1,510 research outputs found

    Intrinsic functional brain networks in health and disease

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    6 Introduction   6  6.1   Imaging  cognitive  processes  with  functional  magnetic  resonance  imaging   7  6.2   Imaging  the  brain’s  resting  state   8  6.3   Intrinsic  connectivity  networks  in  the  resting  state   9  6.4   Investigating  modulations  and  plasticity  of  intrinsic  connectivity  networks   12 7 Paper  1:   Towards  discovery  science  of  human  brain  function  (PNAS  2010)   14 8 Paper  2:   Repeated  pain  induces  adaptations  of  intrinsic  brain  activity  to  reflect  past  and  predict future pain  (Neuroimage  2011)   30 9 Paper  3:   Intrinsic  network  connectivity  reflects  consistency  of  synesthetic  experience

    Tetrodotoxin-sensitive sodium channels mediate action potential firing and excitability in menthol-sensitive Vglut3-lineage sensory neurons

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    © The Author(s), 2019. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License. The definitive version was published in Journal of Neuroscience 39(36), (2019): 7086-7101, doi:10.1523/JNEUROSCI.2817-18.2019.Small-diameter vesicular glutamate transporter 3-lineage (Vglut3lineage) dorsal root ganglion (DRG) neurons play an important role in mechanosensation and thermal hypersensitivity; however, little is known about their intrinsic electrical properties. We therefore set out to investigate mechanisms of excitability within this population. Calcium microfluorimetry analysis of male and female mouse DRG neurons demonstrated that the cooling compound menthol selectively activates a subset of Vglut3lineage neurons. Whole-cell recordings showed that small-diameter Vglut3lineage DRG neurons fire menthol-evoked action potentials and exhibited robust, transient receptor potential melastatin 8 (TRPM8)-dependent discharges at room temperature. This heightened excitability was confirmed by current-clamp and action potential phase-plot analyses, which showed menthol-sensitive Vglut3lineage neurons to have more depolarized membrane potentials, lower firing thresholds, and higher evoked firing frequencies compared with menthol-insensitive Vglut3lineage neurons. A biophysical analysis revealed voltage-gated sodium channel (NaV) currents in menthol-sensitive Vglut3lineage neurons were resistant to entry into slow inactivation compared with menthol-insensitive neurons. Multiplex in situ hybridization showed similar distributions of tetrodotoxin (TTX)-sensitive NaV transcripts between TRPM8-positive and -negative Vglut3lineage neurons; however, NaV1.8 transcripts, which encode TTX-resistant channels, were more prevalent in TRPM8-negative neurons. Conversely, pharmacological analyses identified distinct functional contributions of NaV subunits, with NaV1.1 driving firing in menthol-sensitive neurons, whereas other small-diameter Vglut3lineage neurons rely primarily on TTX-resistant NaV channels. Additionally, when NaV1.1 channels were blocked, the remaining NaV current readily entered into slow inactivation in menthol-sensitive Vglut3lineage neurons. Thus, these data demonstrate that TTX-sensitive NaVs drive action potential firing in menthol-sensitive sensory neurons and contribute to their heightened excitability.This work was supported by NIAMS R01AR051219 (E.A.L.). T.N.G. holds a Postdoctoral Enrichment Program Award from the Burroughs Wellcome Fund and was supported by NHLBI T32HL120826. Core facilities were supported by the Columbia University EpiCURE Center (NIAMS P30AR069632) and the Thompson Family Foundation Initiative in CIPN and Sensory Neuroscience. This project was initiated during the MBL Neurobiology Course with support from NINDS R25NS063307. Dr. Blair Jenkins, Javier Marquina-Solis, and Dr. Adrian Thompson participated in preliminary studies at MBL. We thank Dr. Manu Ben-Johny and Dr. Lori Isom for sharing reagents, Dr. Irina Vetter for peptide toxins, Venesa Cuadrado for technical assistance, Rachel Clary for assistance with custom MATLAB routines, and Dr. Jon Sack and members of the Lumpkin laboratory for helpful discussions.2020-01-0

    Multimodal functional neuroimaging of epilepsy and Pain

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    University of Minnesota Ph.D. dissertation.June 2015. Major: Biomedical Engineering. Advisor: Bin He. 1 computer file (PDF); vi, 139 pages.The overall goal of this thesis work is to use advanced noninvasive neuroimaging modalities and techniques to study the underlying neurological mechanism of both diseased and healthy brains. The two main applications of this work are for the diagnosis of epilepsy and management of pain. Epilepsy is one of the most prevalent neurological disorders. It affects an estimated 2.7 million Americans. There are two broad types of epilepsies: partial and generalized epilepsy. For patients with drug resistant focal epilepsy, which account for one third of the patient population, surgical resection may provide the opportunity of seizure control. Existing presurgical planning methods are not only invasive in nature; they may also fail to provide additional information needed for surgery due to the relatively limited spatial coverage. On the other hand, idiopathic generalized epilepsy (IGE), unlike focal or partial epilepsy, often affects the whole or a larger portion of the brain without obvious, known cause. Treatment options are more restricted as resection is not a choice. Therefore, it is important to understand the underlying network which generates epileptic activity and through which epileptic activity propagates. The aim of the present study in the epilepsy portion was to use noninvasive imaging techniques including fMRI and EEG to localize epileptic areas for the purpose of assisting surgical planning in the focal epilepsy cases; and to improve our understanding the underlying mechanism of generalized epilepsy, thalamocortical relationship in the IGE cases. Chronic Pain is one of the biggest medical burdens in developed countries, affecting 20% of adult population with estimated economic cost in the United States alone over $150 billion. Functional imaging of brain networks associated with pain processing is of vital importance to aid developing new pain-relief therapies and to better understand the mechanisms of pain perception. The long-term goal of this project is to study the neurological mechanism of subjective perception of pain using non-invasive neuroimaging methods. In the present work of the pain portion, changes brain activities in healthy subjects experiencing sustained external painful stimuli were first studied. Neural activities in patient with sickle cell disease, who often surfer spontaneous acute or chronic pain as one of the comorbidities of the disease, were contrasted with healthy controls to study changes in neural network as a result of prolonged exposure to internal In summary, the present dissertation research developed and evaluated the spatiotemporal imaging approaches for the non-invasive mapping of network activities in the diseased and normal brain. Evaluations were conducted in patient and healthy control groups in order to test the clinical applicability of such a pre-surgical noninvasive imaging tool. An investigation has been conducted to study the widespread GSWDs of generalized epilepsy patients. The spatial resolution has been further improved by adding the component of fMRI through an EEG-fMRI integrated imaging framework. For the application in pain study, two investigations were conducted to study changes in network level activity due to external pain in healthy subjects and spontaneous pain in patients with SCD. All of the results that were obtained suggest the importance of noninvasive spatiotemporal neuroimaging approaches for solving clinical problems and for investigating neuroscience questions. Furthermore, an improved understanding of neurological diseases and their mechanisms would help us to develop and deliver curative treatments of neurological diseases

    Developing a Brain‐Based, Non‐Invasive Treatment for Pain

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    Chronic pain cost society more than $500 billion each year and contributes to the ongoing opioid overdose crisis. Substantial risks and low efficacy are associated with opiate usage for chronic pain. This dissertation seeks to fill the urgent need for a new pain treatment using a neural-circuit based approach in healthy controls and chronic pain patients. First, we performed a single-blind study examining the causal effects of transcranial magnetic stimulation (TMS), compared to a well-matched control condition. Using interleaved TMS/fMRI we explored brain activation in response to dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) stimulation in 20 healthy controls. This study tested the hypothesis that the TMS evoked responses would be in frontostriatal locations. Consistent with this hypothesis active TMS, compared to the control, led to significantly greater activity in the caudate, thalamus and anterior cingulate cortex (ACC). Building on these findings, we developed a single-blind, sham-controlled study examining two TMS strategies for analgesia in 45 healthy controls. We completed an fMRI thermal pain paradigm before and after modulatory repetitive TMS at either the DLPFC or the medial prefrontal cortex (MPFC). Despite a role in pain processing, the MPFC has not yet been explored as a target for analgesia. Only MPFC stimulation significantly improved behavioral pain measures. These effects were associated with increased motor and parietal cortex activity during the pain task. We then supplement these findings by testing the hypothesis that chronic pain patients who use opioids (n=14) would have elevated brain responses to thermal pain relative to healthy controls (n=14). Despite indistinguishable self-report measures, we found increased brain activity in the ACC and sensory areas in patients which were positively correlated with opioid dose. We conclude by evaluating the feasibility of these approaches in chronic pain patients, reporting preliminary findings from a pilot study examining the two treatment strategies tested previously in controls. Collectively, our findings support a circuits-first approach to pain treatment. Though MPFC stimulation was effective in reducing pain in healthy controls, further work is required to confirm these results in a chronic pain population, as chronic pain and opioid usage alter how the brain processes the pain experience

    Cortical mechanisms of the variable perception and modulation of pain

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    Investigating chemotherapy induced peripheral neuropathy (CIPN) and its treatment, using functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)

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    Background Chemotherapy Induced Peripheral Neuropathy (CIPN) is a debilitating neuropathy caused by commonly used chemotherapeutics. Clinically, the problem of CIPN is compounded by difficulties with diagnosis and limited treatment options. The pathophysiology of CIPN remains elusive, with current mechanistic postulates focused mainly on the peripheral nervous system. However, animal and human models of non-CIPN neuropathic conditions have shown the brain to be central to the development and maintenance of painful neuropathy. Moreover, evidence suggests that aberrant activity in key regions of the brain and brainstem could denote individual vulnerability for chronic pain states. The impact of the brain on CIPN development is unknown. Assessment of drug efficacy using brain imaging can provide sensitive readouts and is increasingly used in clinical trials. Aims Firstly, to prospectively explore the structure and function of the brain in cancer patients prior to chemotherapy administration, using functional magnetic resonance imaging (fMRI), in order to determine whether baseline differences exist between patients who progress to CIPN as compared to those who do not. Secondly, to develop a pilot study using fMRI to investigate a topical treatment for CIPN, in order to assess the feasibility of setting up a study with this kind of design. Methods To address the first aim of this thesis a prospective cohort study (the CIPN fMRI Study) was developed. Cancer patients scheduled to receive neurotoxic chemotherapy treatment including oxaliplatin, carboplatin, carbotaxol, or cisplatin, were recruited from three NHS trusts in Scotland, to undergo a high resolution (3 tesla) functional MRI scan, at a single time point prior to commencement of chemotherapy. During the scan structural, resting state and functional data were collected. Functional data involved the presentation of punctate stimuli (using a 256mN von Frey filament), above the patients’ right medial malleolus. While receiving the punctate stimuli, patients viewed images that had neutral or positive emotional content or a baseline coloured image with no content. Sample size was based on previously successful pain fMRI studies and pragmatic estimates. Acute CIPN was defined clinically by common toxicity criteria as necessitating a chemotherapy dose reduction or cessation. Data were analysed using FMRIB’s Software Library (FSL) version 5, 2015. Standard data pre-processing (brain extraction, registration, B0 unwarping, motion correction, and denosiing with FIX) was carried out. Structural analysis was conducted using FIRST. Resting state analysis utilised FSL’s MELODIC tool, and a non-parametric group comparison was made following a dual regression approach. FEAT was used for both first and second level functional analyses. Group comparisons were made using a mixed effects analysis (z threshold 2·3 and 2, regions considered significant at p<0·05, cluster corrected). The group was split by sex to explore known sex differences in pain processing. To address the second aim of this thesis, a pilot fMRI randomised controlled trial (MINT3 Study) was designed. Approvals from ethics and research and development were sought and obtained. Data collection forms were developed. An fMRI experiment was proposed and a single pilot scan was conducted and analysed. Results 30 patients were recruited for the CIPN fMRI study (mean age 60·4 years, [95% Confidence Interval: 57.4-63.4, 17 women). Two patients had lung cancer, nine had gynecological malignancies and 18 had colorectal cancer. 17 patients developed acute CIPN. Structural analysis showed that patients who developed CIPN had a smaller volume of the Nucleus Accumbens (NAc). Resting state analysis did not show clear differences between those who developed CIPN and those who did not. Finally, functional analysis showed that patients who did not develop CIPN had greater activation in the superior frontal gyrus when viewing positive emotional images as compared to those who did progress to CIPN. Region of interest analysis showed that female patients who developed CIPN had greater activity in their mesencephalic pontine reticular formation (MPRF). Male patients who progressed to CIPN had decreased activity in their thalamus. Feasability of the MINT3 study set up and fMRI paradigm was assessed. Interpretation Differences in brain structure and function are evident between patients who developed CIPN and those who did not. Crucially, the regions identified, in particular the NAc, have been postulated to denote a vulnerability for progression to pain states. Although the findings need further confirmation they suggest a paradigm shift in terms of CIPN as a clinical problem. Specifically, it appears that certain individuals can be considered as having increased risk of CIPN development prior to chemotherapy administration. This risk relates to the baseline structure, and function of their brains. Finally, the set up of the MINT3 fMRI study showed that this kind of study design is acceptable in terms of ethical and R&D approvals and a single healthy volunteer pilot

    Resting state fMRI experimental and analytical methodology: a functional connectivity analysis

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    Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica , apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013O ser humano desde sempre se sentiu fascinado pelo estudo do seu próprio corpo assim como das suas propriedades funcionais. Do desejo de compreender e explorar o corpo humano surgiram então técnicas que permitem o seu estudo de modo não invasivo. Entre as primeiras técnicas de imagiologia encontram-se os Raios-X, a tomografia axial computadorizada (TAC) e a terapia por emissão de positrões (PET: do inglês “Positron Emission Therapy"). Contudo, todas elas utilizam radiação ionizante, e como tal surgiu o desejo de desenvolver novas metodologias igualmente não invasivas mas que por seu lado não utilizem qualquer tipo de radiação ionizante. Entre estas técnicas encontra-se a imagiologia por ressonância magnética (MRI: do inglês “Magnetic Resonance Imaging”) que pode ser utilizada para estudar as estruturas anatómicas mas também os seus mecanismos funcionais através da aplicação da técnica de ressonância magnética funcional (fMRI: do inglês “functional magnetic resonance imaging). Contrariamente às técnicas que utilizam radiação ionizante, a imagiologia por ressonância magnética tira partido do facto de o ser humano ser maioritariamente constituído por água. Um ser humano adulto é por norma constituído por cerca de 70 – 80% de água (H2O) o que se reflecte numa grande abundância de protões – núcleo 1H. Quando submetidos a um forte campo magnético, o momento magnético destas partículas tende a alinhar-se de acordo com a direcção do campo magnético externo (B0). Após alinhados os protões são então submetidos a um pulso de radiofrequência (com frequência igual à frequência de Larmor destas partículas) que é absorvido e modifica o momento magnético (i.e. Spin) dos protões. Quando este pulso é desligado, o spin dos protões retorna ao equilíbrio termodinâmico, de acordo com a direcção do campo magnético B0, emitindo energia sob a forma de radiofrequência (RF). Estes mecanismos de relaxação diferem consoante o conteúdo em água dos tecidos e são estes que permitem a identificação da sua estrutura. Gradientes de campo magnético são tamb ém utilizados de modo a criar ligeiras diferenças no campo magnético que permitem a codificação do sinal com informação espacial. A imagiologia por ressonância magnética faz, nos dias de hoje, parte da rotina hospitalar providenciando imagens com grande precisão e resolução anatómica. Todavia a informação estrutural nem sempre é suficiente para estudar patologias que não exibem diferenças anatómicas, tais como depressão ou esquizofrenia. Surge então a ressonância magnética funcional, que utiliza o nível de oxigenação do sangue (BOLD: do inglês “Blood-oxygenation level dependent”) como uma medida indirecta de activação neuronal. Através da utilização desta técnica é então possível mapear zonas cerebrais responsáveis pelo processamento de sinais como por exemplo estímulos visuais, tácteis ou auditivos. A título de exemplo, temos o estudo de doenças como o autismo ou até mesmo de distúrbios de consciência. A nível clínico a ressonância magnética funcional é utilizada para mapear funções críticas como por exemplo a fala, o movimento, o planeamento de tarefas, etc. Esta técnica oferece aos profissionais de saúde a chance de desenvolver um melhor planeamento cirúrgico sendo que é também aplicada no planeamento de tratamentos de radioterapia a nível cerebral com o intuito de mapear funcionalmente o cérebro e detectar os efeitos que tumores, AVC e lesões cerebrais possam ter ao nível da reestruturação das suas funções. Até muito recentemente a grande maioria da informação disponível acerca da conectividade anatómica cerebral era estritamente proveniente de estudos efectuados em primatas, recorrendo ao uso de técnicas extremamente invasivas (Felleman, Van Essen 1991, Jones, Powell 1970, Mesulam 2000, Ungerleider, Haxby 1994) assim como do estudo de lesões em casos humanos (ex: (Geschwind 1965)). Frinston (Friston et al. 1993) utilizando PET e Biswal (Biswal et al. 1995) através do uso de fMRI foram os primeiros a identificar que para além das ligações anatómicas entre diferentes estruturas cerebrais é também possível identificar ligações funcionais entre regiões que à primeira vista parecem não ter qualquer tipo de ligação. À técnica que usa MRI no estudo da conectividade funcional foi dado o nome de conectividade funcional de ressonância magnética (fcMRI: do inglês “Functional connectivity MRI”). Esta utiliza ressonância magnética funcional e as oscilações de baixa frequência ao nível do sinal BOLD em cada voxel para estabelecer correlações. Com base na ideia de que duas zonas se podem dizer funcionalmente relacionadas se estas se encontram a operar no mesmo processo, é portanto possível assumir que as variações no seu sinal BOLD serão bastante semelhantes exibindo uma alta correlação. A título de exemplo vejamos duas regiões do córtex motor primário, localizadas em hemisférios opostos, e que contudo apresentam sinais BOLD altamente correlacionados. Com esta ideia em mente foi então desenvolvido o conceito de redes funcionais que são usualmente estudadas durante períodos de repouso. Exactamente durante esta condição foi verificada a existência de uma rede funcional extremamente consistente entre indivíduos, e mesmo entre diferentes estados como durante o sono ou anestesia. A esta rede foi dado o nome de “Default-mode network” (Raichle et al. 2001) sendo que esta inclui regiões do córtex posterior cingulado, precuneus e do córtex prefrontal medial. A “defaultmode network” é a rede mais estudada, mas para além desta existem outras redes tal como a rede visual, a auditiva, a de controle executivo, a de atenção, entre outras. Estas redes encontram-se frequentemente interrompidas ou modificadas em casos de doença. Os projectos descritos no âmbito desta dissertação focam-se no estudo destas redes bem como das suas propriedades em casos de doença (distúrbios de consciência, AVC) e durante a performance de actividade física. A fim de estudar estas redes funcionais foram utilizados diferentes métodos para o cálculo da conectividade funcional. Entre os mais reconhecidos métodos de cálculo de conectividade funcional encontram-se a análise com base numa região de interesse, a análise através do estudo da independência entre componentes bem como métodos que permitem o cálculo da conectividade cerebral a nível global. Os métodos que utilizam uma região de interesse focam-se no cálculo da conectividade entre esta região e o resto do cérebro através do uso de medidas de correlação. O segundo método mencionado separa as várias redes neuronais com base na máximizacao da sua independência estatística. Por último, os métodos de análise global calculam a correlação das série temporal de cada voxel com todos os outros voxeis do cérebro. A contribuição da autora para os estudos descritos ao longo desta dissertacao focou-se no uso de duas destas técnicas – “seed-based analysis” e “wGBC”- no cálculo da conectividade cerebral em cada um dos diferentes projectos. No primeiro projecto, descrito no capítulo 3 desta dissertação, são apresentadas vários paradigmas que em conjunto com o uso de ressonância magnética funcional, foram desenhados para detectar consciência e percepção em doentes que sofrem de distúrbios de consciência. Estes paradigmas foram testados num grupo de voluntários saudáveis de modo a verificar se são adequados ou se necessitam de ser optimizados. A autora foi então responsável por executar uma análise individual e de grupo da activação induzida pela execução destes mesmos paradigmas. O desenvolvimento de paradigmas adequados a estes pacientes, combinadas com o uso de fMRI vem complementar e melhorar o diagnóstico e prognóstico destes doentes. No capítulo 4 desta dissertação a autora focou-se na análise da conectividade funcional em pacientes que foram diagnosticados com um pequeno AVC, com enxaquecas e com TIAs. Este procedimento utilizou técnicas de cálculo da conectividade com regiões de interesse e medidas globais de conectividade funcional. O objectivo deste estudo é uma vez mais averiguar se a inclusão de uma sequência de conectividade funcional poderá facilitar o diagnóstico destes doentes bem como o seu prognóstico. No quinto capítulo a autora foca-se no estudo das diferenças induzidas ao nível da conectividade funcional por uma única sessão de exercício físico. São uma vez mais utilizadas técnicas de cálculo da conectividade com regiões de interesse bem como outros métodos implementados por outros investigadores do departamento. É também incluído nesta dissertação um capítulo no qual foram analisadas as propriedades destas redes neuronais ao nível de uma população saudável. É importante que tanto as condições de aquisição dos dados de ressonância magnética funcional como as metodologias de análise estejam bem estabelecidas para que os dados provenientes de diferentes estudos sejam comparáveis e para que possamos estabelecer de forma fiável conclusões acerca de populações saudáveis e doentes. O conceito de repouso é ainda muito variável, particularmente quando é apenas pedido aos participantes que permaneçam calmos e imóveis. Certos estudos requerem que os participantes permaneçam de olhos fechados, outros de olhos abertos e outros ainda que fixem uma imagem projectada num ecrã. Uma grande variabilidade de estados podem ser originados com este design experimental, sendo que estes vão desde o simples devaneio em torno de um assunto, que por qualquer razão se encontra mais fortemente em mente, ou até mesmo o adormecer. Com o objecto de estudar estas variações, o capítulo 6 foca-se na investigação da conectividade cerebral resultante de duas diferentes situações bem como da sua variabilidade. Neste capítulo a autora procurou estudar a reprodutibilidade e confiança destas redes funcionais cerebrais quando é pedido aos participantes que executem uma tarefa de baixo requerimento cognitivo. A análise foi executada através do cálculo da correlação entre séries temporais bem como da sua análise estatística, utilizando medidas como o coeficiente de correlação intra-classes, que fornece uma estimativa de reprodutibilidade entre diferentes medições. Deste trabalho resultaram uma apresentação oral e a apresentação de um poster. Os resultados foram no geral positivos mas em alguns casos bastante ambíguos. As mais recentes publicações evidenciam o interesse em estudar não só a distribuição espacial destas redes como também as suas propriedades temporais que se parecem evidenciar como extremamente dinâmicas. Como tal fica aqui aberto o caminho para a continuação da exploração das redes funcionais cerebrais bem como da sua variabilidade. Numa nota final, consideramos importante salientar que o vasto estudo da conectividade cerebral assim como o dos seus mecanismos é ainda uma área de investigação com pouco mais de uma década e com um ainda longo caminho a percorrer.Conventional functional magnetic resonance imaging (fMRI) is used to measure small fluctuations in the blood oxygenation level dependent (BOLD) signal resulting from neural activation due to an external stimulus or task. Nonetheless, this imaging technique can also be applied to the study of functional connectivity in the human brain. Since it was first acknowledged that BOLD signal fluctuations also occur during resting periods that increased attention has been directed to the investigation of brain behaviour during this particular state. There is still an on-going debate as to whether these fluctuations actually reflect neuronal baseline activity or are just the result of physiological metabolism and therefore independent o neuronal function. Also, can this resting state activity be truly called a “baseline” for comparisons? Moreover, functional connectivity has identified several networks, of which the default mode network is the most robust. This network is believed to have a great importance in brain awareness and cognition. Further research is crucial to correctly understand these events and also to create a standardised methodology to perform the resting state fMRI acquisitions. The RESTATE (Resting State Techniques) project arises from the need to comprehend and correctly interpret the measured low frequency BOLD oscillations during resting periods. With this longitudinal study, comprising a baseline and a follow-up scan, we aim to assess the implications of using a low cognitive level paradigm upon the reproducibility of the data during functional connectivity analysis
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