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Network Similarities in the Human Brain and Their Value for Brain Tumor Research

English title Network Similarities in the Human Brain and Their Value for Brain Tumor Research
Applicant Stippich Christoph
Number 159717
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Abteilung Neuroradiologie Institut für Radiologie Universitätsspital Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.04.2016 - 30.11.2019
Approved amount 327'000.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Neurophysiology and Brain Research
Experimental Cancer Research
Clinical Cancer Research

Keywords (6)

Brain Tumor; Neuroimaging; Network Analysis; Network Alignment; Lesion Simulation; Connectome

Lay Summary (German)

Lead
Im menschlichen Gehirn sind über 100 Millionen Nervenzellen miteinander vernetzt. Durch ihr Zusammenwirken steuern sie verschiedene spezifische Funktionen, wie Bewegung, Empfinden, Sprache und viele andere. Hirntumoren können Neuronen zerstören oder deren Zusammenarbeit beeinträchtigen, was zu Funktionsausfällen führen kann. Mit neusten MRI Bildgebungstechniken sind wir in der Lage Fundamente dieser Netzwerke nichtinvasiv zu untersuchen. In dieser Studie werden werden wir erstmals den Einfluss von Hirntumoren auf spezifische Netzwerke mathematisch modellieren und Veränderungen gegenüber gesunden Probanden erforschen.
Lay summary

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts

Strukturelle und funktionelle Konnektivitätsanalysen von MRI-Daten haben unsere Erkenntnisse vom menschlichen Gehirn in den letzen 30 Jahren stark vorangebracht. Die Gehirne verschiedener Menschen können so verschienden sein, wie Gesichter oder Persöhnlichkeiten. Deshalb ist es schwierig, von einzelnen Gehirnen auf generelle Hirnfunktionen zu schliessen. In den Neurowissenschaften werden daher meist Gruppen von Personen untersucht, seltener Individuen. Umgekehrt erfordert die medizinische Anwendung immer eine Aussage zu einzelnen Patienten (Diagnose), während hier generelle Aussagen nur von beschränktem Wert sind. Daher ist es wichtig, die Unterschiede individueller Gehirne besser zu verstehen, als dies bislang möglich ist. Dieses Forschungsprojekt setzt sich mit der Frage auseinander: Wie ähnlich / vergleichbar ist die Konnektivität verschiedener Gehirne und wie wird diese durch Hirntumoren beeinflusst? Dies werden wir durch Computersimulationen an MRI-Daten von gesunden Versuchspersonen und von Patienten mit Hirntumoren erforschen.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Das Projekt befasst sich mit klinisch orientierter Grundlagenforschung. Wir erwarten durch unsere Forschung neue Erkenntnisse zur Vergleichbarkeit von Netzwerken im menschlichen Gehrirn und von Veränderungen, die durch Hirntumoren hervorgerufen werden. Diese Erkenntnisse dienen dem besseren Verständnis krankheitsbedingter Hirnfunktionsstörungen und können auch von prognostischem Nutzen sein. Möglicherweise könnten die Erkenntnisse in der Zukunft auch auf andere Erkrankungen des zentralen Nervensystems übertragen werden.

Direct link to Lay Summary Last update: 19.02.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Structural and functional connectivity analyses are increasingly becoming popular techniques to explore different facets of the human brain in magnetic resonance imaging (MRI) research. While the human brain can be as different between persons as their faces or personalities, neuroimaging research is predominantly designed at drawing conclusions on a group level. To translate such neuroscientific research into clinical applications, mapping individual brain differences is a key aspect to provide meaningful tools to assess the complexity of brain pathologies. Therefore this research proposal addresses fundamental questions: How similar / comparable is the connectivity in two randomly chosen brains? How is the connectivity affected by brain lesions?The research project investigates high resolution structural, diffusion weighted, and functional brain MRI datasets of healthy and diseased subjects using advanced neuroimaging analysis. Measuring techniques to quantify connectome differences / similarities will be explored and applied to analyze brain tumor patients. To this end the project contains three main experimental parts:Part 1: Optimisation of a MRI protocol to acquire two high quality clinical relevant normative connectome datasets with 160 individual healthy subjects in the age groups 35-45 and 55-65 years (n = 80 each). Acquisition of clinical MRI studies using an adjusted connectome protocol in 40 age matched patients diagnosed with non-malignant (astrocytoma) and malignant (glioblastoma) primary intraaxial brain neoplasms (n = 20 each). Part 2: Investigation of network alignment and network similarity techniques for the publicly available human connectome project dataset (n = 500) and the proposed normative connectome datasets (n = 160).Part 3: Evaluation of brain lesion simulation techniques for the assessment of connectivity effects of astrocytomas and glioblastomas using brain matched and non-brain matched control groups. Lesion simulation results will be compared with actual functional brain activation patterns (as determined by fMRI) and clinical measures.In its application the proposal focuses on connectomic approaches in brain tumor neuroimaging research which are unexplored, yet. It is anticipated that the developed methods and findings from this research can be adapted to other brain diseases and may be of diagnostic and prognostic value.
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