Identification of Abnormal Circuit Dynamics in Major Depressive Disorder via Multiscale Neural Modeling of Resting-State fMRI

功能磁共振成像 神经科学 静息状态功能磁共振成像 计算机科学 连接体 前额叶皮质 神经网络 重性抑郁障碍 神经生理学 人工智能 心理学 认知 功能连接
作者
Guoshi Li,Yujie Liu,Yan Zheng,Ye Wu,Pew Thian Yap,Shijun Qiu,Han Zhang,Dinggang Shen
出处
期刊:Lecture Notes in Computer Science 卷期号:: 682-690 被引量:3
标识
DOI:10.1007/978-3-030-32248-9_76
摘要

Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) studies have focused primarily on characterizing functional or effective connectivity of discrete brain regions. A major drawback of this approach is that it does not provide a mechanistic understanding of brain cognitive function or dysfunction at cellular and circuit levels. To overcome this limitation, we combined the methods of computational neuroscience with traditional macroscale connectomic analysis and developed a Multiscale Neural Model Inversion (MNMI) framework that links microscale circuit interaction with macroscale network dynamics and estimates both local coupling and inter-regional connections via stochastic optimization based on blood oxygen-level dependent (BOLD) rs-fMRI. We applied this method to the rs-fMRI data of 66 normal healthy subjects and 66 individuals with major depressive disorder (MDD) to identify potential biomarkers at both local circuit and global network level. Results suggest that the recurrent excitation and inhibition within the dorsal lateral prefrontal cortex (dlPFC) might be disrupted in MDD, consistent with the commonly accepted hypothetical model of MDD. In addition, recurrent excitation in the thalamus was found to be abnormally elevated, which may be responsible to abnormal thalamocortical oscillations often observed in MDD. Overall, our modeling approach holds the promise to overcome the limitation of traditional large-scale connectome modeling by providing hidden mechanistic insights into neuroanatomy, circuit dynamics and pathophysiology.
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