Aνάπτυξη Τεχνικών Επεξεργασίας Δεδομένων Λειτουργικού Μαγνητικού Συντονισμού για τον Προσδιορισμό Δικτύων Λειτουργικής Συνδεσιμότητας σε Ασθενή και Υγιή Πληθυσμό

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η διερεύνηση λειτουργικών μεταβολών σε περιοχές και σε δίκτυα του εγκεφάλου που σχετίζονται με γνωστικές (γνωσιακές) καθώς και κινητικές λειτουργίες σε ασθενείς με Μικροκυτταρικό Καρκίνο του Πνεύμονα (ΜΚΠ) μετά από χημειοθεραπεία και πριν τη θεραπεία με Προφυλακτική Κρανιακή Ακτινοβολία (ΠΚΑ), στοχεύοντας στον εντοπισμό του νευρικού κυκλώματος που συμμετέχει στις εν λόγω γνωστικές λειτουργίες. Στο πλαίσιο αυτό, εκπονήθηκαν δύο πειράματα με χρήση της τεχνικής Απεικόνισης Λειτουργικού Μαγνητικού Συντονισμού (functional Magnetic Resonance Imaging - fMRI): α) πείραμα με βάση ερέθισμα που προκλήθηκε από χτύπημα των δακτύλων του χεριού με τον αντίχειρα καθώς και β) πείραμα σε κατάσταση ηρεμίας (resting state fMRI / rs-fMRI). Στα δεδομένα που προέρχονται από το πείραμα με ερέθισμα που προκλήθηκε από χτύπημα των δακτύλων του χεριού με τον αντίχειρα, εφαρμόστηκαν προηγμένες τεχνικές προεπεξεργασίας και στατιστικής ανάλυσης εικόνων fMRI. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε προεπεξεργασία των δεδομένων τόσο ως προς το χρόνο όσο και ως προς το χώρο στοχεύοντας στην απομάκρυνση τεχνικών σφαλμάτων ώστε να είναι εφικτή η ακριβής λήψη αποτελεσμάτων κατά τη στατιστική ανάλυση. Από τις προεπεξεργασμένες fMRI εικόνες εξήχθησαν στη συνέχεια οι χρονοσειρές των τρισδιάστατων εικονοστοιχείων (voxel), οι οποίες μοντελοποιήθηκαν στη συνέχεια κάνοντας χρήση του Γενικού Γραμμικού Μοντέλου με στόχο τη δημιουργία των χαρτών ενεργοποίησης. Οι χάρτες ενεργοποίησης παρουσιάζουν την ενεργοποίηση και την αιμοδυναμική απόκριση του εγκεφάλου μετά από ερέθισμα κατά τη λήψη των λειτουργικών απεικονίσεων. Τα αποτελέσματα του πειράματος από ερέθισμα δεν κατέδειξαν λειτουργική διαφοροποίηση στον κινητικό φλοιό στους ασθενείς με ΜΚΠ αποδεικνύοντας ότι πιθανόν η συγκεκριμένη περιοχή του εγκεφάλου δεν επηρεάζεται από τις τοξικές επιδράσεις της χημειοθεραπείας. Στα δεδομένα που προέρχονται από το πείραμα σε κατάσταση ηρεμίας, πραγματοποιήθηκε αρχικά προεπεξεργασία, όπως και στο πρώτο πείραμα. Για την εξαγωγή των δικτύων του εγκεφάλου που ενεργοποιούνται εφαρμόστηκαν τρείς διαφορετικές μεθοδολογικές προσεγγίσεις με στόχο την καταγραφή διαφοροποιήσεων στη λειτουργική συνδεσιμότητα του εγκεφάλου ασθενών με ΜΚΠ. Συγκεκριμένα, εφαρμόστηκε η Ανάλυση Ανεξάρτητων Συνιστωσών (ΑΑΣ) στοχεύοντας στην εύρεση ενός συνόλου από στατιστικά ανεξάρτητους χωρικούς χάρτες (λειτουργικά δίκτυα εγκεφάλου) μαζί με τις αντίστοιχες χρονοσειρές τους. Επιπροσθέτως, εφαρμόστηκαν οι μέθοδοι της Ανάλυσης Συσχετισμού Βασισμένη σε Σπόρους και της Ανάλυσης Συσχετισμού Βασισμένη σε Κόμβους όπου εξήχθησαν χάρτες λειτουργικής συνδεσιμότητας που εκφράζουν τη χρονική συσχέτιση των περιοχών του εγκεφάλου που συνιστούν το κάθε δίκτυο που εξερευνήθηκε. Τα αποτελέσματα από το πείραμα σε κατάσταση ηρεμίας κατέδειξαν λειτουργικές διαφοροποιήσεις για τους ασθενείς με ΜΚΠ σε περιοχές του εγκεφάλου που σχετίζονται με τις γνωστικές λειτουργίες. Στη συνέχεια, και για τα δεδομένα του πειράματος ηρεμίας, αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε αλγόριθμος βασισμένος στη θεωρία των γράφων στοχεύοντας στον καθορισμό των τοπολογικών ιδιοτήτων μικρού κόσμου που διέπει η σχέση μεταξύ των δικτύων του εγκεφάλου. Όλα τα fMRI δεδομένα σε κατάσταση ηρεμίας μετασχηματίστηκαν σε δομές γράφων όπου κάθε κόμβος αναπαριστά ένα εγκεφαλικό δίκτυο και η συνδεσιμότητα μεταξύ των κόμβων αναπαριστά την ομοιότητα στην ενεργοποίηση αυτών των δικτύων. Κάθε γράφος μπορεί στη συνέχεια να συνοψιστεί με τις ιδιότητες συνδεσιμότητας του. Στην παρούσα μελέτη, εξερευνήθηκε ένας μεγάλος αριθμός μετρικών γράφων όπως το μέσο μήκος διαδρομής, η πυκνότητα γραφήματος, ο συντελεστής ομαδοποίησης και η μικροκοσμικότητα (smallworldness) των γράφων. Παράλληλα, προτείνεται μια εναλλακτική προσέγγιση υπολογισμού της μικροκοσμικότητας των δικτύων, η οποία χαρακτηρίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια τα δίκτυα μικρού κόσμου σε σχέση με την καθιερωμένη προσέγγιση. Ο αλγόριθμος εφαρμόστηκε στα fMRI δεδομένα σε κατάσταση ηρεμίας της παρούσας εργασίας όπου δεν παρατηρήθηκε κάποια στατιστικά σημαντική διαφοροποίηση μεταξύ των ασθενών με ΜΚΠ και των υγιών εξεταζόμενων. Και οι δύο ομάδες εμφάνισαν χαρακτηριστικά μικροκοσμικότητας, με τους υγιείς να εμφανίζουν ιδιότητες δικτύων που είναι πιο κοντά σε αυτό του κανονικού πλέγματος (δηλ. υψηλότερο συντελεστή ομαδοποίησης), ενώ οι ασθενείς εμφάνισαν ιδιότητες που είναι πιο κοντά σε αυτό ενός τυχαίου γράφου (δηλ. μικρότερο μήκος μονοπατιού).