مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

شش بلوک روشن خاموش از ۱۵ نمونه، هرکدام در حبس کردن تنفس و fMRI وظیفه اجباری استفاده شدند: ۵ نمونه روش ( به ترتیب مربوط به استنشاق و حبس کردن نفس و یا کار اجباری) و ۱۰ نمونه خاموش (به ترتیب مربوط به تنفس طبیعی یا در حال استراحت/ عمل غیر دستوری). حین fMRI، بیماران پس از شنیدن دستورالعمل‌ها یک عمل حرکتی و/ یا سه عمل گفتاری را انجام دادند. برای مشاهده تمام وظایف انجام شده به جدول ۱ مراجعه نمایید. وظایف حرکتی شامل ضربه زدن انگشت در هر دو سمت، ضربه زدن دست و پا، و چرخاندن زبان. در عمل ضربه زنی انگشت از بیمار درخواست شد که با انگشت شست پشت سرهم چهار انگشت دیگر را لمس کند و مجدداً این کار را شروع کند. این امر با سرعت تقریباً دو انگشت در ثانیه انجام شد و قبل از جلسه fMRI تمرین شد. در عمل چرخاندن زبان، از بیماران خواسته شد که حرکت جانبی کوچک زبان را بدون گشودن دهان انجام دهند. در عمل «ضربه زنی پا و دست»، کار ضربه زدن انگشت با ضربه زنی پا ترکیب شد. وظیفه گفتاری عبارت بودند از «حروف»، «افعال»، «شنیداری‌ها» و «طبقات». در وظیفه «حروف»، از بیماران خواسته شد تا واژگان را با یک حرف معین بطور پانتومیم تولید کند. در عمل «افعال»، به بیماران با اسمی داده شد و درخواست کردیم تا کلمات عملیاتی مرتبط با آن تولید کنند. در وظیفه «شنوایی» از بیماران خواسته شد که به انواع متفاوتی از ظایف نامگذاری پاسخ دهند (به عنوان مثال شما با چه چیزی موهایتان را اصلاح می‌کنید؟) و باید بصورت پانتومیم به سوالات پاسخ دهند و از ادای شفاهی آن اجتناب کنند. در عمل « دسته‌بندی»، به بیماران یک طبقه‌بندی مافوق ارائه شد و خواستیم که واژگان وابسته را مطابق با این دسته تولید کنند. برای حبس کردن نفس، به یماران دستور داده شد که یک نفس عمیق بکشند (که حدود ۲ ثانیه طول کشید) و سپس قبل از تنفس مجدد معمولی به مدت ۱۸ ثانیه آن را نگه دارند. حبس کردن نفس و fMRI وظیفه‌ای با مجموع ۹۰ نمونه در مجموع (۶ بلوک خاموش/روشن از ۱۵ نمونه) طی زمان اسکن ۶ دقیقه‌ای برای هر بیمار بدست آمد.
شدت حرکت سر در حبس کردن نفس و اسکن‌های وظیفه با استفاده از شش سری زمانی پارامتر چرخش و ترجمه‌ای اندازه‌گیری شد که از عمل ثبت همزمان سه در AFNI بدست آمد. این پارامترهای حرکتی اسکن‌های حبس کردن نفس و وظیفه‌ دستوری به یک عدد واحد به صورت زیر تبدیل شدند: میانگین مجموع مربع سه پارامتر ترجمه‌ای به میانگین مجموع مربعات پارامترهای چرخشی برای اسکن حبس کردن نفس اضافه شد و سپس این مجموع به میانگین مجموع مربع پارامترهای اسکن وظیفه دستوری معادل افزوده شد. این محاسبه برای تمام ۲۱ اسکن انجام شد و نتایج به ترتیب رتبه (رتبه کوچک معادل حرکت نسبتاً قوی) مرتب شدند و در جدول ۱ ارائه شده‌اند.

تحلیل داده‌های fMRI
تمام تجزیه و تحلیل داده‌های fMRI و تصویربرداری اکو پلانار (EPI) حبس کردن تنفس با AFNI [19] و MATLAB ورژن b 2007 (Mathworks) انجام شد.
پیش پردازش به شرح زیر انجام پذیرفت: تصحیح حرکت، ایجاد آستانه مغزی در مقابل پس زمینه، پاک کردن روند خطی واکسل ویز از سری‌های زمانی و صاف کردن فضایی واقع در صفحه با هسته گاوسین از کل عرض در نیمه حداکثر = ۳ واکسل.
پس از آن نقشه‌های پارامتری به صورت زیر تولید شدند: اول، نقشه‌های راکتیویته عروقی از طریق همبستگی سری‌های زمان پاسخ حبس کردن نفس x_t با واکسل ویز شاخص عمل دستوری یا مطلوب، تابع I_t تولید شدند، که به عنوان I_t=1 برای نمونه‌های حبس کردن تنفس یا کار دستوری و I_t=0 برای نمونه‌های نفس کشیدن عادی یا در حالت استراحت تعریف شده است. دوماً، تصاویر وظیفه دستوری پارامتری با استفاده از سه روش متفاوت ایجاد شدند: ۱٫ تحلیل استاندارد براساس همبستگی سیگنال BOLD با تابع ایده‌آل،۲٫ تجزیه و تحلیل استاندارد تصحیح شده بر اساس انسجام بین سیگنال BOLD و تابع ایده‌آل، و ۳٫ تجزیه و تحلیل مبتنی بر انسجام که ارزشیابی راکتیویته عروقی را از داده‌های حبس کردن نفس شامل می‌شود.

۱٫ تجزیه و تحلیل استاندارد بر اساس ضرایب همبستگی
در این روش استاندارد، تابع شاخص ایده‌آل یا عمل دستوری I_t که دارای اعداد ۱ و ۰ است برای بیان زمان‌بندی پارادایم‌های حرکتی و گفتاری استفاده شدند. این روش نیز به عنوان یک تقریب دقیق از تابع پاسخ همودینامیکی ht نیز استفاده شد. تصاویر فعالسازی عمل دستوری با همبستگی سیگنال در هر وکسل یعنی yt با تابع یکنواخت ایده‌آل تعریف شدند و ضریب همبستگی خطی پیرسون R (yt، It) بدست آمد. پاسخ وظیفه دستوری مثبت خیلی مهم مثبت برای R (yt، It)> 0.55 بیان شد. این میزان با میانگین p-value p = 1 × ۱۰^(-۵) متناظر است، به منظور مقایسه با انسجام به عنوان یک آستانه خاص در شبیه سازی‌های عددی تنظیم می‌شود (ادامه را مشاهده نمایید). با این حال، احتمال دنباله یکطرفه برای همبستگی خطی پیرسون R (yt، It) = 0.55 برابراست با p = 1.3 × ۱۰^(-۸) است. به عبارت دیگر، ارزش p-value دوم به عنوان آماره آزمون برای تعیین اهمیت یک وکسل بکار رفته است. این یک آستانه کاملاً احتیاطی است حتی اگر مشکل آزمون چندگانه در نظر گرفته شود. علاوه بر این، یک آستانه خوشه‌ای ساده استفاده شد؛ فقط خوشه‌های دارای با حداقل دو واکسل مجاور فعالسازی در نقشه‌های نهایی ضرایب همبستگی باقی ماندند.

۲٫ تحلیل استاندارد اصلاح شده براساس انسجام
انسجام طیفی بین دو سیگنال کوچکتر یا مساوی است با ۱ و برای وابستگی خطی برابر ۱ است. حداکثر میزان همگرایی بین I_t و yt C (yt، It) در یک فاصله (۰٫۰۰۶ هرتز، ۰۲۸ هرتز)، در مرکز فرکانس وظیفه دستوری بلوک ۰٫۰۱۷ هرتز به عنوان آماره آزمون استفاده شد. آستانه معنادار متناظر با میانگین p-value p = 1 × ۱۰^(-۵) به وسیله شبیه‌سازی مونت کارلو تعیین شد و در C (yt، It) = 0.79 مشاهده شد. فقط خوشه‌های دارای حداقل دو وکسل مجاور فعالسازی در تصاویر انسجام نهایی حفظ شدند.

۳٫ تحلیلی انسجامی که ارزشیابی راکتیویته عروقی را از داده‌های حبس کردن تنفس بدست می‌آورد
فرض رایج و معمولی در بنیادی‌ترین مدلسازی خطی پایه پاسخ‌های BOLD مدل زیر است
y_t= 〖ah〗_t+ ε_t
که در فرمول ht پاسخ همودینامیک است، a یک ضریب برآورد شده از yt است و ε_t نویزی است که توسط مدل ضبط نشده است. معمولاً پاسخ همودینامیکی به طور مستقل از موضع یا یکنواختی در تمام مغز در نظر گرفته می‌شود. با در نظر گرفتن احتمال وابستگی ht به موضع واقع در مغز، که برای ارزیابی تأثیر ذخایر عروقی تغییر یافته با حضور تومورها ضروری است در اینجا فرض کردیم که ht بسته به موضع مغز تغییر می‌کند و می‌توان با اندازه‌گیری راکتیویته عروقی xt مدلسازی شود که از اسکن‌های حبس کردن تنفس با زمان یکسان به عنوان عمل دستوری در یک آزمایش اضافی fMRI در همان بیمار بدست آمد. این فرضیه با مشاهده تأیید شده است که پاسخ عمل دستوری yt و پاسخ حبس کردن تنفس xt غالباً به طور همزمان با I_t در وکسل‌هایی همبستگی یا مخالف بودند که فعالسازی عمل دستوری مهمی مشاهده شد، (به بخش یافته‌ها مراجعه نمایید). براساس این وابستگی ناشناخته میان پاسخ عمل دستوری و پاسخ حبس کردن نفس (راکتیویته عروقی) ما مدل خطی را فرض کردیم، مدل خطی را فرض کردیم.
h_t= L_0 [X_t]
که Xt یک الگوی موضعی راکتیویته عروقی است که از سیگنال حبس کردن نفس X_t ناشی می‌شود و L0 یک تابع خطی است. برای مثال این رابطه تأخیرهای احتمالی میان xt و yt را در نظر می‌گیرد. اکنون مدل پاسخ عمل دستوری را می‌توان بصورت زیر نوشت
y_t=L[X_t ]+ ε_t
مجدداً دارای وابستگی خطی کلی ناشناخته L است. بنابراین درجه وابستگی را می‌توان با انسجام میان Xt و yt [20] برآورد کرد و با روش دوم برابر است. الگوی پاسخ عروقی ناحیه‌ای Xt با بدست آوردن میانگین سیگنال حبس‌کردن نفس Xt طی شش دفعه تکرار در هر آزمایش برای هر واکسل بطور جداگانه محاسبه شد. سپس برای بدست آوردن یک سری زمانی الگو Xt با طول مشابه مانند مشاهدات BOLD (yt) در طی آزمایش عمل دستوری، سیگنال بدست آمده از طول متناظر با یک تکرار حبس کردن نفس شش دفعه بهم متصل می‌شوند. لازم به ذکر است که طرح‌های حبس کردن نفس و بلوک عمل دستوری باید از لحاظ طول مطابقت داشته باشند؛ در اینجا از دو پارادایم ۲۰ ثانیه «روشن» (مربوط به استنشاق / حبس کردن نفس و عمل دستوری حرکتی به ترتیب) و ۴۰ ثانیه «خاموش» (مربوط به تنفس عادی و حالت استراحت) تشکیل شد. مشابه تجزیه و تحلیل استاندارد مبتنی بر انسجام، در حال حاضر برای تولید نقشه‌های فعالسازی حداکثر میزان انسجام طیفی C(Yt، Xt) در محدوده فرکانس یکسان فوق استفاده شد. همان آستانه‌های آماری برای انسجام بکار رفتند که در مرحله دوم تعیین شد. فقط خوشه‌های دارای حداقل دو وکسل مجاور فعالسازی در نقشه‌های نهایی انسجام حفظ شدند. نمای تصویری این روش را در شکل ۱ مشاهده کنید.

«A» روش استاندارد تجزیه و تحلیل یک مجموعه داده گفتاری fMRI را نشان می‌دهد که داده‌های BOLD fMRI با تابع استاندارد پاسخ همودینامیک (HRF) ایده‌آل مقایسه می‌شود. داده‌های fMRI در منطقه بروکا (سبز) و منطقه ورنیکه (قرمز) مطابق با استاندارد HRF (سیاه) است اما داده‌های fMRI در لوب پس‌سری (به عملکرد گفتاری مرتبط نیست) با استاندارد HFR مطابقت ندارد. این روش سبب «فعالسازی» در منطقه بروکا و ورنیکه شده اما لوب پس‌سری را تحریک نمی‌کند. در «B»، ناحیه تیره‌رنگ توموری را با راکتیویته غیر نرمال عصبی عروقی (جداشدگی عصبی عروقی) نشان می‌دهد که منجر به خاموش(قطع) شدن BOLD HRF می‌شود. در نتیجه HRF در منطقه بروکا دیگر با HRF ایده‌آل مطابقت ندارد و منطقه بروکا دیگر «فعال» نیست. «C» HRF را در هر منطقه حین حبس‌کردن نفس نشان می‌دهد. در منطقه ورنیکه و لوب پس‌سری، HRF حبس‌ کردن نفس نرمال می‌ماند اما در منطقه بروکا، HRF حبس‌ کردن نفس خاموش (قطع) است. در روش افزایش انسجام که در این مقاله بیان شد، به جای مقایسه HRF به دست آمده طی معاینه fMRI به HRF نرمال ما آن را با HRF حبس‌ کردن نفس مقایسه کردیم و این HRF یک مقیاس اندازه‌گیری مستقل از HRF هست. در این شکل مناطق بروکا و ورنیکه با حالت «فعالسازی» نشان داده می‌شوند.