Graph theory to study complex networks in the brain

Beyin, karmaşık ve geniş kapsamlı nöral ağlardan oluşmakta ve bu yapılara da "konektom" adı verilmektedir. Bu sebeple, beyin, düğüm ve kenarlardan oluşan bir ağ olarak düşünüldüğünde, graf teori konseptleri ile beynin organizasyonuyla alakalı çeşitli analizler yapılabilir. Bu çalışmada, beynin bağlantı analizini yapmak için MatLab temelli, nesne odaklı, ücretsiz bir yazılım olan BRAPH (Graf teori ile beyin alanizi) geliştirilmiştir. BRAPH, kullanımı kolay bir arayüze sahiptir ve bağlantı analizi yapan kullanıcıyı çeşitli şekillerde yönlendirmektedir (komşuluk matrisi hesaplama, genel ve bölgesel ölçü analizi, non-parametrik permütasyon yöntemi ile gruplar arası karşılaştırma ve ağ içerisindeki alt grupları analiz etme gibi). BRAPH ile yapılabilecekleri göstermek amacıyla, iki farklı çalışmada yapısal ve fonksiyonel bağlantı analizi yapılmıştır. Graf teori kullanılarak, sMCI, lMCIc, eMCIc ve AD hastalarından elde edilen yapısal MRI datası yönlendirilmemiş ağlarda analiz edildiğinde anormal organizasyon gözlenmiştir. Kontrol gruplarıyla kıyaslandığında, bu hastalarda, genel seviyede gruplaşma ve geçişliliğin azalması, aynı zamanda yol uzunluğunun ve modülaritenin artması, düğüm seviyesinde ise düğüm gruplaşmasında ve merkeze yakınlıkta değişimler gösterilmiştir. Burada, yönlendirilmemiş analizlerde farklılık göstermeyen örneklerin nörodejeneratif hastalıklardan kaynaklı topolojik değişimlerinin incelenmesi için yönlendirilmiş ağlarla analiz edilmesi önerilmektedir. Alzheimer ve Parkinson hastaları için gecikmiş korelasyon katsayıları ile yapılan yönlendirilmiş ağlar analizi sonucunda, bahsedilen değişikliklerin tespit edilebildiği gösterilmiştir. Son olarak, nöronların dinamik yapısındaki gecikmeleri kullanarak beyin konektomunun rekonstrüksiyonunu geliştiren bir yöntem ileri sürülmektedir. İleri sürülen "gecikmiş korelasyon" metodunun, simüle edilen ağlardaki gerçek bağlantıları %70-80 oranında doğru tespit ettiği, aynı zamanda genel ve boğum özelliklerinin tespitinde de oldukça iyi olduğu gösterilmiştir.