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Characterizing the connectome in schizophrenia with diffusion spectrum imaging

Résumé

Schizophrenia is a complex psychiatric disorder characterized by disabling symptoms and cognitive deficit. Recent neuroimaging findings suggest that large parts of the brain are affected by the disease, and that the capacity of functional integration between brain areas is decreased. In this study we questioned (i) which brain areas underlie the loss of network integration properties observed in the pathology, (ii) what is the topological role of the affected regions within the overall brain network and how this topological status might be altered in patients, and (iii) how white matter properties of tracts connecting affected regions may be disrupted. We acquired diffusion spectrum imaging (a technique sensitive to fiber crossing and slow diffusion compartment) data from 16 schizophrenia patients and 15 healthy controls, and investigated their weighted brain networks. The global connectivity analysis confirmed that patients present disrupted integration and segregation properties. The nodal analysis allowed identifying a distributed set of brain nodes affected in the pathology, including hubs and peripheral areas. To characterize the topological role of this affected core, we investigated the brain network shortest paths layout, and quantified the network damage after targeted attack toward the affected core. The centrality of the affected core was compromised in patients. Moreover the connectivity strength within the affected core, quantified with generalized fractional anisotropy and apparent diffusion coefficient, was altered in patients. Taken together, these findings suggest that the structural alterations and topological decentralization of the affected core might be major mechanisms underlying the schizophrenia dysconnectivity disorder.

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Cerveau
vignette|Cerveau d'un chimpanzé. Le cerveau est le principal organe du système nerveux des animaux bilatériens. Ce terme tient du langage courant (non scientifique) et chez les chordés, comme les humains, il peut désigner l'encéphale, ou uniquement une partie de l'encéphale, le prosencéphale (télencéphale + diencéphale), voire seulement le télencéphale. Néanmoins, dans cet article, le terme « cerveau » prend son sens le plus large. Le cerveau des chordés est situé dans la tête, protégé par le crâne chez les craniés, et son volume varie grandement d'une espèce à l'autre.
Cerveau humain
Le 'cerveau humain' a la même structure générale que le cerveau des autres mammifères, mais il est celui dont la taille relative par rapport au reste du corps est devenue la plus grande au cours de l'évolution. Si la baleine bleue a le cerveau le plus lourd avec contre environ pour celui de l'homme, le coefficient d'encéphalisation humain est le plus élevé et est sept fois supérieur à celui de la moyenne des mammifères.
IRM de diffusion
L’IRM de diffusion est une technique basée sur l' (IRM). Elle permet de calculer en chaque point de l'image la distribution des directions de diffusion des molécules d'eau. Cette diffusion étant contrainte par les tissus environnants, cette modalité d'imagerie permet d'obtenir indirectement la position, l’orientation et l’anisotropie des structures fibreuses, notamment les faisceaux de matière blanche du cerveau. Le signal de résonance magnétique provient le plus souvent en IRM des noyaux d’hydrogène (protons).
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