Investigating the dynamics of task-induced modulation and test-retest stability in the triple resting-state networks using functional magnetic resonance imaging

Sbaihat, Hasan Mohammad Hasan; Neuner, Irene; Shah, Nadim Joni

doi:HT021584677

Investigating the dynamics of task-induced modulation and test-retest stability in the triple resting-state networks using functional magnetic resonance imaging

Sbaihat, Hasan Mohammad Hasan^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hasan Mohammad Hasan Sbaihat

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Neuner, Irene (Thesis advisor)^RWTH* ; Shah, Nadim Joni (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-10-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-09875
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/854939/files/854939.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Multimodale Bildgebung in der Neuropsychiatrie (535500-13)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bildgebungstechnologie (frei) ; blood-oxygen-level-dependent functional magnetic resonance imaging (frei) ; Sauerstoffgehalt des Blutes (frei) ; funktionelle Magnetresonanztomographie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI), die auf dem, vom Sauerstoffgehalt des Blutes abhängigen, (BOLD) Signal basiert (BOLD-fMRI) ist eine nicht-invasive Bildgebungstechnologie, geeignet um die neuronale Aktivität des Gehirns indirekt durch Messung von Veränderungen des Blutflusses zu erfassen. Die fMRI im Ruhezustand (resting-state fMRI (RS-fMRI)) ist eine weit verbreitete Methode der fMRI zur Messung des BOLD-Basissignals in Ruhe (ohne spezifische Aufgabe). Die RS-fMRI misst die spontanen niederfrequenten Fluktuationen im BOLD-Signal, um die Hirnfunktionen zu untersuchen, was wiederum die Identifizierung verschiedener Netzwerke im Ruhezustand (resting-state Netzwerke (RSN)) ermöglicht. RSN sind räumlich getrennte und funktionell verbundene Hirnregione, die während des RS synchrone BOLD-Fluktuationen aufweisen. Die einheitliche Zusammenführung von drei wichtigen RSN - Default Mode Network (DMN), Salience Network (SN) und Central Executive Network (CEN) - wird häufig als Triple-RSN bezeichnet. Das Triple-RSN gilt als ein zentrales RSN, da es an einer Vielzahl von kognitiven Aufgaben beteiligt ist. Trotz zahlreicher früherer Untersuchungen der regionalen spontanen Aktivität (RSA) und der funktionellen Konnektivität (FC) des Triple-RSNs, ist das Wissen über die aufgabenbezogene Modulation in diesen Netzwerken während des RS begrenzt. Darüber hinaus wurde die Beständigkeit des Triple-RSNs häufig mit klinischen Standardfeldstärken untersucht, aber nur selten mit MRI-Systemen im Ultra-Hoch-Feld. Daher wurde dieses Projekt konzipiert, um die aufgabenassoziierte Modulation und die Beständigkeit des Triple-RSNs zu untersuchen. Die aufgabenassoziierte Modulation und die Interaktion zwischen den einzelnen Netzwerken des Triple-RSNs während des RS wurden unter Verwendung eines Ruhe-Aufgabe-Ruhe fMRT-Versuchsdesigns mit dem visuellen Oddball-Paradigma untersucht. Verschiedene fMRI-Messungen wie die Amplitude der niederfrequenten Fluktuationen (ALFF) und die fraktionierte ALFF (fALFF; spiegelt die spontane Hirnaktivität wider), die regionale Homogenität (ReHo; spiegelt die lokale Konnektivität wider) und der Grad der Zentralität (Degree centrality (DC); spiegelt die weitreichende Konnektivität wider) wurden einbezogen, um die aufgabenassoziierte Modulation und die Test-Retest-Beständigkeit im Triple- RSN zu untersuchen. In Bezug auf die aufgabenassoziierte Modulation variierten die beobachteten Veränderungsmuster deutlich zwischen den einzelnen Netzwerken und waren stark mit der aufgabenbezogenen Gehirnaktivität und der deutlichen Beteiligung der Netzwerke an der Ausführung der einzelnen Teilaufgaben verbunden. Die Analyse der Interaktionsstärke zwischen den Netzwerken zeigte eine erhöhte Synchronisation des CEN mit dem DMN und dem SN unmittelbar nach der Aufgabe. Während die Ergebnisse bezüglich der Test-Retest-Stabilität innerhalb des Triple-RSN eine starke Stabilität für alle fMRI-Messungen zeigten, wies fALFF ein mäßiges Niveau der Stabilität auf. Außerdem war die Konnektivität zwischen den einzelnen Netzwerkpaaren zwischen SN/CEN sehr stabil und zwischen DMN/SN und DMN/CEN mäßig stabil. Die Dynamik innerhalb und zwischen den Bestandteilen des Triple-RSNs und ihre hohe Beständigkeit während des RS weisen auf ihre Anwendbarkeit als potenziell nützliches Instrument bei der Suche nach krankheitsrelevanten Biomarkern in der Psychiatrie hin.

Blood-oxygen-level-dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI) is a non-invasive brain imaging technology that detects brain neuronal activity indirectly by measuring changes in blood flow. Resting state fMRI (RS-fMRI) is a method of fMRI widely used to measure the baseline BOLD signal at rest (in the absence of specific task). RS-fMRI measures the spontaneous low-frequency fluctuations in the BOLD signal to examine the brain functions, which in turn allows identifying different resting state networks (RSN). RSNs are spatially distinct and functionally connected brain regions that exhibits synchronous BOLD fluctuations during RS. The triple RSN comprises the default mode network (DMN), the salience network (SN), and the central executive network (CEN). It is the core RSN due to its involvement in a wide range of cognitive tasks. Despite a lot of previous research on regional spontaneous activity (RSA) and functional connectivity (FC) of triple RSN, knowledge about the task-associated modulation in these networks during RS is limited. Additionally, the reliability of the triple RSN has often been studied at standard clinical field strengths, but rarely using ultrahigh‐field MR systems. Hence, this project was performed to investigate the task-associated modulation and the reliability of the triple RSN. The task-associated modulation and interaction between the triple RSN during RS was studied using a rest-task-rest fMRI experimental design with a visual oddball paradigm for the task. Diverse fMRI measures such as amplitude of low‐frequency fluctuations (ALFF) and fractional ALFF (fALFF; reflects the spontaneous brain activity), regional homogeneity (ReHo; reflects the local connectivity), and degree centrality (DC; reflects the long‐range connectivity) were included to study the task-associated modulation and test-retest reliability among the triple RSN. Outcomes related to the task-associated modulation, the observed patterns of change varied noticeably between the networks and were strongly associated with the task-related brain activity and the distinct involvement of the networks in the performance of the single subtasks. Also, the inter-network analysis showed an increased synchronization of CEN with the DMN and the SN immediately after the task. While the findings related to test-retest stability within triple RSN showed strong stability for all fMRI measures, fALFF showed a moderate level of stability. Additionally, the inter-network connectivity between each network pair was highly stable between SN/CEN and moderately stable between DMN/SN and DMN/CEN. The dynamics within and between triple RSN and its high level of reliability during RS points to its applicability as a potentially useful tool in the search for disease-relevant biomarkers in psychiatry.

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