Spatial variability of functional brain networks in early-blind and sighted subjects

Peer reviewe

Observation of auditory perceptual and visuo-spatial characteristic of a patient with hemangiopericytoma in occipital lobe: a magnetoencephalography (MEG) study

The present study discussed functional reorganization and alteration in respond to the slow-growing tumour, hemangiopericytoma in the occipital cortex. Visual evoked field (VEF) and auditory evoked field (AEF) using magnetoencephalography (MEG) was used to evaluate the source localization and brain activity. Results of VEF source localization show a typical brain waves. Brain activity of the occipital lobe demonstrate low activation in the ipsilateral to the tumour. However, result shows the activation on the contralateral hemisphere was high and bigger in activation volume. AEF result shows an identical source localization and both side of the temporal lobe are activated. This result suggests that there is a positive plasticity in auditory cortex and slow-growing tumour can induce functional reorganization and alteration to the brain

Reduced Dynamic Interactions Within Intrinsic Functional Brain Networks in Early Blind Patients

Neuroimaging studies in early blind (EB) patients have shown altered connections or brain networks. However, it remains unclear how the causal relationships are disrupted within intrinsic brain networks. In our study, we used spectral dynamic causal modeling (DCM) to estimate the causal interactions using resting-state data in a group of 20 EB patients and 20 healthy controls (HC). Coupling parameters in specific regions were estimated, including the medial prefrontal cortex (mPFC), posterior cingulate cortex (PCC), and inferior parietal lobule (IPC) in the default mode network (DMN); dorsal anterior cingulate cortex (dACC) and bilateral anterior insulae (AI) in the salience network (SN), and bilateral frontal eye fields (FEF) and superior parietal lobes (SPL) within the dorsal attention network (DAN). Statistical analyses found that all endogenous connections and the connections from the mPFC to bilateral IPCs in EB patients were significantly reduced within the DMN, and the effective connectivity from the PCC and lIPC to the mPFC, and from the mPFC to the PCC were enhanced. For the SN, all significant connections in EB patients were significantly decreased, except the intrinsic right AI connections. Within the DAN, more significant effective connections were observed to be reduced between the EB and HC groups, while only the connections from the right SPL to the left SPL and the intrinsic connection in the left SPL were significantly enhanced. Furthermore, discovery of more decreased effective connections in the EB subjects suggested that the disrupted causal interactions between specific regions are responsive to the compensatory brain plasticity in early deprivation

Functional and anatomical brain networks : Brain networks during naturalistic auditory stimuli, tactile stimuli and rest : Functional network plasticity in early-blind subjects.

Hearing is a versatile sense allowing us, among other things, to avoid danger and engage in pleasurable discussions. The ease with which we follow a conversation in a noisy environment is astonishing. Study I in this thesis used functional magnetic resonance imaging to explore the large-scale organization of speech and non-speech sound processing during a naturalistic stimulus comprised of an audio drama. Two large-scale functional networks processed the audio drama; one processed only speech, the other processed both speech and non-speech sounds. Hearing is essential for blind subjects. Anatomical and functional changes in the brains of blind people allow them to experience a detailed auditory world, compensating for the lack of vision. Therefore, comparing early-blind subjects brains to those of sighted people during naturalistic stimuli reveals fundamental differences in brain organization. In Study II, naturalistic stimuli were employed to explore whether one of the most distinguishing traits of the auditory system the left-lateralized responses to speech changes following blindness. As expected, in sighted subjects, speech processing was left-hemisphere dominant. Curiously, the left-hemisphere dominance for speech was absent or even reversed in blind subjects. In early-blind people, the senses beyond vision are strained as they try to compensate for the loss of sight; on the other hand, the occipital cortices are devoid of normal visual information flow. Interestingly, in blind people, senses other than vision recruit the occipital cortex. Additional to changes in the occipital cortex, the sensory cortices devoted to touch and hearing change. Data presented here suggested more inter-subject variability in auditory and parietal areas in blind subjects compared with sighted subjects. The study suggested that the greater the inter-subject variability of the network, the greater the experience-dependent plasticity of that network. As the prefrontal areas display large inter-subject spatial variability, the activation of the prefrontal cortex varies greatly. The variable activation might partly explain why the top-down influences of the prefrontal cortex on tactile discrimination are not well understood. In the fourth study, anatomical variability was assessed on an individual level, and transcranial magnetic stimulation was targeted at individually-chosen prefrontal locations indicated in tactile processing. Stimulation of one out of two prefrontal cortex locations impaired the subjects ability to distinguish a single tactile pulse from paired pulses. Thus, the study suggested that tactile information is regulated by functionally specialized prefrontal subareas.Anatomiska och funktionella hjärnnätverk hos seende och synskadade Hörseln är möjligen vårt viktigaste sinne. Med hjälp av hörseln kan vi bl.a. undvika faror och enkelt skilja mellan tal och oljud. I den första delen av avhandlingen fick försökspersonerna lyssna till en radiopjäs medan de undergick funktionell magnetresonanstomografi. Vi fann två olika hjärnnätverk som behandlade pjäsen. Det ena reagerade på både tal och andra ljud, medan det andra registrerade enbart tal. Synskadade klarar sig väl i vardagslivet, detta anses påvisa hjärnans förmåga att anpassa sig till begränsningar i dess normala funktion. I andra delen av avhandlingen jämfördes sedan ungdomen synskadade med seende. Det framgick att seende reagerade starkare på tal med den vänstra hjärnhalvan. Tidigt synskadade visade inga skillnader mellan hjärnhalvorna i reaktivitet till tal. Hos blinda rör det sig naturligtvis inte synintryck i syncortex. Detta medför att tidigt i livet synskadade brukar syncortex för att bearbeta hörsel- och känselintryck. Funktionell magnetresonanstomografi har möjliggjort att undersöka hur synskadade personers hjärnor förändrat sig. I tredje delen av avhandlingen påvisades att synskadade hade en större individuella skillnader i tal- och hörselcortex. Syncortex däremot hade större individuella skillnader hos seende. Det kan tyda på att ökningen av de individuella skillnaderna speglar hjärnans adaptionsmekanismer. En orsak till vår bristfälliga kunskap on frontallobens sammansättning kan ligga i de stora individuella variationerna. Vätskediffusions-MR kan påvisa anatomiska nervbanor på en individuell nivå. I avhandlingens fjärde del utvärderades anatomiska kontakter på individnivå. Sedan användes transkraniell magnetstimulering för att aktivera utvalda nervbanor mellan frontalloben och känslocortex medan vi observerade försökspersonernas förmåga att särskilja antalet känslostötar. Försökspersoner kunde inte urskilja mängden känslostötar ifall ett visst område av frontalloben stimulerades.Sokeiden ja näkevien aivoverkot Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää aivoverkkojen ominaisuuksia levossa, sekä tunto- ja ääniärsykkeiden aikana. Tarkemmat tavoitteet olivat seuraavat: 1) Tutkia, miten luonnonmukainen ääniärsyke käsitellään näkevien ja sokeiden koehenkilöiden aivoverkoissa. 2) Tutkia toiminnallisten aivoverkkojen yksilöllisiä eroja sokeilla ja näkevillä. 3) Selvittää miten etuaivolohkon ja tuntoaivokuoren välisen hermorata-yhteyden ärsyttäminen vaikuttaa tuntoärsykkeen käsittelyyn. Kuulo on mahdollisesti tärkein aistimme. Kuuloaistin avulla mm. vältämme vaaroja ja erotamme vaivattomasti puheen ympäröivästä melusta. Tämän väitöksen ensimmäisessä osatyössä tutkittavat kuuntelivat ääninäytelmää aivojen toiminnallisen magneettikuvauksen aikana. Tutkimuksessa havaittiin kaksi erillistä ääninäytelmää käsittelevää toiminnallista aivoverkkoa. Toinen käsitteli puheääniä ja ympäristöääniä, toinen pelkästään puheääniä. Sokeat pärjäävät hyvin arkielämässä. Tätä pidetään osoituksena aivojen kyvystä paikata puuttuvaa näköaistia muovautumalla. Toisessa osatyössä tutkittiin, miten varhain sokeutuneiden aivot käsittelevät ääninäytelmää. Kun varhain sokeutuneiden koehenkilöiden aivojen toimintaa verrattiin näkevien aivojen toimintaan, paljastui, että näkevillä vasen aivopuolisko reagoi puheeseen oikeata aivopuoliskoa vahvemmin, kun taas sokeilla tämä aivopuoliskojen välinen ero ei tullut esille. Sokeilla kuuloaivokuori korvaa näköaistin puutetta, toisaalta näköaivokuorelle ei tule näköaistin tuottamia viestejä. Tästä seuraa, että varhain sokeutuneilla muut aistit valtaavat näköaivokuoren. Aivojen toiminnallinen magneettikuvaus sekä uudet analyysimenetelmät ovat mahdollistaneet sokeiden aivojen muovautumisen tutkimisen. Tässä väitöskirjatyössä käytettiin uusia analyysimenetelmiä sokeiden ja näkevien aivokuoren toiminnan muovautumisen tutkimiseen. Osoitimme, että sokeilla oli näkeviä enemmän yksilöllistä vaihtelua puhe- ja kuuloaivokuoren toiminnassa. Näköaivokuoren toiminnassa sokeilla oli vähemmän yksilöllistä vaihtelua kuin näkevillä. Päättelimme, että yksilöllisen vaihtelevuuden lisääntyminen oli osoitus sokeuden seurauksena tapahtuneesta aivojen muovautumisesta. Yhtenä syynä etuaivolohkon järjestäytymisen puutteelliseen tuntemiseen voi olla etuaivolohkon toiminnan suuri yksilöllinen vaihtelevuus. Diffuusiopainotteinen aivokuvantaminen yhdistettynä traktografiaan paljastaa anatomisia hermoratayhteyksiä yksilötasolla. Neljännessä osatyössä arvioimme näitä menetelmiä käyttäen tuntoaivokuoren ja etuaivolohkon anatomisia yhteyksiä yksilötasolla, ja ärsytimme näitä kohteita käyttäen nk. transkraniaalista magneettistimulaatiota (TMS). Kun otsalohkon toimintaa näin häirittiin yksilöllisesti tarkasti suunnatulla TMS pulssilla, tutkittavien kyky eritellä tuntopulssien määrää häiriintyi. Työ osoitti, että otsalohkon etuosa säätelee tuntoaivokuoren toimintaa

Intégration et topographie fonctionnelles : l'influence de la cécité précoce

L’organisation fonctionnelle du cerveau humain montre une similarité interindividuelle remarquable et robuste, suggérant que sa structure fonctionnelle est innée. Cependant, cette observation n’est pas sans équivoques, le cerveau est aussi plastique : son organisation peut être influencée par des évènements survenant tôt dans la vie. Parmi les plus marquants, on retrouve la perte de vision précoce ou congénitale. En effet, il a été démontré à plusieurs reprises que, chez les personnes non-voyantes, les régions habituellement dédiées à la vision (ex. : lobes occipitaux) se réorganisent afin d’analyser des stimuli auditifs et tactiles. Les plus récentes études chez les non-voyants se sont intéressées à la relation entre la réorganisation des lobes occipitaux et les deux principes organisateurs fondamentaux du cerveau : la localisation fonctionnelle et l’intégration fonctionnelle. Le premier signifie que des fonctions spécifiques mobilisent des régions circonscrites du cerveau, tandis que le second signifie que les régions du cerveau communiquent entre elles afin de créer un tout cohérent. Toutefois, l’ampleur de l’effet de la cécité sur l’organisation du cerveau est encore inconnue. Premièrement, la topographie de modules possédant une fonction spécifique n’a encore jamais fait l’objet d’un examen direct, approfondi et holistique chez les non-voyants, et ce, malgré le fait qu’il s’agisse d’une caractéristique clef de la localisation fonctionnelle. En outre, les études examinant l’intégration fonctionnelle chez les non-voyants semblent en contradiction avec celles qui l’étudient de manière indirecte. Cette dépendance des résultats sur la méthode employée nécessite une étude approfondie des éléments influençant ces résultats afin que des conclusions appropriées puissent être tirées. Ainsi, bien que la plasticité cérébrale chez les personnes non-voyantes fasse l’objet de plusieurs études, son influence sur l’organisation fonctionnelle du cerveau reste à approfondir et est sujette à débats. De ces faits, l’objectif principal de la présente thèse est d’examiner l’influence de la cécité précoce sur la topographie des modules fonctionnels ainsi que sur l’intégration fonctionnelle. Pour cela, trois expériences distinctes ont été conduites. La première expérience a été élaborée afin de comparer la disposition spatiale des modules fonctionnels des voyants à celle des non-voyants. À cette fin, une méthode a été développée qui permettait d’examiner la question de manière holistique et sans biais à partir de données d’imagerie par résonance magnétique. Les résultats indiquent que seules les régions « visuelles » de bas niveau, les pôles occipitaux, sont sous-divisées de manière différente chez les personnes non-voyantes. À l’opposé, les régions de haut niveau maintiennent leur disposition spatiale. Ceci suggère que l’établissement de modules fonctionnels au sein du lobe occipital dépend à la fois d’entrées sensorielles visuelles, ainsi que du niveau hiérarchique de la région. La seconde expérience de cette thèse visait à examiner certains facteurs qui pourraient causer les contradictions observées par les études sur l’intégration fonctionnelle chez les non-voyants. Les données d’une des méthodes employées pour mesurer l’intégration fonctionnelle, l’état de repos mesuré par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ont été comparées à celles obtenues lorsque les participants se concentraient sur une tâche auditive. D’abord, les résultats démontrent une dépendance de l’intégration fonctionnelle sur l’état cognitif des participants, suggérant que les différences entre non-voyants et voyants observées jusqu’ici doivent être interprétées prudemment. De plus, et d’une importance inédite, les résultats démontrent que les pôles occipitaux possèdent des caractéristiques fonctionnelles différentes chez les non-voyants que chez les voyants. Ces caractéristiques suggèrent que les pôles sont impliqués dans un nombre plus important de réseaux chez les personnes non-voyantes. La troisième expérience de cette thèse a été conçue pour faire suite aux résultats des deux premières. Spécifiquement, elle valide une méthode qui sera employée afin d’examiner des régions qui, selon les deux premières expériences de cette thèse, possédaient des caractéristiques fonctionnelles réorganisées chez les personnes non-voyantes : les pôles occipitaux. Cette méthode, développée afin de contrôler la difficulté d’une tâche de perception de voix humaines, s’est avérée valide. Ainsi, elle pourra être employée lors d’études futures afin de désambiguïser la fonction des pôles occipitaux chez les non-voyants. De plus, les résultats de l’expérience révèlent plusieurs mécanismes d’action sous-jacents la perception de voix chez l’être humain. Globalement, les deux premières expériences constituant cette thèse mettent en évidence les caractéristiques fonctionnelles réorganisées au sein des pôles occipitaux chez les PNV, une région encore sous-étudiée chez cette population. La troisième étude présente une méthode permettant d’étudier ce phénomène. Les caractéristiques dévoilées par ces expériences pavent la voie vers de nouvelles hypothèses et études qui permettront d’approfondir notre conception du cerveau et de la plasticité cérébrale.The brain’s functional organization shows a remarkable similarity across individuals suggesting that its functional structure is innate. However, this observation is not unequivocal for the brain is also plastic; its organization is subject to changes following important early life experiences. Of such event, early or congenital vision-loss features among the most outstanding. Following blindness, cerebral regions usually involved with visual analysis (e.g. occipital lobes) are reorganized to process auditory, tactile, and olfactory stimuli, as well as higher order cognitive tasks such as memory and language. Recent studies on blind individuals have focused on the relationship between the reorganization of the occipital lobes and the fundamental organizational principles of the brain: functional localization and integration. The first indicates that specific functions take place within circumscribed cerebral regions, whereas the second indicates that these regions communicate together. However, the extent to which blindness influences the brain’s organization is still unknown. First, the topography of modules possessing specific functions has yet to be the object of a direct, in depth, and holistic investigation in blind people. This is true even though module topography is a key characteristic of spatially localized functions. Moreover, studies investigating functional integration in blind individuals appear to contradict those which study integration indirectly. The dependence of results upon the method employed demands further investigation of the elements that might influence integration so that appropriate conclusions can be drawn. Thus, even though blindness-induced brain plasticity has been the object of multiple studies, its influence upon cerebral organization is partly subject to debate, and must be further defined. Accordingly, the main objective of this thesis was to study the influence of early blindness upon the topography of functional modules and upon functional integration. In order to do so, three distinct experiments were carried. The first experiment was conceived so as to compare the spatial topographies of functional modules across blind and sighted participants. To this end, a holistic and bias-free method, which made use of resting-state functional magnetic resonance imagery, was developed. Results indicate that only blind people’s occipital poles possess modules which were topographically different from those found in sighted individuals whereas higher level “visual” areas do not show this effect. This suggests that the formation of functional modules within the “visual” cortices depends on both sensory inputs as well as the hierarchical level of a region. The second experiment of this thesis examined factors which might cause the contradictions observed by studies on blind people’s functional integration. Data obtained from a method devised to measure functional integration, resting-state functional magnetic resonance imagery, were compared to those obtained while participant focused on auditory stimuli. Results are twofold. First, results showed that group differences in functional integration vary as a function of the participant’s cognitive states, suggesting that differences in functional integration observed using resting-state fMRI should be interpreted with caution. Second, our results reveal novel findings pertaining to the occipital poles of blind people; these regions showed strikingly different characteristic following early visual loss which are suggestive of their role in a multitude of networks. The third experiment of this thesis was designed following the first two. Specifically, it validates a method to examine the functions of blind people’s occipital poles, a region which had been shown to possess reorganized functional characteristics by the first two experiments of this thesis. A new methodology was designed to control the difficulty of a voice discrimination task, showing its validity. Thus, it will be possible to use it in future studies to investigate the function of the occipital lobes in blind people. Furthermore, results from the experiment revealed multiple mechanisms which might underlie voice perception in humans. Overall, the experiments forming this thesis evidence a reorganisation of the occipital poles’ functional characteristics in early-blind individuals. Additionally, they provide methods needed to investigate the functions of this understudied region. Most importantly, the observation that blind people’s occipital poles show modified functional characteristics paves the way to new hypotheses and studies which will allow to further investigate and deepen our understanding of the human brain and its plasticity

Procesamiento visual en ciegos : un modelo para la posibilidad de producción de imágenes visuales sin percepción visual

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Óptica y Optometría, leída el 28-06-2022Muchos estudios han tratado de entender si los procesos de percepción visual y la formación de imágenes mentales (imaginería visual) comparten los mismos mecanismos o si son independientes y utilizan sustratos neurales diferentes. En esta tesis se revisan los trabajos más importantes que proporcionan evidencia para ambas afirmaciones. La mayoría de las investigaciones han determinado que es necesaria la activación de las áreas visuales primarias durante la imaginería visual. Nuestro objetivo principal para tratar de aclarar esta cuestión, fue evaluar la capacidad de generar representaciones visuales mentales sin percepción visual, utilizando el contenido visual de los sueños de ciegos congénitos (CB) y su correlación con los parámetros espectrales de su electroencefalograma (EEG) durante el sueño...Many studies have tried to understand whether the processes for visual perception and formation of mental images (visual imagery) share the same mechanisms or if they are independent and use different neural substrates. In this thesis, the most important works that provide evidence for both affirmations are reviewed. Most research has determined that activation of the primary visual areas is necessary during visual imagery.Our main objective in an effort to clarify this issue was to evaluate the ability to generate mental visual representations without visual perception, using visual content of congenitally blind (CB) subjects’ dreams and its correlation with spectral parameters of their electroencephalogram (EEG) during dream...Fac. de Óptica y OptometríaTRUEunpu