerarşik olarak en tepesindeki ve en karmaşık sistemleridir. Birbirleri arasında dinamik bir etkileşim içerisinde olan bu iki kavram, insan ve toplum hayatının daha sürdürülebilir ve kaliteli olması açısından büyük bir stratejik öneme sahiptirler. Bu konuda uzun yıllardır pek çok bilimsel çalışma yapılmasına rağmen bu süreçlerin ardındaki nöral bileşenler ve sistemler hakkında kapsamlı çalışmalar son yıllara kadar yapılamamıştır. Gelişen teknik imkanların da yardımıyla, "Semantik Uzaklık" ve "Anoloji Tabanlı Usavurma" , fMRI görevi olarak modellenebilmiş ve yaratıcı düşünce araştırmaları konusuna yeni yöntemler ve bilgiler sağlamıştır. Bu çalışmanın amacı, kullanılan MR modalitelerini arttırarak (rs-fMRI,dwMRI) sadece görev sırasında aktive olan bölgeleri değil tüm beyni bir bütün ağ ve alt parçaları olarak değerlendirmek, yaratıcı düşüncenin oluşumunda katkıda bulunan bölge ve sistemlerin aktivasyon ve dinlenme sırasında nasıl bir fonksiyonel bağlantıya sahip olduklarını açıklamaktır. Yöntem: Çalışmaya 20-35 yaş arası, kendilerinde ve ailelerinde herhangi bir psikiyatrik bozukluk bulunmayan, en az lise mezunu, 30 sağlıklı gönüllü katılımcı dahil edilmiştir. Tüm katılımcıların MR taramaları Ege Üniversitesi Hastanesi 3T MR ünitesinde daha önce test edilen, çalışmaya en uygun parametreler kullanılarak yapılmıştır. Her katılımcı için yapısal olarak 3D-T1 ağırlıklı MP-RAGE ve 60 yönlü dwMRI, fonksiyonel olarak ise gözler kapalı 9 dakikalık rsfMRI ve "Analoji Tabanlı Usavurma" görevi sırasında BOLD fMRI görüntüleri elde edilmiştir. Tüm görüntüler kalite kontrolü ve ön işlemlerden geçirildikten sonra, fonksiyonel görüntüler üzerinde Freesurfer yazılım paketi ile "Semantik Uzaklık" kullanılarak parametrik modülasyon analizleri ve dinlenme halinde iken CONN MATLAB paketi ile ROIROI bağlantı analizleri yapılmıştır. Difüzyon ağırlıklı görüntülerde ise yine her katılımcı için FSL-ProbtrackX-Tracula yazılımları ile global probabilistik traktografi yapılmış ve fonksiyonel verilerde elde edilen kortikal yüzeylerin bağlantıları analiz edilmiştir. Kullanılan tüm yazılımlar ve araçlar açık kaynak kodlu olup modaliteler arası maksimum uygun hale getirmek için herbirinde gerekli düzenlemeler yapılmıştır. Bulgular: "Analoji Tabanlı Usavurma" görevi sırasında semantik uzaklığın artmasıyla görevde daha iyi performans gösteren bireylerin sol hemisfer gri madde yüzeyinde Intraparietal Sulcus, Anterior Cingulate Cortex-Ventral bölümü, Middle Frontal Gyrus, sağ hemisfer gri madde yüzeyinde Anterior Cingulate Cortex-Ventral bölümü alanlarında, subkoritkal analizlerde ise sağ ve sol Caudate Nucleus'ta, tüm beyin hata düzeltmelerinden sonra anlamlı BOLD sinyal korelasyonu saptandı.. Görevde daha başarılı olan katılımcıların dinlenme sırasında sol IPS ve sağ Inferior Frontal Junction kortikal bölgeleri arasında fonsiyonel korelasyon bulunduğu saptandı (T=4.77, p<.0221). Difüzyon görüntülerinde 16 ana beyaz madde yolağında yapılan global probabilistik analizler sonucunda görev performansı ile bu yolaklar arasında anlamlı bir korelasyon bulunamamıştır. Ancak beyaz madde yüzeyinde ROI tabanlı probabilistik traktografi analizlerine uygulanan Çizge Teorisi sonucu, sol hemisfer Medial OFC, Pars Orbitalis ,ACC Rostral, Amigdala ve sağ hemisferde Pars Triangularis, Precentral Gyrus, Postcentral Gyrus, Superior Frontal Gyrus ve Cuneus'ta görev başarısıyla anlamlı korelasyon bulunmuştur. Sonuç: Yaratıcı düşünce ve usavurmanın daha önceki çalışmalarda da belirlenen kortikal bölgelerin daha aktif kullanılmasıyla daha başarılı hale geldiği görülmektedir. Çalışmamız bu bilgilere dinlenme halindeki fonksiyonel bağlantı ve traktografi sonuçlarını ekleyerek yaratıcı düşüncenin salt aktivasyonun yanında ağ özellikleri açısından da ayırt edilebilir bileşenlerini göstermesi açısından oldukça önemlidir. Önümüzdeki çalışmalarda bu bölgelerin tekil bağlantılarının da incelip daha detaylı bir ağ haritası çıkarılması hedeflenmektedir.Introduction: Creative thinking and reasoning are the paramount of human cognitive capacity and one of the most complex systems. These 2-way interactive and dynamic systems have a great strategic value in terms of sustainability and quality of human life. In spite of many scientific research done in this area, underlying neural mechanisms of these cognitive processes have not been discovered yet. With help of advances in neuroimaging it has been possible to model an fMRI experiment using “Semantic Distance” and “Analogy Based Reasoning”. Aim of this study is, investigate whole brain and its sub-divisions as a network and interacting pair of nodes while performing an analogy based reasoning test and resting state by increaisng the number of MRI modalities with rs-fMRI and dwMRI. Method: 30 participants aged between 20-35, who doesn’t have any psychiatric disorders have been included in this study. All MR scans are completed at Ege University Hospital 3T MR Unit, using previously selected best fit parameters. 3D T1-wieghted MP-RAGE and 60 directions dwMRI data collected for structural and 28 minutes task-based and 9 minutes resting state fMRI data collected for functional analysis. After quality control and preprocessing steps all data analysed using Freesurfer software suite and CONN toolbox. Diffusion weighted images analysed with FSL-ProbtrackX-Tracula software using gloval probabilistic tractography, assesing connectivity of gray matter surfaces. All software was used on this study was open source and licensed under GPL. Results: We found significant BOLD signal correlated regions in the left hemisphere Intraparietal Sulcus, Anterior Cingulate Cortex-Ventral part, Middle Frontal Gyrus, in the right hemisphere Anterior Cingulate Cortex-Ventral part and in subcortical areas, right and left Caudate Nucleus. Left IPS and right IFJ were significantly correlated with task performance while in resting state and therefore showed a strong functional connection. We analysed 16 major white matter tracts using global probabilistic tractography, but couldn't find any significant correlations. However, applying Graph Theory analysis of ROI based probabilistic tractography using whitematter surfaces, we found significant correlations between task score and vertexlevel attributes in the following areas; left hemi: Medial OFC, Pars Orbitalis ,ACC Rostral, Amigdala and right hemi: Pars Triangularis, Precentral Gyrus, Postcentral Gyrus, Superior Frontal Gyrus and Cuneus. Conclusion: Similar cortical regions were found correlated with creative thinking and reasoning as previous studies suggested. In addition to previous findings we showed functional and structural connectivity properties of the human brain in relation with creativity and reasoning. In future studies it is important to asses the connectivity of these spesific areas and their network properties as they are shown to be linked with creativity and reasoning