Unveiling Functional-Metabolic Synergy in the Healthy Brain: Multivariate Integration of Dynamic [18F]FDG-PET and Resting-State fMRI.

چکیده اصلی

Despite accounting for only 2% of body weight, the human brain requires significant amounts of glucose, even at rest, underscoring the importance of functional-metabolic relationships. Previous studies revealed moderate associations between resting-state fMRI functional connectivity (FC) and local metabolism via [18F]FDG-PET, yet much remains to be understood, particularly regarding their coupling between functional and metabolic networks. To this end, we employed multivariate Partial Least Squares Correlation (PLSC) to investigate the functional-metabolic relationship at both nodal and network levels. From dynamic [18F]FDG-PET data we estimated parameters describing glucose metabolism-delivery rate (K1), phosphorylation rate (k3), and fractional uptake (Ki)-and generated within-individual metabolic connectivity (MC) networks. FC was derived from fMRI data filtered into two frequency bands and summarized as region-wise strength to capture nodal characteristics. Our findings revealed that glucose delivery is linked with FC strength, particularly when fMRI signal frequencies include greater hemodynamic contributions. Even stronger functional-metabolic coupling occurs at the network level in the low-frequency fMRI band, with higher MC between sensory/attention and transmodal networks supporting stronger FC within sensory/attention areas. By leveraging PLSC, this work deepens our understanding of the functional-metabolic synergy in the healthy brain, providing new insights into its organization.

ترجمه فارسی چکیده

مغز انسان با وجود تنها ۲ درصد وزن بدن، مقدار زیادی گلوکز را حتی در حالت استراحت مصرف می‌کند که اهمیت روابط عملکردی-متابولیک را برجسته می‌سازد. مطالعات قبلی همبستگی‌های متوسطی را بین اتصال عملکردی (FC) fMRI حالت استراحت و متابولیسم محلی از طریق PET [18F]FDG نشان دادند، اما هنوز بسیاری از چیزها ناشناخته است، به‌ویژه در مورد جفت‌سازی بین شبکه‌های عملکردی و متابولیک. برای این منظور، ما از تحلیل همبستگی رگرسیون جزئی چندمتغیره (PLSC) برای بررسی رابطه عملکردی-متابولیک در سطح گره و شبکه استفاده کردیم. از داده‌های PET [18F]FDG پویا، پارامترهایی برای توصیف نرخ تحویل و متابولیسم گلوکز (K1)، نرخ فسفریلاسیون (k3) و جذب کسری (Ki) استخراج کردیم و شبکه‌های اتصال متابولیک (MC) درون‌فردی ایجاد کردیم. FC از داده‌های fMRI که در دو نوار فرکانسی فیلتر شده و به عنوان قدرت منطقه‌ای خلاصه شده بودند، به دست آمد. یافته‌های ما نشان داد که تحویل گلوکز با قدرت FC مرتبط است، به‌ویژه زمانی که مولفه‌های همودینامیکی سیگنال fMRI بیشتر باشد. همبستگی عملکردی-متابولیک قوی‌تری در سطح شبکه در نوار فرکانسی پایین fMRI مشاهده شد، با اتصال MC بالاتر بین شبکه‌های حسی/توجه و ترنس‌مودال که پشتیبانی‌کننده FC قوی‌تر در مناطق حسی/توجه است. با بهره‌گیری از PLSC، این کار درک عمیق‌تری از هم‌افزایی عملکردی-متابولیک در مغز سالم ایجاد می‌کند و بینش‌های جدیدی در مورد سازماندهی آن ارائه می‌دهد.

متن کامل اصلی