Explorations in the field of brain connectivity analysis and visualization

Promotie: dhr. A. Crippa, 11.00 uur, Aula Academiegebouw, Broerstraat 5, Groningen

Proefschrift: Explorations in the field of brain connectivity analysis and visualization

Promotor(s): prof.dr. J.B.T.M. Roerdink

Faculteit: Wiskunde en Natuurwetenschappen

 

Computervisualisatie van hersenconnectiviteit toegepast op onder meer tinnitus

Het onderzoek naar de anatomische en functionele eigenschappen van het brein door middel van methoden uit de informatica vormt een fascinerend en uitdagend onderwerp binnen de neurowetenschappen. Alessandro Crippa vermoedt op basis van zijn promotieonderzoek dat hersenafbeeldingstechnieken, een krachtig gereedschap voor het verbeteren van de mogelijkheden voor de diagnose van hersenaandoeningen, een verdere bloei zullen vertonen in de komende jaren.

Een belangrijk deelgebied binnen de neurowetenschappen wordt bestreken door het onderzoek naar hersenconnectiviteit, dat wil zeggen het in contact staan van onderdelen van de hersenen met elkaar. Crippa gebruikt in zijn proefschrift hersenafbeeldingstechnieken om inzicht te krijgen in twee aspecten van hersenconnectiviteit: anatomische en functionele connectiviteit.

Er is sprake van anatomische connectiviteit tussen twee hersengebieden als er een fysieke verbinding - zenuwvezels - tussen de twee gebieden bestaat. Deze kunnen worden gevisualiseerd door middel van DWI (diffusion weighted imaging). Dat is een MRI (magnetic resonance imaging) methodologie die gebaseerd is op de meting van de diffusie van water in biologische weefsels. Omdat de diffusie van water in de witte stof van het brein voornamelijk optreedt langs de richting waarin de zenuwvezels lopen, maakt DWI het mogelijk om in vivo onderzoek te doen naar de anatomische connectiviteit van het brein.

We spreken van functionele connectiviteit tussen twee hersengebieden als de functionele reacties van deze gebieden op een zekere stimulus (bijvoorbeeld een visuele, auditieve of tactiele stimulus) statistisch gecorreleerd zijn. Hierbij is de aanname dat een onderlinge afhankelijkheid van functionele reacties in twee hersengebieden inhoudt dat beide gebieden betrokken zijn bij de verwerking van de aangeboden stimulus. Functionele connectiviteit van het brein kan bijvoorbeeld worden onderzocht door middel van technieken zoals fMRI (functionele MRI) of EEG (elektro-encefalografie). Overigens zijn voor dit doel nog vele andere technieken beschikbaar die niet door Crippa zijn onderzocht.

De studie naar hersenconnectiviteit stelt de onderzoeker voor twee belangrijke uitdagingen: De eerste betreft de analyse van beschikbare gegevens met het doel om connectiviteitseigenschappen van het brein te ontdekken - zoals de vraag welke gebieden betrokken zijn bij het verwerken van een bepaalde stimulus - of wat de anatomische overeenkomsten en verschillen zijn tussen een groep patiënten en een controlegroep. De tweede uitdaging betreft de ontwikkeling van algoritmen waarvan de toepassing op bestaande gegevens in het medische domein inzichten oplevert die voorheen niet aanwezig waren.

Als voorbeeld deed Crippa onderzoek naar tinnitus, een auditieve aandoening met als symptoom de perceptie van geluid in de afwezigheid van een geluidsbron. De centrale vraag hierbij is of tinnitus samengaat met veranderingen in anatomische connectiviteit. Crippa toont aan dat de aanwezigheid van tinnitus verband zou kunnen houden met verschillen in connectiviteitseigenschappen van de auditieve hersenbanen en van de verbindingen tussen het lymbische en het auditieve systeem.

Ook onderzocht Crippa de overeenkomsten tussen de anatomische en functionele connectiviteit van de premotor cortex, onder de aanname dat het ene type connectiviteit zijn weerslag heeft op het andere. Hij ontdekte dat anatomische connectiviteit niet altijd de functionele segregatie van dit hersengebied weerspiegelt en dat er aanzienlijke individuele verschillen bestaan in anatomische connectiviteitseigenschappen.

Daarnaast stelt Crippa een interpolatiemethode voor die een verbetering geeft van DTI (diffusion tensor imaging) tractografie door middel van de detectie van zenuwbundels die zich vertakken in een voxel (volume element).Hij beschrijft een methode voor de kwalitatieve vergelijking van meerdere multikanaals-EEG coherentienetwerken. Deze aanpak maakt het mogelijk om de hersengebieden te vinden die betrokken zijn bij de verwerking van bepaalde stimuli, en stelt ons niet alleen in staat om individuele functionele verschillen te detecteren, maar ook om functionele hersennetwerken te construeren die gemiddelden over een groep van personen weergeven. Ook stelt Crippa een methode voor om te detecteren welke hersengebieden vergelijkbare activiteit vertonen in zogenaamde rusttoestand (resting state)-fMRI.

Alessandro Crippa (Italië, 1980) studeerde computer science aan de Universita degli Studi di Milano. Zijn promotieonderzoek deed hij bij de Rijksuniversiteit Groningen bij de afdeling Visualization and Computer Science van het Institute of Mathematics and Computer Science. Zijn onderzoek werd gefinancierd met een beurs van het Ubbo Emmius Fonds van de RUG. Inmiddels werkt hij als Java-architect bij een consultancybedrijf in Zwitserland.