Best practices in data analysis and sharing in neuroimaging using MRI

Given concerns about the reproducibility of scientific findings, neuroimaging must define best practices for data analysis, results reporting, and algorithm and data sharing to promote transparency, reliability and collaboration. We describe insights from developing a set of recommendations on behalf of the Organization for Human Brain Mapping, and identify barriers that impede these practices, including how the discipline must change to fully exploit the potential of the world’s neuroimaging data

Best practices in data analysis and sharing in neuroimaging using MRI

Given concerns about the reproducibility of scientific findings, neuroimaging must define best practices for data analysis, results reporting, and algorithm and data sharing to promote transparency, reliability and collaboration. We describe insights from developing a set of recommendations on behalf of the Organization for Human Brain Mapping, and identify barriers that impede these practices, including how the discipline must change to fully exploit the potential of the world’s neuroimaging data

Electroencefalografía cuantitativa durante procesos previos a la atención en adultos con déficit de atención e hiperactividad

En el presente estudio analicé los procesos de reconocimiento de objetos y de atención selectiva, entre sujetos con TDAH y sujetos sin el trastorno. Utilicé pruebas computarizadas de "búsqueda visual" y "selección de imagen" modificadas de Treisman (1986) y Rock y Gutman (1981), respectivamente. Registré la actividad eléctrica cerebral en cinco condiciones diferentes: control ojos cerrados, control ojos abiertos, control ojos abiertos activos, ejecución de la prueba de búsqueda visual y ejecución de la prueba de selección de imagen. Para realizar las comparaciones entre los grupos y entre las distintas condiciones, se calcularon los espectros de poder correspondientes y, a partir de ellos, se construyeron mapas topográficos. Los sujetos con TDAH, en comparación con los sujetos sin TDAH, no mostraron diferencias significativas en sus puntajes, en la prueba de reconocimiento de objetos "búsqueda visual". Sin embargo, en la prueba de atención selectiva "selección de imagen", obtuvieron un puntaje mayor. En la condición de reposo con los ojos cerrados, el grupo experimental mostró una menor amplitud beta en regiones frontales, centrales y posteriores, y una menor amplitud alfa principalmente en las regiones frontales y posteriores. En la condición de reposo con los ojos abiertos, los sujetos con TDAH, presentaron una menor amplitud de la banda beta en regiones frontales y posteriores. En la condición ojos abiertos activos, se encontró en el grupo experimental, una menor amplitud de la banda beta en regiones frontales, centrales y posteriores. Durante la ejecución de la prueba de reconocimiento de objetos, los sujetos con TDAH, obtuvieron una menor amplitud beta en algunas áreas frontales y posteriores y una menor amplitud alfa en regiones frontales, centrales y posteriores. En lo que respecta a la comparación entre la condición OAA y la prueba de reconocimiento de objetos, los sujetos del GE obtuvieron una menor amplitud alfa en regiones centrales. Asimismo, mostraron una mayor amplitud de la banda mayor amplitud delta en zonas frontales, una mayor amplitud theta en zonas posteriores y centrales y una mayor amplitud eta en regiones frontales, centrales y posteriores. Durante la ejecución de la prueba de atención selectiva, el grupo experimental mostró una amplitud delta y alfa en regiones centrales. Asimismo, obtuvieron una mayor amplitud beta en regiones frontales, centrales y posteriores. En lo que respecta a la comparación entre la condición OAA y la prueba de atención selectiva, las personas con TDAH, mostraron una mayor amplitud delta en regiones frontales y mayor amplitud beta en casi todas las áreas cerebrales. En conclusión, hasta donde sé, mi investigación analizó por primera vez en adultos con TDAH la actividad eléctrica durante la realización de pruebas cognoscitivas de reconocimiento de objetos y de atención selectiva. En los sujetos con TDAH la amplitud de beta fue mayor durante la ejecución de la prueba de atención selectiva. Además, obtuvieron puntajes mayores durante su realización. Estos hallazgos sugieren una falla en su proceso de selección de estímulos que implica dificultad para atender a aquellos que son relevantes. Dichas alteraciones podrían explicar las manifestaciones clínicas de desatención características de los adultos con TDAH

Brain anatomy of attention deficit/hyperactivity disorder in children and adults with childhood onset

El trastorno por déficit de atención e hiperactividad (TDAH) es uno de los trastornos del neurodesarrollo más comunes en niños. Los principales síntomas son la inatención, impulsividad e hiperactividad. El TDAH se presenta en un 8 a 12% de la población escolar mundial; la mayoría (60-85%) continua presentando los criterios diagnósticos durante la adolescencia. Estudios de neuroimagen volumétricos en niños con TDAH han encontrado de manera consistente reducciones globales del volumen total cerebral con una mayor tendencia a la reducción de regiones fronto-estriatales, cerebelo y parietales-temporales comparándolos con niños controles (desarrollo típico). El diagnostico de TDAH en adultos requiere de haberse presentado en la niñez, en la actualidad ya se ha confirmado que la persistencia de los síntomas puede continuar hasta la edad adulta. El uso de diferentes técnicas de neuroimagen realizados por diferentes grupos de investigación han ayudado a la mejora del entendimiento de los sustratos neurológicos que están por detrás de la patofisiología de TDAH. Hoy en día, los investigadores han hecho énfasis en las contribuciones potenciales de la disfunción de circuitos cerebrales, en vez de enfocarse solamente en anormalidades de regiones por separado. En consecuencia, el objetivo principal de la presente tesis es examinar los sustratos neurales del TDAH aplicando tres diferentes técnicas de neuroimagen. El objetivo secundario es analizar si estas diferencias están relacionadas con el diagnostico de TDAH en la niñez o si están relacionadas con la persistencia de los síntomas en la edad adulta. Los resultados del presente estudio están divididos en dos principalmente. Primero, en una muestra grande de niños y adolescentes con TDAH, se encontró una reducción volumétrica significativa en el estriado ventral, una región considerada como clave en los procesos de recompensa y relacionada con los circuitos cortico-striato-thalamo-coticales (circuito de recompenza). En segundo lugar, los adultos que fueron diagnosticados con TDAH en la niñez, mostraron una reducción tanto en el grosor cortical como el volumen de la sustancia gris en regiones parietales y motoras (Circuito dorsal atencional). La mayoría de estas diferencias se observaron independientemente del diagnóstico actual de los sujetos. En otras palabras, estas diferencias fueron, estas diferencias fueron encontradas en aquellos sujetos que persistieron con los síntomas en la edad adulta y también en los que remitieron el diagnostico. En contraste, las regiones implicadas en el circuito de recompensa fueron disminuidas en los que persistieron pero no en los que remitieron. Por lo tanto, las diferencias en estas ultimas regiones (estriado ventral en niños, corteza orbitofrontal, parahipocampo, tálamo, polo frontal en adultos con TDAH) están relacionadas con el diagnostico actual del trastorno; mientras que las diferencias en el circuito dorsal atencional parecen estar más implicado con haber tenido TDAH en edad temprana. Nuestros datos nos permiten sugerir una hipótesis integrativa de disfunción en el circuito de la recompesa, que esta particularmente afectado en niños y adolescentes con TDAH y en adultos con persistencia de TDAH; a su vez el circuito atencional dorsal está más relacionado con funciones ejecutivas y atencionales y esto se ve reflejado en los sujetos que han tenido TDAH en la niñez sin importar que en la actualidad (edad adulta) presenten o no síntomas de TDAH. En base a nuestros datos, se propone un modelo de fisiopatología del TDAH que envuelve dos circuitos principalmente. El circuito dorsal atencional, que parece estar más reflejado con factores genéticos. Por el contrario, diferencias anatómicas en el circuito de recompensa está relacionado con los síntomas actuales de TDAH. Sin embargo no podemos diferenciar con nuestros datos, si las diferencias encontradas son la base de la remisión de los síntomas o si son cambios en los circuitos cerebrales que están reflejando una remodelación secundaria de los efectos del comportamiento, como aprendizaje o refuerzo selectivo. Esta pregunta deberá intentar abordarse en futuras investigaciones longitudinales y con técnicas de neuroimagen que incorporen también factores genéticos y métodos de seguimiento del tratamiento.Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD) is one of the most common neurodevelopmental disorders occurring in childhood. The main symptoms are developmentally excessive levels of inattention, impulsivity and hyperactivity. ADHD occurs in 8 to 12% of school age children worldwide; the majority (60%-85%) continues to meet criteria for the disorder during their teenage years. Volumetric studies in children with Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD) have consistently found global reductions of total brain volume with frontal-striatal regions, cerebellum and parieto-temporal regions particularly affected relative to typically developing subjects. The adult diagnosis of ADHD requires onset in childhood, but persistence of ADHD into adulthood is now well documented. This longitudinal course together with smaller brain volumes in children with ADHD has raised questions about brain development into adulthood. The use of different neuroimaging techniques by independent groups is leading to an improved understanding of the neural substrates underlying the pathophysiology of ADHD. Nowadays, researchers have begun to place more emphasis on the potential contributions of dysfunctional brain circuits, rather than isolated regional abnormalities. Therefore, the aim of this thesis is to examine the neural substrates of ADHD by applying three different anatomic neuroimaging approaches. A secondary aim is to analyze whether these brain differences are related with the diagnosis of ADHD in childhood or whether it is associated with the persistence of the diagnosis in adulthood. The results of the present dissertation are two-fold. First, in a large sample of children and adolescents with ADHD, we found a striking volumetric reduction in the ventral striatum, a region critically involved in reward processes that is a key relay in cortical-striatal-thalamo-cortical circuits (reward circuit). Second, in adults diagnosed with ADHD in childhood, we found reduced cortical thickness and voxel-based morphometry (VBM) gray matter volume in parietal and motor regions (Dorsal attentional network). Most of these differences were independent of current adult diagnoses status. In other words, these differences were largely found in both individuals with persistent ADHD and in those who were in remission. By contrast, reward-related regions were diminished in probands with persistent ADHD compared to controls but not in those who were in remission. Thus differences in reward-related circuitry (ventral striatum in children, orbitofrontal cortex, parahippocampus, thalamus, and frontal pole in adults) were associated with the current diagnosis of ADHD, whereas frontal-parietal motor cortex differences in adults with ADHD seem to reflect the trait of having had ADHD in childhood. Our data allow us to suggest an overall integrative hypothesis that dysfunction in the reward circuit, which was particularly prominent in children and adolescents with ADHD and in the adults with persistent ADHD, reflects ongoing symptoms of ADHD. By contrast, abnormalities in the top-down control dorsal attentional network seem to be related to the trait of having had ADHD in childhood, as the abnormalities were comparable in adults who had remitted or who had persistent ADHD. On the basis of our data, we propose a model of ADHD physiopathology in which two main circuits interact. These are the dorsal attentional network, which seems to be anatomically abnormal in individuals with a history of ADHD, whether or not they are currently affected. As such, we hypothesize that dorsal attentional network deficiencies may be related to the genetic factors associated with ADHD. By contrast, anatomic abnormalities in the reward circuit appear to be related to current ADHD symptoms. Based on our data, we cannot differentiate whether anatomic changes in the reward circuits are the basis for symptomatic remission, or whether such changes in brain circuits reflect brain remodeling secondary to behavioral effects, such as learning and selective reinforcement. This question will have to be addressed in the future through longitudinal brain imaging studies that can incorporate genetic factors and treatment tracking methods

Connectivity

The connectivity of neuronal systems is their most fundamental characteristic. Here, we focus on recent developments in understanding structural and functional connectivity at the macroscale, which is accessible with current imaging technology. Structural connectivity is examined via diffusion weighted imaging methods, of which diffusion tensor imaging is the most frequently used. Many cross-sectional and an increasing number of longitudinal studies using diffusion tensor imaging have been recently conducted over the period of development starting with newborns. Functional connectivity has been studied through task-based functional magnetic resonance imaging, and increasingly through studies on task-free functional imaging, also known as resting state functional imaging. The study of intrinsic functional connectivity beginning during fetal life reveals the developmental organization of intrinsic connectivity networks such as the default mode network, the dorsal attention network, the frontal-parietal executive control network, as well as primary cortical networks. As methods of examining both structural and functional connectivity mature, they increasingly inform our understanding of the development of connectivity in service of the long-term goal of delineating the substrates of much of developmental psychopathology

Brain anatomy of attention deficit/hyperactivity disorder in children and adults with childhood onset

El trastorno por déficit de atención e hiperactividad (TDAH) es uno de los trastornos del neurodesarrollo más comunes en niños. Los principales síntomas son la inatención, impulsividad e hiperactividad. El TDAH se presenta en un 8 a 12% de la población escolar mundial; la mayoría (60-85%) continua presentando los criterios diagnósticos durante la adolescencia. Estudios de neuroimagen volumétricos en niños con TDAH han encontrado de manera consistente reducciones globales del volumen total cerebral con una mayor tendencia a la reducción de regiones fronto-estriatales, cerebelo y parietales-temporales comparándolos con niños controles (desarrollo típico). El diagnostico de TDAH en adultos requiere de haberse presentado en la niñez, en la actualidad ya se ha confirmado que la persistencia de los síntomas puede continuar hasta la edad adulta. El uso de diferentes técnicas de neuroimagen realizados por diferentes grupos de investigación han ayudado a la mejora del entendimiento de los sustratos neurológicos que están por detrás de la patofisiología de TDAH. Hoy en día, los investigadores han hecho énfasis en las contribuciones potenciales de la disfunción de circuitos cerebrales, en vez de enfocarse solamente en anormalidades de regiones por separado. En consecuencia, el objetivo principal de la presente tesis es examinar los sustratos neurales del TDAH aplicando tres diferentes técnicas de neuroimagen. El objetivo secundario es analizar si estas diferencias están relacionadas con el diagnostico de TDAH en la niñez o si están relacionadas con la persistencia de los síntomas en la edad adulta. Los resultados del presente estudio están divididos en dos principalmente. Primero, en una muestra grande de niños y adolescentes con TDAH, se encontró una reducción volumétrica significativa en el estriado ventral, una región considerada como clave en los procesos de recompensa y relacionada con los circuitos cortico-striato-thalamo-coticales (circuito de recompenza). En segundo lugar, los adultos que fueron diagnosticados con TDAH en la niñez, mostraron una reducción tanto en el grosor cortical como el volumen de la sustancia gris en regiones parietales y motoras (Circuito dorsal atencional). La mayoría de estas diferencias se observaron independientemente del diagnóstico actual de los sujetos. En otras palabras, estas diferencias fueron, estas diferencias fueron encontradas en aquellos sujetos que persistieron con los síntomas en la edad adulta y también en los que remitieron el diagnostico. En contraste, las regiones implicadas en el circuito de recompensa fueron disminuidas en los que persistieron pero no en los que remitieron. Por lo tanto, las diferencias en estas ultimas regiones (estriado ventral en niños, corteza orbitofrontal, parahipocampo, tálamo, polo frontal en adultos con TDAH) están relacionadas con el diagnostico actual del trastorno; mientras que las diferencias en el circuito dorsal atencional parecen estar más implicado con haber tenido TDAH en edad temprana. Nuestros datos nos permiten sugerir una hipótesis integrativa de disfunción en el circuito de la recompesa, que esta particularmente afectado en niños y adolescentes con TDAH y en adultos con persistencia de TDAH; a su vez el circuito atencional dorsal está más relacionado con funciones ejecutivas y atencionales y esto se ve reflejado en los sujetos que han tenido TDAH en la niñez sin importar que en la actualidad (edad adulta) presenten o no síntomas de TDAH. En base a nuestros datos, se propone un modelo de fisiopatología del TDAH que envuelve dos circuitos principalmente. El circuito dorsal atencional, que parece estar más reflejado con factores genéticos. Por el contrario, diferencias anatómicas en el circuito de recompensa está relacionado con los síntomas actuales de TDAH. Sin embargo no podemos diferenciar con nuestros datos, si las diferencias encontradas son la base de la remisión de los síntomas o si son cambios en los circuitos cerebrales que están reflejando una remodelación secundaria de los efectos del comportamiento, como aprendizaje o refuerzo selectivo. Esta pregunta deberá intentar abordarse en futuras investigaciones longitudinales y con técnicas de neuroimagen que incorporen también factores genéticos y métodos de seguimiento del tratamiento.Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD) is one of the most common neurodevelopmental disorders occurring in childhood. The main symptoms are developmentally excessive levels of inattention, impulsivity and hyperactivity. ADHD occurs in 8 to 12% of school age children worldwide; the majority (60%-85%) continues to meet criteria for the disorder during their teenage years. Volumetric studies in children with Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD) have consistently found global reductions of total brain volume with frontal-striatal regions, cerebellum and parieto-temporal regions particularly affected relative to typically developing subjects. The adult diagnosis of ADHD requires onset in childhood, but persistence of ADHD into adulthood is now well documented. This longitudinal course together with smaller brain volumes in children with ADHD has raised questions about brain development into adulthood. The use of different neuroimaging techniques by independent groups is leading to an improved understanding of the neural substrates underlying the pathophysiology of ADHD. Nowadays, researchers have begun to place more emphasis on the potential contributions of dysfunctional brain circuits, rather than isolated regional abnormalities. Therefore, the aim of this thesis is to examine the neural substrates of ADHD by applying three different anatomic neuroimaging approaches. A secondary aim is to analyze whether these brain differences are related with the diagnosis of ADHD in childhood or whether it is associated with the persistence of the diagnosis in adulthood. The results of the present dissertation are two-fold. First, in a large sample of children and adolescents with ADHD, we found a striking volumetric reduction in the ventral striatum, a region critically involved in reward processes that is a key relay in cortical-striatal-thalamo-cortical circuits (reward circuit). Second, in adults diagnosed with ADHD in childhood, we found reduced cortical thickness and voxel-based morphometry (VBM) gray matter volume in parietal and motor regions (Dorsal attentional network). Most of these differences were independent of current adult diagnoses status. In other words, these differences were largely found in both individuals with persistent ADHD and in those who were in remission. By contrast, reward-related regions were diminished in probands with persistent ADHD compared to controls but not in those who were in remission. Thus differences in reward-related circuitry (ventral striatum in children, orbitofrontal cortex, parahippocampus, thalamus, and frontal pole in adults) were associated with the current diagnosis of ADHD, whereas frontal-parietal motor cortex differences in adults with ADHD seem to reflect the trait of having had ADHD in childhood. Our data allow us to suggest an overall integrative hypothesis that dysfunction in the reward circuit, which was particularly prominent in children and adolescents with ADHD and in the adults with persistent ADHD, reflects ongoing symptoms of ADHD. By contrast, abnormalities in the top-down control dorsal attentional network seem to be related to the trait of having had ADHD in childhood, as the abnormalities were comparable in adults who had remitted or who had persistent ADHD. On the basis of our data, we propose a model of ADHD physiopathology in which two main circuits interact. These are the dorsal attentional network, which seems to be anatomically abnormal in individuals with a history of ADHD, whether or not they are currently affected. As such, we hypothesize that dorsal attentional network deficiencies may be related to the genetic factors associated with ADHD. By contrast, anatomic abnormalities in the reward circuit appear to be related to current ADHD symptoms. Based on our data, we cannot differentiate whether anatomic changes in the reward circuits are the basis for symptomatic remission, or whether such changes in brain circuits reflect brain remodeling secondary to behavioral effects, such as learning and selective reinforcement. This question will have to be addressed in the future through longitudinal brain imaging studies that can incorporate genetic factors and treatment tracking methods

Toward systems neuroscience of ADHD: a meta-analysis of 55 fMRI studies

ObjectiveThe authors performed a comprehensive meta-analysis of task-based functional MRI studies of attention deficit hyperactivity disorder (ADHD).MethodThe authors searched PubMed, Ovid, EMBASE, Web of Science, ERIC, CINAHAL, and NeuroSynth for studies published through June 30, 2011. Significant differences in brain region activation between individuals with ADHD and comparison subjects were detected using activation likelihood estimation meta-analysis. Dysfunctional regions in ADHD were related to seven reference neuronal systems. The authors performed a set of meta-analyses focused on age groups (children and adults), clinical characteristics (history of stimulant treatment and presence of psychiatric comorbidities), and specific neuropsychological tasks (inhibition, working memory, and vigilance/attention).ResultsFifty-five studies were included (39 for children and 16 for adults). In children, hypoactivation in ADHD relative to comparison subjects was observed mostly in systems involved in executive function (frontoparietal network) and attention (ventral attentional network). Significant hyperactivation in ADHD relative to comparison subjects was observed predominantly in the default, ventral attention, and somatomotor networks. In adults, ADHD-related hypoactivation was predominant in the frontoparietal system, while ADHD-related hyperactivation was present in the visual, dorsal attention, and default networks. Significant ADHD-related dysfunction largely reflected task features and was detected even in the absence of comorbid mental disorders or a history of stimulant treatment.ConclusionsA growing literature provides evidence of ADHD-related dysfunction in multiple neuronal systems involved in higher-level cognitive functions but also in sensorimotor processes, including the visual system, and in the default network. This meta-analytic evidence extends early models of ADHD pathophysiology that were focused on prefrontal-striatal circuits.<br/

White matter alterations at 33-year follow-up in adults with childhood attention-deficit/hyperactivity disorder

BackgroundAttention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) is increasingly conceived as reflecting altered functional and structural brain connectivity. The latter can be addressed with diffusion tensor imaging (DTI). We examined fractional anisotropy (FA), a DTI index related to white matter structural properties, in adult male subjects diagnosed with ADHD in childhood (probands) and matched control subjects without childhood ADHD. Additionally, we contrasted FA among probands with and without current ADHD in adulthood and control subjects.MethodsParticipants were from an original cohort of 207 boys and 178 male control subjects. At 33-year follow-up, analyzable DTI scans were obtained in 51 probands (41.3±2.8 yrs) and 66 control subjects (41.2±3.1 yrs). Voxel-based FA was computed with tract-based spatial statistics, controlling for multiple comparisons.ResultsProbands with childhood ADHD exhibited significantly lower FA than control subjects without childhood ADHD in the right superior and posterior corona radiata, right superior longitudinal fasciculus, and in a left cluster including the posterior thalamic radiation, the retrolenticular part of the internal capsule, and the sagittal stratum (p&lt;.05, corrected). Fractional anisotropy was significantly decreased relative to control subjects in several tracts in both probands with current and remitted ADHD, who did not differ significantly from each other. Fractional anisotropy was not significantly increased in probands in any region.ConclusionsDecreased FA in adults with childhood ADHD regardless of current ADHD might be an enduring trait of ADHD. White matter tracts with decreased FA connect regions involved in high-level as well as sensorimotor functions, suggesting that both types of processes are involved in the pathophysiology of ADHD.<br/