Functional connectivity of the brain: Analyzing the associations with intellectual performance and sustained attention using magnetic resonance imaging

Sabe-se que diversas regiões do cérebro humano trabalham em sincronia, mesmo anatomicamente separadas, sugerindo conexões funcionais e estruturais. Dessa forma, nosso cérebro pode ser considerado uma rede que pode ser estudada para diferenças entre indivíduos e entre tarefas, em que os nodos podem ser diferentes regiões e as arestas podem ser medidas de conectividade funcional entre séries temporais de um sinal de ressonância magnética de cada região. Neste estudo, propomos analisar como conectividade funcional e parâmetros de rede cerebral se relacionam com desempenho intelectual e um estado de atenção sustentada. Foram adquiridas imagens de ressonância magnética de 30 indivíduos saudáveis jovens em estado de repouso e de atenção sustentada, a partir delas foram calculadas as conexões funcionais entre 90 regiões cerebrais usando o coeficiente de correlação entre pares de series temporais. Destes sujeitos foram estimados sete índices de inteligência a partir da aplicação do teste WAIS-III. As matrizes de conectividade evidenciariam um comportamento de rede complexa de mundo pequeno para limiares entre 0,2 e 0,5. Não foram encontradas associações entre parâmetros globais das redes ponderadas em estado de repouso e os índices de inteligência. Conectividade funcional e alguns parâmetros de rede locais evidenciaram correlações com pontuações de inteligência, principalmente nas regiões frontal, pré-central, parietal e occipital, giro fusiforme e supramarginal e caudado. Embora o p-valor não-corrigido seja bem pequeno e/ou haja simetria entre hemisférios em alguns resultados, ao ser considerado o efeito de múltiplas comparações para análise inteira não foram encontradas associações estatisticamente significativas, por isso as análises foram corrigidas para cada região (p-valor corrigido pelo FDR<0,05). Ainda assim, possivelmente um aumento do número de sujeitos levaria a resultados mais conclusivos. Não foram encontrados resultados que confirmassem a hipótese de que, para indivíduos normais, haveria uma maior anti-correlação de redes extrínsecas e intrínsecas como um todo para o estado de atenção focada em relação ao estado de repouso. Entretanto, durante o estado de atenção sustentada, foram encontradas algumas diferenças estatisticamente significantes nas conexões locais dentro das redes positivas e negativas à tarefa, evidenciadas por um aumento na magnitude das correlações positivas ou negativas durante a atenção sustentada, além de uma tendência de anti-correlação em conexões entre regiões positivas e negativas à tarefa.It\'s known that some regions of the human brain work synchronously, even if they are anatomically separated, suggesting functional and structural connections. In this way, our brain can be considered a network that can be studied for individual or task differences and in which nodes can be the different regions and edges can be the measurements of functional connectivity between blood oxygen level-dependent signal time series from each region. In this study, we aim to analyze how functional connectivity and brain network parameters relate to intellectual performance and to sustained attention state. Resonance Magnetic images were acquired in 30 healthy young volunteers in resting and attentional state. The functional connections between 90 brain regions were computed from them using correlation coefficient between pairs of temporal series. Seven intelligence indices were estimated from these subjects through WAIS-III test application and associations between functional connectivity values or brain network parameters were sought. Connectivity matrices evidenced a small-world complex network behavior for thresholds between 0.2 and 0.5. No associations between global parameters using weighted networks were found. Functional connectivity and network parameters have evidenced some correlations with intelligence scores, mainly in frontal, pre-central, parietal, occipital regions, fusiform and supramarginal gyrus and caudate nucleus. Even that the uncorrected p-value was small and/or there was symmetry between hemispheres in several results, statistical significant associations were not found considering multiple comparisons correction for the entire analysis, therefore the analysis were corrected for each region (FDR corrected p-value