Beynin sayısal işlevleriyle ilgili yapısal ve işlevsel bağlantısallığının matematik öğrenme güçlüğünde (diskalkuli) incelenmesi
Investigation of the brain structural and functional connectivity related to numerical functions in dyscalculia
Yazar: NAZİFE AYYILDIZ
Danışman: PROF. DR. METEHAN ÇİÇEK
Ankara Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Disiplinlerarası Sinir Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizyoloji = Physiology ; Nöroloji = Neurology ; Psikiyatri = Psychiatry
Dizin: Beyin = Brain ; Beyin fonksiyonları = Brain functions ; Difüzyon tensör görüntüleme = Diffusion tensor imaging ; Manyetik rezonans görüntüleme = Magnetic resonance imaging ; Matematik = Mathematics ; Öğrenme güçlüğü = Learning difficulty

Özet:
İnsan beyninde sayısal işlevlerden sorumlu ağların temel olarak fronto-paryetal ve aynı zamanda oksipito-temporal ağlar olduğu bilinmektedir. Bu ağlarda yer alacak yapısal ve/veya işlevsel bir bozukluk diskalkuli ile ilişkili olabilir.  Diskalkuli, normal zekâ ve eğitim düzeyinde olsalar dahi bireylerin basit aritmetikte bile güçlük çekmesi ile sonuçlanan matematiğe özgü bir nörogelişimsel bozukluktur. Prevalansı % 3-8 arası değişen diskalkuliye sahip olan bireyler için sayısal güçlükler genellikle çocukluktan yetişkinliğe devam eder. Buna rağmen, diskalkulinin temelindeki nörobiyolojik mekanizmalar tam olarak anlaşılmış değildir. Bu tez çalışmasının amacı, diskalkuli ve sağlıklı kontrolleri arasındaki olası yapısal ve işlevsel beyin bağlantısallığı farklılıklarını incelemektir. Bu kapsamda 2058 ilkokul öğrencisi önce matematik testleri ile taranmış ve nöropsikiyatrik değerlendirmelerden sonra eş bozukluk içermeyen saf diskalkuli ve yaş, zekâ ve cinsiyete göre eşleştirilmiş kontrollerinin bulunduğu örneklem elde edilmiştir. Çalışmanın örneklemini 12 saf diskalkuli (ortalama yaş = 11.2±0.7 yıl) olan ve 16 sağlıklı gelişen çocuklar (ortalama yaş = 11.2±0.6 yıl) oluşturmuş, yapısal bağlantısallık difüzyon tensör görüntüleme (DTG) ile; işlevsel bağlantısallık dinlenim durumu işlevsel manyetik rezonans görüntüleme (diMRG) ile değerlendirilmiştir. Beyin MR verileri 3T Siemens tarayıcı ile alınmıştır. Çalışmanın DTG kısmında ilk olarak beyaz madde mikro yapısı TBSS (tract-based spatial statistics) analizi ile değerlendirilmiştir. Daha sonra spesifik bölgelerde yolak uzunluğu ve olası bağlantısallık haritaları probabilistik traktografi ile değerlendirilmiştir. Tüm beyin düzeyinde, diskalkuli ve kontrol grupları arasında herhangi anlamlı mikro yapısal beyaz madde farklılığı bulunmamıştır. Tohum-tabanlı olası yapısal bağlantısallık haritaları gruplar arasında anlamlı farklılık göstermemiştir. Ancak, daha önce çocuklarda yapılan matematik yeteneklerle ilişkili çalışmalar sonucunda bulunmuş olan, ilgilenilen alan olarak seçilen yolaklarda gruplar arasında anlamlı farklılıklar bulunmuştur. Çalışmanın DTG kısmındaki temel bulgular, diskalkuli grubunun, sol superiyor longitudinal/arkuat fasikulus ve anteriyor talamik radyasyon yolaklarının daha düşük beyaz madde integritesine sahip ve daha kısa olduğunu göstermiştir. Bölgesel analizler, beynin sol hemisferindeki öğrenme, bellek ve dil işlevleri ile ilgili yolakların diskalkuli ile ilişkili olduğunu ortaya çıkarmıştır. Çalışmanın diMRG kısmında ise, fronto-paryetal ve olağan durum ağı bölgeleri tohum bölgeler olarak seçilmiş ve işlevsel bağlantısallığı incelemek üzere tohum-tabanlı analizler uygulanmıştır. İşlevsel bağlantısallık analizleri, kontrolleri ile karşılaştırıldığında diskalkuli grubunda özellikle fronto-paryetal ağ olmak üzere oksipito-paryetal ve paryeto-serebellar ağlarda daha düşük bağlantısallık göstermiştir. Hiper bağlantısallıktan ziyade daha düşük bağlantısallık bulgusu, diskalkulisi olan çocuklarda bozulmuş dinlenim durumu işlevsel bağlantısallığının bir sonucu olabilir. Diskalkulide daha düşük bağlantısallık, temel, sözel ve görsel sayı işlemede ve sayısal bilginin dikkate dayalı işlenmesinde bozulmalarla ilişkili olabilir. diMRG bulguları, diskalkulisi olan çocukların kontrollerinin yaptığı kadar yeterince dinlenim durumunda sayıları işlemede gereken enerji kaynaklarını ayıramadığını gösteriyor olabilir. Tüm bulgular birlikte yorumlandığında, saf diskalkulisi olan çocukların kontrolleri ile karşılaştırıldığında özellikle sol fronto-paryetal ağlarda bozulmuş yapısal ve işlevsel bağlantısallığa sahip oldukları sonucuna varılabilir.

Abstract:
Numerical functions of the human brain are suggested to engage mainly the fronto-parietal and also occipito-temporal networks. An impairment in these networks might be related to developmental dyscalculia, a neurodevelopmental disorder causing individuals to have difficulties even in the basic arithmetic with normal intelligence and age-appropriate education. Difficulties in dyscalculia that has 3-8 % prevalence often persist from childhood through adulthood. Underlying neurobiological mechanisms of dyscalculia, however, are poorly understood. This study aimed to identify possible structural and functional connectivity alterations between dyscalculia and healthy controls. For this purpose, we screened 2058 elementary school children with mathematical tests, and after the detailed neuropsychiatric assessments, we excluded the comorbidities from the sample by obtaining a pure dyscalculia and age, IQ and gender matched healthy control groups. We evaluated 12 children with pure dyscalculia (mean age=11.2±0.7 years old) and well-matched 16 healthy controls (mean age=11.2±0.6 years old) using diffusion tensor imaging (DTI) for structural connectivity and resting state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) for functional connectivity. We acquired the data via 3T Siemens MR scanner. For the DTI part, we first assessed white matter microstructure with tract-based spatial statistics. Then we used probabilistic tractography to evaluate tract lengths and probabilistic connectivity maps in specific regions. At whole brain level, we found no significant microstructural differences in white matter between dyscalculia and control groups. Also, seed-based probabilistic structural connectivity maps did not differ between groups. However, we did find significant differences in regions-of-interest tracts which had previously been related to math ability in children. The major findings of DTI part of the study were reduced white matter coherence and shorter fiber lengths of the left superior longitudinal/arcuate fasciculus and left anterior thalamic radiation in dyscalculia group. These results from regional analyses indicate that learning, memory and language-related pathways in the left hemisphere might underlie dyscalculia. For the rs-fMRI part, we performed seed-to-voxel functional connectivity analyses using fronto-parietal and default mode network regions as seeds. Results from functional connectivity analyses revealed that dyscalculia group had lower connectivity especially in fronto-parietal, and also occipito-parietal and parieto-cerebellar networks. Children with dyscalculia had lower functional connectivity (rather than hyper connectivity) which could be the result of an aberrant intrinsic functional connectivity. This hypo-connectivity might be related to impairments in basic, verbal and visual number processing as well as attentional aspects of the number processing in dyscalculia. rs-fMRI findings suggest that children with dyscalculia might not be able to allocate enough internal energy resources to process numbers like their controls do. When we interpret overall results together, we conclude that pure dyscalculic children might have aberrant structural and functional connectivity alterations especially in the left fronto-parietal networks compared to healthy peers.