Multimodal bağlantı analizleri
Multimodal connectivity analysis
Yazar: ÖZGÜN ÖZALAY
Danışman: PROF. DR. ALİ SAFFET GÖNÜL
Ege Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Sinir Bilimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Nöroloji = Neurology
Dizin: Beyin = Brain ; Biliş = Cognition ; Düşünce = Thought ; Manyetik rezonans görüntüleme = Magnetic resonance imaging ; Sinir ağları = Nerve net ; Sinir iletimi = Neural conduction ; Yaratıcı düşünce = Creative thinking

Özet:
Amaç: Yaratıcı düşünce ve usavurma, insan beyninin bilişsel kapasitesinin hiyerarşik
olarak en tepesindeki ve en karmaşık sistemleridir. Birbirleri arasında dinamik bir
etkileşim içerisinde olan bu iki kavram, insan ve toplum hayatının daha
sürdürülebilir ve kaliteli olması açısından büyük bir stratejik öneme sahiptirler. Bu
konuda uzun yıllardır pek çok bilimsel çalışma yapılmasına rağmen bu süreçlerin
ardındaki nöral bileşenler ve sistemler hakkında kapsamlı çalışmalar son yıllara
kadar yapılamamıştır. Gelişen teknik imkanların da yardımıyla, "Semantik Uzaklık"
ve "Anoloji Tabanlı Usavurma" , fMRI görevi olarak modellenebilmiş ve yaratıcı
düşünce araştırmaları konusuna yeni yöntemler ve bilgiler sağlamıştır. Bu çalışmanın
amacı, kullanılan MR modalitelerini arttırarak (rs-fMRI,dwMRI) sadece görev
sırasında aktive olan bölgeleri değil tüm beyni bir bütün ağ ve alt parçaları olarak
değerlendirmek, yaratıcı düşüncenin oluşumunda katkıda bulunan bölge ve
sistemlerin aktivasyon ve dinlenme sırasında nasıl bir fonksiyonel bağlantıya sahip
olduklarını açıklamaktır.
Yöntem: Çalışmaya 20-35 yaş arası, kendilerinde ve ailelerinde herhangi bir
psikiyatrik bozukluk bulunmayan, en az lise mezunu, 30 sağlıklı gönüllü katılımcı
dahil edilmiştir. Tüm katılımcıların MR taramaları Ege Üniversitesi Hastanesi 3T
MR ünitesinde daha önce test edilen, çalışmaya en uygun parametreler kullanılarak
yapılmıştır. Her katılımcı için yapısal olarak 3D-T1 ağırlıklı MP-RAGE ve 60 yönlü
dwMRI, fonksiyonel olarak ise gözler kapalı 9 dakikalık rsfMRI ve "Analoji Tabanlı
Usavurma" görevi sırasında BOLD fMRI görüntüleri elde edilmiştir. Tüm görüntüler
kalite kontrolü ve ön işlemlerden geçirildikten sonra, fonksiyonel görüntüler
üzerinde Freesurfer yazılım paketi ile "Semantik Uzaklık" kullanılarak parametrik
modülasyon analizleri ve dinlenme halinde iken CONN MATLAB paketi ile ROI-
ROI bağlantı analizleri yapılmıştır. Difüzyon ağırlıklı görüntülerde ise yine her
Ikatılımcı için FSL-ProbtrackX-Tracula yazılımları ile global probabilistik traktografi
yapılmış ve fonksiyonel verilerde elde edilen kortikal yüzeylerin bağlantıları analiz
edilmiştir. Kullanılan tüm yazılımlar ve araçlar açık kaynak kodlu olup modaliteler
arası maksimum uygun hale getirmek için herbirinde gerekli düzenlemeler
yapılmıştır.
Bulgular: "Analoji Tabanlı Usavurma" görevi sırasında semantik uzaklığın
artmasıyla görevde daha iyi performans gösteren bireylerin sol hemisfer gri madde
yüzeyinde Intraparietal Sulcus, Anterior Cingulate Cortex-Ventral bölümü, Middle
Frontal Gyrus, sağ hemisfer gri madde yüzeyinde Anterior Cingulate Cortex-Ventral
bölümü alanlarında, subkoritkal analizlerde ise sağ ve sol Caudate Nucleus'ta, tüm
beyin hata düzeltmelerinden sonra anlamlı BOLD sinyal korelasyonu saptandı..
Görevde daha başarılı olan katılımcıların dinlenme sırasında sol IPS ve sağ Inferior
Frontal Junction kortikal bölgeleri arasında fonsiyonel korelasyon bulunduğu
saptandı (T=4.77, p<.0221). Difüzyon görüntülerinde 16 ana beyaz madde yolağında
yapılan global probabilistik analizler sonucunda görev performansı ile bu yolaklar
arasında anlamlı bir korelasyon bulunamamıştır. Ancak beyaz madde yüzeyinde ROI
tabanlı probabilistik traktografi analizlerine uygulanan Çizge Teorisi sonucu, sol
hemisfer Medial OFC, Pars Orbitalis ,ACC Rostral, Amigdala ve sağ hemisferde
Pars Triangularis, Precentral Gyrus, Postcentral Gyrus, Superior Frontal Gyrus ve
Cuneus'ta görev başarısıyla anlamlı korelasyon bulunmuştur.
Sonuç: Yaratıcı düşünce ve usavurmanın daha önceki çalışmalarda da belirlenen
kortikal bölgelerin daha aktif kullanılmasıyla daha başarılı hale geldiği
görülmektedir. Çalışmamız bu bilgilere dinlenme halindeki fonksiyonel bağlantı ve
traktografi sonuçlarını ekleyerek yaratıcı düşüncenin salt aktivasyonun yanında ağ
özellikleri açısından da ayırt edilebilir bileşenlerini göstermesi açısından oldukça
önemlidir. Önümüzdeki çalışmalarda bu bölgelerin tekil bağlantılarının da incelip
daha detaylı bir ağ haritası çıkarılması hedeflenmektedir.

Abstract:
Introduction: Creative thinking and reasoning are the paramount of human cognitive
capacity and one of the most complex systems. These 2-way interactive and dynamic
systems have a great strategic value in terms of sustainability and quality of human
life. In spite of many scientific research done in this area, underlying neural
mechanisms of these cognitive processes have not been discovered yet. With help of
advances in neuroimaging it has been possible to model an fMRI experiment using
"Semantic Distance" and "Analogy Based Reasoning". Aim of this study is,
investigate whole brain and its sub-divisions as a network and interacting pair of
nodes while performing an analogy based reasoning test and resting state by
increaisng the number of MRI modalities with rs-fMRI and dwMRI.
Method: 30 participants aged between 20-35, who doesn't have any psychiatric
disorders have been included in this study. All MR scans are completed at Ege
University Hospital 3T MR Unit, using previously selected best fit parameters. 3D
T1-wieghted MP-RAGE and 60 directions dwMRI data collected for structural and
28 minutes task-based and 9 minutes resting state fMRI data collected for functional
analysis. After quality control and preprocessing steps all data analysed using
Freesurfer software suite and CONN toolbox. Diffusion weighted images analysed
with FSL-ProbtrackX-Tracula software using gloval probabilistic tractography,
assesing connectivity of gray matter surfaces. All software was used on this study
was open source and licensed under GPL.
Results: We found significant BOLD signal correlated regions in the left hemisphere
Intraparietal Sulcus, Anterior Cingulate Cortex-Ventral part, Middle Frontal Gyrus,
in the right hemisphere Anterior Cingulate Cortex-Ventral part and in subcortical
areas, right and left Caudate Nucleus. Left IPS and right IFJ were significantly
IIIcorrelated with task performance while in resting state and therefore showed a strong
functional connection. We analysed 16 major white matter tracts using global
probabilistic tractography, but couldn't find any significant correlations. However,
applying Graph Theory analysis of ROI based probabilistic tractography using white-
matter surfaces, we found significant correlations between task score and vertex-
level attributes in the following areas; left hemi: Medial OFC, Pars Orbitalis ,ACC
Rostral, Amigdala and right hemi: Pars Triangularis, Precentral Gyrus, Postcentral
Gyrus, Superior Frontal Gyrus and Cuneus.
Conclusion: Similar cortical regions were found correlated with creative thinking and
reasoning as previous studies suggested. In addition to previous findings we showed
functional and structural connectivity properties of the human brain in relation with
creativity and reasoning. In future studies it is important to asses the connectivity of
these spesific areas and their network properties as they are shown to be linked with
creativity and reasoning.