Graph theoretical analysis of functional human brain network

Abstract

Son zamanlardaki çalısmalar, insan beyninin küçük dünya davranısı sergilediginive bunun yerel ve global açıdan verimli bilgi isleme süreci yansıttıgını ortaya atmıslardır.Bu davranısı incelemek için hileli akılda tutma ve dogrudan akılda tutma durumlarınınbulundugu, kısa süreli/islek bellek deneyi tasarlanmıstır. Hedefimiz beynindüzeninin farklılıklarını görevler yerine getirilirken çizge kuramı baglamında incelemektir.Denek, akılda tutma durumunu sadece görsel uyaranı hatırlayarak; hileli akıldatutma durumunu ise görsel uyaranı degistirdikten sonra akılda tutarak gerçekleştirecektir.Beyin faaliyet bilgisi elektroensepalogram (EEG) cihazı ile kaydedilmistir. ToplananEEG verisi önisledikten sonra tipik frekans bantlarına ayrılmıs ve her çift elektrodiçin Hilbert dönüsümü sayesinde faz kilit degerleri (FKD) hesaplanmıstır. Çift degerliagırlıksız ag olusturmak için FKD matrisleri esiklendikten sonra, akılda tutma ve hileliakılda tutma durumları sırasındaki islevsel baglantı ana dinamiklerini belirlemek vekıyaslamak için çizge kuramı analizi uygulanmıstır. Dinamiklerin degisimlerini gözlemlemekiçin zamana bagımlı bir tutumda bu analiz hayata geçirilmistir. Akılda tutmave hileli akılda tutma durumlarında beynin yüksek seviyede yerel ve global anlamdaverimlilik sergiledigi; böylece beynin bu durumları yürütürken küçük dünya karakterinesahip oldugu bulunmustur. Istatistiksel analiz, akılda tutma ve hileli akıldatutma durumları için verimlilik degerlerindeki kayda deger farklılıkları ortaya çıkarmıstır.Degisik frekans bantlarındaki uç ve kenar merkeziyetçilik degerleri, alfa vegama bandında göze çarpan etkileri göstermistir. Bu tez çalısmasındaki bulgular, çizgekuramı analyizinin karmasık beyin aglarında uygulanabilirigini desteklemektedir.

Recent studies suggest that, human brain has a small-world behavior which isreflected by locally and globally efficient processing. To investigate this behavior a shortterm/working memory experiment was designed which had manipulation and retentionconditions. Our goal was to be able to explore the differences between the organizationsof the brain during the execution of these tasks within a graph theoretical context. Theretention condition required the subject only to remember a visually applied stimuluswhereas the manipulation condition to visually manipulate the stimulus before keepingit in mind. Brain activity information was recorded through the electroencephalography(EEG) device. After preprocessing the collected EEG data was decomposed into classicalfrequency bands and phase locking values (PLV) between each pair of electrodeswere computed with the help of the Hilbert Transform. After applying thresold toPLV matrices to build binary unweighted networks, the graph theoretical analysis wasapplied to determine and compare the main dynamics of functional coupling duringmanipulation and retention. This analysis was carried out in a time dependent mannerto better monitor the variations of these dynamics. It was found that the brain exhibiteda highly efficient behavior in the local and global sense both during manipulationand retention; and thus the brain had a small-world characteristic during the executionof these tasks. The statistical analysis revealed significant differences between the efficiencyvalues of retention and manipulation. The analysis of node and edge centralityvalues of different frequency bands showed prominent effects in the upper alpha gammabands. The finding of this thesis study supports the feasibility of the graph theoreticalanalysis for analyzing complex brain networks.