Advanced neuroimaging of arousal-state transition network dynamics in the human brain

人脑唤醒状态转换网络动力学的高级神经成像

基本信息

  • 批准号:
    10537447
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.78万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-20 至 2024-09-19
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY Arousal regulatory systems are disrupted in a wide range of psychiatric and neurological disorders, yet we know surprisingly little about the fundamental brain network mechanisms underlying transitions between the sleep and wake arousal-states. Invasive animal studies have demonstrated the causal role of several deep-brain regions including nuclei of the brainstem and thalamus in arousal from sleep, and recently, human functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies of arousal implicated such deep-brain regions as key contributors. While we know shifts in brain rhythms, connectivity, and behavior accompany arousal-state transitions, how brain-wide dynamics unfold across such key regions during this state-change remains unknown. Previous studies have been limited by the spatiotemporal resolution necessary to capture whole-brain network dynamics occurring at arousal. Invasive studies are limited by the number of regions they can record from simultaneously, and traditional non-invasive methods lack the temporal resolution necessary to capture the fast dynamics occurring at arousal. Our novel method will use encephalography (EEG) and behavioral response to detect arousal-state changes combined with simultaneous fast fMRI (sample rate < 1 s) at 7 Tesla to measure deep- brain activity in nuclei of the brainstem, individual nuclei of the thalamus, basal ganglia regions, and cortical regions during human arousal from sleep. Preliminary data suggests that this fMRI acquisition method can detect significant temporal differences in activity signatures between regions of interest. We hypothesize that activation of the brainstem’s locus coeruleus, followed by a distinct activation sequence across thalamic nuclei and the basal forebrain, will precede arousal, and deactivation of cortical regions will follow. We aim to build a fundamental understanding of the basic network mechanisms supporting arousal-state transitions in humans that will be necessary to ultimately understand how arousal regulatory system dynamics are altered in disorders. Delineating such temporal network dynamics using fMRI will provide a more precise understanding of how the brain switches between cognitive states by allowing us to link activity across dozens of subcortical nuclei simultaneously. Identifying these network mechanisms in humans will also provide the opportunity for future studies to identify fine-scale differences in neuropsychiatric disorders that was not previously possible.
项目概要 唤醒调节系统在多种精神和神经系统疾病中受到破坏,但 令人惊讶的是,我们对大脑网络之间转换的基本机制知之甚少。 睡眠和觉醒唤醒状态的侵入性动物研究已经证明了几种深部大脑的因果作用。 包括脑干和丘脑核在内的区域在从睡眠中觉醒时,最近,人类功能 对唤醒的磁共振成像(fMRI)研究表明,这些深部大脑区域是关键的贡献者。 虽然我们知道大脑节律、连通性和行为的变化伴随着唤醒状态的转变,但如何 在这种状态变化期间,这些关键区域的全脑展开动态仍然未知。 研究受到捕获全脑网络动态所需的时空分辨率的限制 发生在唤醒时的侵入性研究受到它们可以同时记录的区域数量的限制, 传统的非侵入性方法缺乏捕捉快速动态所需的时间分辨率 我们的新方法将使用脑电图(EEG)和行为反应来检测。 唤醒状态组合变化与 7 特斯拉同步快速 fMRI(采样率 < 1 秒),以测量深度 脑干核、丘脑单个核、基底神经节区域和皮质的大脑活动 初步数据表明,这种功能磁共振成像采集方法可以检测到人类从睡眠中醒来时的区域。 兴趣之间活动特征的显着区域时间差异是我们首创的。 脑干的蓝斑,随后是丘脑核团和丘脑核团的独特激活序列 基底前脑将先于唤醒,随后皮质区域失活。 对支持人类唤醒状态转变的基本网络机制的基本理解 这对于最终了解唤醒调节系统动态如何失调是必要的。 使用功能磁共振成像描绘这种时间网络动态将提供更准确的理解 大脑通过允许我们将数十个皮层下核的核活动联系起来来在认知状态之间切换 同时,识别人类的这些网络机制也将为未来提供机会。 旨在确定神经精神疾病的精细差异的研究,这在以前是不可能的。

项目成果

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