Basis profile curve identification to understand electrical stimulation effects in human brain networks.
Basis profile curve identification to understand electrical stimulation effects in human brain networks.
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DOI：
10.1371/journal.pcbi.1008710
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发表时间：
2021-09
影响因子：
4.3
通讯作者：
Hermes D
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Miller KJ;Müller KR;Hermes D
可以通过在一个区域发送短暂的电流脉冲，同时测量其他区域的电压响应来探索大脑网络。我们提出了一个收敛的范式来研究大脑动力学，集中在一个单一的大脑部位来观察刺激其他许多大脑部位的平均效果。以这种方式观察，时间反应形状中的视觉上明显的主题从相邻的刺激点出现。这项工作构建并说明了一种数据驱动的方法来确定这些响应形状中的特征时空结构，这些结构由一组独特的“基本轮廓曲线”(BPC)总结。每个BPC可以以自然的方式映射回潜在的解剖结构，使用简单的度量来量化来自每个刺激点的投影强度。我们的技术在一名人类患者身上进行了植入性脑表面电极阵列的演示。这一框架能够直接解释单脉冲脑刺激数据，并可普遍应用于探索组成连接体的不同交互环境。我们提出了一个新的机器学习框架来探索大脑区域如何使用单脉冲电刺激进行交互。与以前的研究不同，这种方法并不假设一个大脑区域将如何对另一个区域的刺激做出反应，而是从数据中及时发现反应的形状。我们将这一组发现的特征反应形状称为基本轮廓曲线(BPC)，并展示了如何将这些曲线定量地映射到大脑上。一个说明性的例子来自我们的一位人类患者，描述了对海马旁回的输入。代码包可以从https://purl.stanford.edu/rc201dv0636下载，因此读者可以使用自己的数据来探索这项技术，或者研究提供的样本数据来复制手稿中呈现的说明性案例。
Brain networks can be explored by delivering brief pulses of electrical current in one area while measuring voltage responses in other areas. We propose a convergent paradigm to study brain dynamics, focusing on a single brain site to observe the average effect of stimulating each of many other brain sites. Viewed in this manner, visually-apparent motifs in the temporal response shape emerge from adjacent stimulation sites. This work constructs and illustrates a data-driven approach to determine characteristic spatiotemporal structure in these response shapes, summarized by a set of unique “basis profile curves” (BPCs). Each BPC may be mapped back to underlying anatomy in a natural way, quantifying projection strength from each stimulation site using simple metrics. Our technique is demonstrated for an array of implanted brain surface electrodes in a human patient. This framework enables straightforward interpretation of single-pulse brain stimulation data, and can be applied generically to explore the diverse milieu of interactions that comprise the connectome. We present a new machine learning framework to probe how brain regions interact using single-pulse electrical stimulation. Unlike previous studies, this approach does not assume a form for how one brain area will respond to stimulation in another area, but rather discovers the shape of the response in time from the data. We call the set of characteristic discovered response shapes “basis profile curves” (BPCs), and show how these can be mapped back onto the brain quantitatively. An illustrative example is included from one of our human patients to characterize inputs to the parahippocampal gyrus. A code package is downloadable from https://purl.stanford.edu/rc201dv0636 so the reader may explore the technique with their own data, or study sample data provided to reproduce the illustrative case presented in the manuscript.
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