Project

Back to overview

Cerebral Functional Connectivity in Arterial Spin Labeling data

English title Cerebral Functional Connectivity in Arterial Spin Labeling data
Applicant Jann Kay
Number 142743
Funding scheme Advanced Postdoc.Mobility
Research institution
Institution of higher education Institution abroad - IACH
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.02.2013 - 31.01.2015
Show all

Keywords (4)

Magnetic Resonance Imaging; Arterial Spin Labeling; Functional Connectivity; Resting State Networks

Lay Summary (German)

Lead
Lay summary

Die Funktionen des Gehirns werden durch die Kommunikation und Koordination von Nervenzellen gesteuert. Für die Verarbeitung von Reizen sowie das Ausführen von Aufgaben sind jeweils verschiedene Hirnareale zuständig, welche wiederum in sogenannten funktionalen Netzwerken organisiert sind. Mittels funktioneller Magnetresonanz-Tomographie (fMRT) lassen sich diese funktionalen Netzwerke nichtinvasiv identifizieren und darstellen. Es konnte gezeigt werden, dass diese Netzwerke nicht nur im aktiven Gehirn, d.h. während einer bestimmten Aufgabe, sondern auch im Ruhezustand - d.h. wenn keine Aufgabe zu lösen ist – zu finden sind.

Heutzutage wird die Analyse solcher Netzwerke hauptsächlich auf die Messung der Veränderung der Sauerstoffkonzentration im Blut, des sogenannten BOLD Signals („blood oxygenation level dependent signal“) gestützt. Dieses Signal ist jedoch ein indirektes metabolisches Mass der neuronalen Aktivität und lässt keine absolute Quantifizierung der Netzwerkaktivität zu, was aber insbesondere bei vielen neurologischen und psychischen Erkrankungen von grossem Wert wäre.

Dieses Projekt hat zum Ziel,  funktionale Netzwerke mittels einer neuen Methode zu identifizieren, zu charakterisieren und zu quantifizieren: Arterielles Spin Labeling (ASL) ist eine ebenfalls nichtinvasive fMRT Technik,  die nicht nur relative sondern auch absolute Messungen des Hirnmetabolismus (i.e. Zerebraler Blutfluss in [ml/100g/min]) zulässt.

Um dieses Ziel zu erreichen wird erst versucht die bestehende ASL Technologie für den Zweck der Netzwerk-Analysen zu optimieren und mögliche physiologische Störeffekte zu minimieren beziehungsweise abzuschätzen. In einem zweiten Teil werden dann die ASL basierten Netzwerke systematisch charakterisiert und mit den konventionellen BOLD basierten Netzwerken verglichen.

Des Weiteren werden verschiedene  Patientengruppen untersucht, deren Netzwerke und zerebralen Blutflusswerte bestimmt, und mit den Ergebnissen gesunder Kontrollpersonen verglichen.

Mit ASL, welches nebst der qualitativen auch eine quantitative  Bestimmung der Netzwerke und deren Durchblutungswerte zulässt, wird es mir möglich sein, ein besseres Verständnis der pathophysiologischen Veränderungen der Hirnfunktion bei verschiedenen Krankheiten zu erhalten.

Direct link to Lay Summary Last update: 21.02.2013

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
Functional connectivity in BOLD and CBF data: Similarity and reliability of resting brain networks.
Jann Kay, Gee Dylan G, Kilroy Emily, Schwab Simon, Smith Robert X, Cannon Tyrone D, Wang Danny J J (2014), Functional connectivity in BOLD and CBF data: Similarity and reliability of resting brain networks., in NeuroImage, 106, 111-122.
Quantification of network perfusion in ASL cerebral blood flow data with seed based and ICA approaches.
Jann Kay, Orosz Ariane, Dierks Thomas, Wang Danny J J, Wiest Roland, Federspiel Andrea (2013), Quantification of network perfusion in ASL cerebral blood flow data with seed based and ICA approaches., in Brain topography, 26(4), 569-80.
Static and dynamic characteristics of cerebral blood flow during the resting state in schizophrenia.
Kindler Jochen, Jann Kay, Homan Philipp, Hauf Martinus, Walther Sebastian, Strik Werner, Dierks Thomas, Hubl Daniela (2013), Static and dynamic characteristics of cerebral blood flow during the resting state in schizophrenia., in Schizophr Bull. , 41(1), 163-170.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof John A Detre, Director, Center for Functional Imaging, University of Pennsylvania, USA United States of America (North America)
- Publication
Prof Mirella Dapretto, Department of Psychiatry and Biobehavioral Sciences at UCLA United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
University Hospital of Psychiatry Bern Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Annual Meeting of the International Society of Magnetic Resonance in Medicine Poster Reliability of Resting Brain Networks in BOLD and ASL fMRI across Time and Platforms 10.05.2014 Milan, Italy Jann Kay;
Annual Meeting of the International Society of Magnetic Resonance in Medicine Poster Perfusion based functional connectivity in autism reveals hypo-perfusion and altered connectivity of the Default Mode Network associated with increased symptom severity 10.05.2014 Milan, Italy Jann Kay;
International conference on Basic and Clinical multimodal Imaging (BaCI). Talk given at a conference Reliability of Resting Brain Networks in BOLD and ASL fMRI across time and platforms 05.08.2013 Geneva, Switzerland Jann Kay;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
155345 Evaluation and characterization of perfusion based functional connectivity 01.02.2015 Advanced Postdoc.Mobility
146789 Therapeutic response and neurobiological prediction markers in auditory verbal hallucinations 01.07.2014 Project funding (Div. I-III)

Abstract

In the last decade Independent Component Analysis (ICA) of functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) data became a widely applied tool to extract synchronized, large scale brain networks during task and rest conditions (so called Functionally Connected Networks; FCNs). Differences between conditions as well as specific alterations of the FCNs in patient as compared to healthy controls were reported. However, BOLD provides only relative signal fluctuations that lack the possibility of quantifying absolute values of the network activity, which is of particular interest in the case of pathological alterations. In contrast, MR Arterial Spin Labeling (ASL) techniques allow the quantification of absolute cerebral blood flow (CBF) non-invasively. The proposed project aims to identify, characterize and quantify such networks in ASL perfusion data by means of ICA. To this end, the project is divided into two parts: a methodological part that focuses on the optimization of an ASL imaging acquisition protocol dedicated to functional network analyses. Second, the ASL-FCNs will be systematically characterized and compared to BOLD-FCNs for healthy controls as well as patients. Moreover, the ALS-FCNs will be characterized and quantified in terms of their mean and regional CBF. The later representing the additional value of ASL-FCNs over BOLD-FCNs. In sum, this project will extend conventional FCN analyses by providing the potential to evaluate differences of network activity not only on relative signal fluctuations but in terms of absolute network CBF. This will help to the understanding of FCNs and their baseline perfusion state. Moreover, it will provide a basis for the understanding of the pathophysiology underlying specific diseases and their symptoms.
-