Promotie J.M. Meier: hersenen

24 mei 2017 10:00 - Locatie: Aula, TU Delft - Door: Webredactie TU Delft

The Relation Between Structure and Function in Brain Networks. Promotor 1: Prof.dr.ir. P.F.A. Van Mieghem (EWI), Promotor 2: Prof.dr. C.J. Stam (VU Amsterdam).

Tijdens de afgelopen twee decennia is het veld van netwerkwetenschap snel geëvolueerd. Veel nuttige toepassingen zijn gevonden in een groot scala van disciplines. De toepassing van netwerkwetenschap op het brein initieerde de interdisciplinaire tak van de complexe brein netwerken. Op een macroscopisch niveau, hersengebieden worden genomen als knooppunten in een netwerk. De analyse van connecties tussen paren van brein gebieden als links heeft een nieuw perspectief op vele problemen opgeleverd. In deze dissertatie concentreren we ons op het macroscopisch niveau van brein gebieden en analyseren de connecties tussen paren vanuit een netwerkwetenschap perspectief. We behandelen verschillende algemene onderzoeksvragen uit de netwerkwetenschap en exploiteren de toepassingsmogelijkheden van netwerkwetenschap op breinnetwerken. Vanwege verschillende meettechnieken kan men vele verschillende afbeeldingen van breinnetwerken bouwen. Hier maken wij onderscheid tussen het structurele en functionele netwerk. Structurele brein netwerken brengen de anatomische verbindingen tussen de gebieden in kaart die we kunnen interpreteren als ’straten’ van de hersenen. Boven op deze straten kunnen we het verkeer meten met technieken zoals magnetoencephalography (MEG) of functionele kernspintomografie (fMRI) wat resulteert in zogenaamde functionele brein netwerken. Echter, de relatie tussen de structurele en functionele brein netwerken is nog onvoldoende begrepen. De eerste hoofd onderzoeksvraag van deze dissertatie houdt zich bezig met de functionele netwerk laag en probeert de meest belangrijke verbindingen en motieven van deze netwerken te identificeren. Daarvoor stellen we de union of shortest path trees (USPT) methode voor welke alle kortste paden van een netwerk uittrekt (Hoofdstuk 2 en 3). Na het construeren van de USPT vergelijken we de individuele functionele breinnetwerken van multiple sclerose patiënten en een gezonde controle groep (Hoofdstuk 2). Tevens hebben we deze manier van kortste paden bepalen gegeneraliseerd en presenteren een nieuwe rangschikking van alle links gebaseerd op de USPT (Hoofdstuk 3). Met het oog op de hogere orde bouwstenen van het functionele breinnetwerk analyseren we de zogenaamde informatie stroom motieven gebaseerd op MEG gegevens van verschillende frequentie banden (Hoofdstuk 4). Na het onderzoeken van deze lokale eigenschappen van de functionele breinnetwerken analyseren we de invloed van de onderliggende structurele verbindingen op de tevoorschijn komende informatie stroom. Als volgt de tweede hoofd onderzoeksvraag betreft de relatie tussen de functionele en de onderliggende structurele verbindingen. Preciezer analyseren we welke topologische eigenschappen van de structurele netwerken de functionele interacties beïnvloeden. Eerst is deze vraag benaderd in een wiskundige en directe manier door aan te nemen dat een analytische relatie tussen de twee netwerken bestaat (Hoofdstuk 5). We onderzoeken deze relatie en zijn inverse door het evalueren van empirische individuele en gemiddelden multimodale data sets. Een tweede benadering van de structuur-functie relatie gebruikt een simpel model van activiteitsverspreiding. Het epidemie verspreidingsmodel is toegepast op het menselijk connectome om de globale patroon van directionele informatie stromen in breinnetwerken te onderzoeken (Hoofdstuk 6). De nadruk ligt hier op de meting van paarsgewijs transfer entropie om de invloed die gebieden in het brein op elkaar hebben te onderzoeken. We presenteren de resultaten voor de lokale en globale uitkomsten van het dynamische verspreidingsproces met als doel het identificeren van de onderliggende sturende structurele eigenschappen van het geobserveerde globale patroon.

Meer informatie?
Voor inzage in proefschriften van de promovendi kunt u kijken in de TU Delft Repository, de digitale vindplaats van openbare publicaties van de TU Delft. Proefschriften zullen binnen een paar weken na de desbetreffende promotie in de Repository te vinden zijn.