New methodologies for directed functional connectivity applied to brain neuroimaging research

Tese de doutoramento, Engenharia Biomédica e Biofísica, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015

In the last decade directed functional connectivity analysis has been increasingly adopted as a method to study the information transfer in the human brain. However, its use with functional neuroimaging data has faced several limitations and controversies, especially when applied to functional magnetic resonance imaging (fMRI) data. This thesis presents a study of directed functional connectivity metrics and their application to datasets from two of the most widely used functional neuroimaging techniques, electroencephalography (EEG) and fMRI. Since a major part of this work focuses on testing and benchmarking connectivity metrics in controlled simulations, an initial study was performed on known generative models, with varying degrees of biophysical fidelity, for the former datasets. Its results suggested that less realistic models are more suitable for large simulations, due to their computational efficiency, or for testing novel metrics, due to their increased control over simulated causal relations. The following study provided a thorough performance assessment of directed functional connectivity metrics in broad experimental simulations with synthetic fMRI data. Our conclusions argued in favor of their applicability in the context of fMRI, provided that a stringent set of experimental specifications is met. The two succeeding studies proposed a novel framework for causal inference, oriented to EEG data, with the use of adaptive data analysis. Their findings suggested that this new framework is able to not only provide improved frequency localization but also to restrict causal analysis to components with physical meaning. The last study provided the opportunity to apply some of the knowledge gathered throughout these studies in the analysis of intracranial EEG data from a patient with infantile spams. From studying the causal relations in the recorded data it was possible to delineate a seizure onset zone that is consistent, and even more specific, with regions determined clinically or by novel localization strategies.

Na última década a análise de conectividade funcional direccionada tem sido progressivamente adoptada no estudo da conectividade do cérebro humano. No entanto, a sua utilização com dados de neuroimagem funcional tem enfrentado uma série de limitações e controvérsias, especialmente quando aplicado a dados de ressonância magnética funcional (fMRI). Esta dissertação apresenta um estudo de métricas de conectividade funcional direccionada e na sua aplicação a registos de duas das técnicas de neuroimagem funcional mais utilizadas, electroencefalografia (EEG) e fMRI. Uma vez que uma grande parte deste trabalho consiste em testar e avaliar estas métricas recorrendo a simulações controladas, foi realizado um estudo inicial sobre os modelos generativos mais recorrentes na literatura, com diferentes graus de fidelidade biofísica, para EEG e fMRI. Os resultados sugeriram que os modelos menos realistas são mais adequados para grandes simulações, devido a requisitos computacionais baixos, ou para testar novas métricas, devido ao maior controle sobre as relações causais simuladas. O segundo estudo consistiu numa avaliação do desempenho da análise de conectividade funcional direccionada em simulações extensas com dados de fMRI sintéticos. As conclusões argumentaram a favor da aplicabilidade a dados fMRI, desde que um rigoroso conjunto de especificações experimentais seja cumprido. Os dois estudos seguintes propõem uma nova abordagem para a inferência causal através da análise de dados adaptativa. Os resultados sugerem que esta abordagem é capaz de, não só proporcionar uma melhor localização em frequência, mas também de restringir a análise causal a componentes com significado físico. No último estudo são efectuadas análises de causalidade em registos EEG intracranianos de um paciente com espasmos infantis. A partir do estudo das relações causais nestes registos, foi possível delinear uma zona epileptogénica consistente, e ainda mais específica, com as regiões determinadas clinicamente ou por novas estratégias de localização.

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), projetos PTDC/SAU-BEB/65977/2006, PTDC/SAU-ENB/112294/2009, PEst-OE/SAU/UI0645/2014