Longitudinal fMRI datasets hold great promise for the study of neurodegenerative diseases, but realizing their potential depends on extracting accurate fMRI-based brain measures in individuals over time. This is especially true for rare, heterogeneous and/or rapidly progressing diseases, which often involve small samples whose functional features may vary dramatically across subjects and over time, making traditional group-difference analyses of limited utility. One such disease is ALS, which results in extreme motor function loss and eventual death. Here, we analyze a rich longitudinal dataset containing 190 motor task fMRI scans from 16 ALS patients and 22 age-matched HCs. We propose a novel longitudinal extension to our cortical surface-based spatial Bayesian GLM, which has high power and precision to detect activations in individuals. Using a series of longitudinal mixed-effects models to subsequently study the relationship between activation and disease progression, we observe an inverted U-shaped trajectory: at relatively mild disability we observe enlarging activations, while at higher disability we observe severely diminished activation, reflecting progression toward complete motor function loss. We observe distinct trajectories depending on clinical progression rate, with faster progressors exhibiting more extreme hyper-activation and subsequent hypo-activation. These differential trajectories suggest that initial hyper-activation is likely attributable to loss of inhibitory neurons. By contrast, earlier studies employing more limited sampling designs and using traditional group-difference analysis approaches were only able to observe the initial hyper-activation, which was assumed to be due to a compensatory process. This study provides a first example of how surface-based spatial Bayesian modeling furthers scientific understanding of neurodegenerative disease.


翻译:纵向的FMRI 数据集为神经降解性疾病研究带来了巨大的希望,但发现其潜力取决于个人长期对基于FMRI的大脑测量。对于罕见的、混杂的和(或)快速进化的疾病来说尤其如此,这些疾病往往涉及小样本,其功能特征在不同的学科和时间上差异很大,因此传统的群体差异分析作用有限。这种疾病之一是ALS,它导致极端的运动功能丧失和最终死亡。在这里,我们分析了一个丰富的传统纵向数据集,其中包含来自16个ALS病人和22个年龄相配的HCs的190个运动任务FMRI扫描。我们建议对我们以皮层为基础的空间Bayesian GLM进行新的纵向扩展,它具有很高的能量和精确度来检测个人激活。我们使用一系列纵向的混合效应模型来研究激活和疾病进化之间的关系,我们观察到一个反向的Usal 模式的轨迹:在相对轻微的残疾中我们观察到了放大的振动,而在更高的残疾中我们观察到了快速的振动,反映向完全的动作损失。我们观察到了向完整的运动的最初的振动。我们观察了较早期的振动,通过较早期的振动,通过较早期的振动研究看到了较早期的振动,而随后的振动,我们看到了一种振动的振动,通过的振动,这种推测的振动,而后的振动的推测的模型则显示显示的模型显示显示的推后的模型显示的推后的推后的推后的推后的推后的推后推后的推后的推后的推后推后的推后的推后的推后的推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推导的推导的推后推导的推后推后的推后推后推后推后推后推的推的推式推后推式推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推的推的推的推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推后推的推式的推的推的推的推的推

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