Identifying Emergent Mesoscopic–Macroscopic Functional Brain Network Dynamics in Infants at Term-Equivalent Age with Electric Source Neuroimaging

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作者
Steve Mehrkanoon,B. Boashash,Paul B. Colditz
出处
期刊:Brain connectivity [Mary Ann Liebert, Inc.]
卷期号:11 (8): 663-677 被引量:1
标识
DOI:10.1089/brain.2020.0965
摘要

Aim: To identify and characterize the functional brain networks at the time when the brain is yet to develop higher order functions in term-born and preterm infants at term-equivalent age. Introduction: Although functional magnetic resonance imaging (fMRI) data have revealed the existence of spatially structured resting-state brain activity in infants, the temporal information of fMRI data limits the characterization of fast timescale brain oscillations. In this study, we use infants' high-density electroencephalography (EEG) to characterize spatiotemporal and spectral functional organizations of brain network dynamics. Methods: We used source-reconstructed EEG and graph theoretical analyses in 100 infants (84 preterm, 16 term born) to identify the rich-club topological organization, temporal dynamics, and spectral fingerprints of dynamic functional brain networks. Results: Five dynamic functional brain networks are identified, which have rich-club topological organizations, distinctive spectral fingerprints (in the delta and low-alpha frequency), and scale-invariant temporal dynamics (<0.1 Hz): The default mode, primary sensory-limbic system, thalamo-frontal, thalamo-sensorimotor, and visual-limbic system. The temporal dynamics of these networks are correlated in a hierarchically leading-following organization, showing that infant brain networks arise from long-range synchronization of band-limited cortical oscillation based on interacting fast- and slow-coherent cortical oscillations. Conclusion: Dynamic functional brain networks do not solely depend on the maturation of cognitive networks; instead, the brain network dynamics exist in infants at term age well before the childhood and adulthood, and hence, it offers a quantitative measurement of neurotypical development in infants. Clinical Trial Registration Number: ACTRN12615000591550. Impact statement Our work offers novel functional insights into the brain network characterization in infants, providing a new functional basis for future deployable prognostication approaches.
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