Investigation of functional brain connectivity patterns in temporal lobe epilepsy

Abstract

Bu çalışmada sağlıklı bireylerin ve temporal lob epilepsi hastalarının dinlenim durumu beyin ağları arasındaki fonksiyonel bağlantısallık Pearson, kısmi ilinti katsayıları ve kişiler arası değişkenlik ölçülmüştür. Bu tezin temel amacı temporal lob epilepsi hastalarının beyin ağlarındaki fonksiyonel bağlantısallığın sağlıklı bireylerden farklılığını ortaya koymaktır. Kişiler arası değişkenlik sonuçlarına göre, temporal lob epilepsi hastaları çeşitli nöbet başlangıç odağına ve yayılımına uyumlu olarak sağlıklı bireylere oranla frontopariyetal kontrol, olağan durum, dorsal/ventral dikkat, görsel, limbik ve somatomotor ağlarda daha fazla fonksiyonel bağlantısallık çeşitliliği göstermiştir. 17-ağ bölütlemesi fonksiyonel bağlantısallık sonuçlarına göre temporal lob hastalarında çoğunlukla iki taraflı olarak frontopariyetal kontrol, olağan durum, ventral dikkat ve somatomotor ağlarında dikkat, kısa-uzun süreli hafıza, biliş ve bilinç fonksiyon bozukluğu ile uyumlu olarak istatistiksel olarak anlamlı bir fonksiyonel bağlantısallık düşüklüğü saptanmıştır. Fonksiyonel bağlantısallığın çoğunlukla azaldığı ve kişiler arası değişkenlik farkının görece azaldığı ağlar frontopariyetal kontrol, olağan durum, ventral dikkat ağları olmuştur. Bu sonuç, bu üç ağın temporal lob epilepsi hastalarında oluşmuş fonksiyonel bağlantı bozukluğuna işaret etmektedir. Diğer yandan farklı beyin bölgeleri arasındaki doğrudan fonksiyonel ilişkiyi bulmak için kısmi korelasyon katsayısı hesaplanmaktadır. Bunun için `Rastgele Matris Teorisi` kullanılarak kovaryans matrisin tersi, dolayısıyla kısmi korelasyon katsayıları hesaplanmıştır. Bunun sonucunda hasta populasyonunda dorsal/ventral dikkat, frontopariyetal kontrol ve olağan durum ağlarına ait iki taraflı beyin bölgelerinde fonksiyonel bağlantısallığın azaldığı tespit edilmiş olup, bu bulgular Pearson korelasyon katsayısı ile elde ettiğimiz sonuçları doğrulamaktadır.

In this study, functional connectivity using both Pearson and partial correlation coefficients and inter-subject variability were investigated in resting state functional resonance imaging (rs-fMRI) scans that belong to healthy and temporal lobe epileptic (TLE) patient populations. The main purpose of this thesis is to reveal the discrepancies between the healthy population and the patients with TLE in terms of functional connectivity revealing the temporal dependency among different brain regions. According to inter-subject variability results, TLE population exhibited higher inter-subject variability in frontoparietal control, default mode, dorsal/ventral attention, visual, limbic and somatomotor networks in line with the broad seizure onset and propagation pathway. We mostly found a significantly reduced functional connectivity in bilateral frontoparietal control, somatomotor, default mode and ventral attention networks with an implication of dysfunctioning in attention, long/short term memory, cognitive functioning and consciousness in patients with TLE as a result of 17-network parcellation. We also found a decreased functional connectivity between/within the networks of the frontoparietal control, the default mode and the ventral attention implying that these three networks as well show a variability, although to a lesser extent. This result signifies these networks are severely deteriorated in patients with TLE. On the other hand, to compute the direct functional connectivity among different brain regions, partial correlation coefficients estimation is used. In doing so, we took advantage of Random Matrix Theory to well approximate the partial correlations, by virtue of, the inverse covariance matrices. As a result, the bilateral homologous structures in dorsal/ventral attention, frontoparietal control and default mode networks were also decreased in patient population confirming our results using Pearson's corelation coefficients.