Uncovering post-stroke brain reconfiguration through longitudinal functional connectome fingerprinting

Extracting “fingerprints” from human brain connectivity data has become a sought-after goal in neuroscience. A lot of work has been done concerning healthy individuals, with promising results, but little is known about how the aforementioned ‘’fingerprints’’ change after the onset of neuropathologies. In particular, while neurodegenerative disorders such as Alzheimer's and Parkinson's have previously been investigated with this technique, it has never been applied to the post-stroke scenario, which is the focus of this work. Yet, the goal of this work is two-fold. On one hand, It aims to demonstrate how Functional Connectome Fingerprinting can be applied to longitudinal clinical practices, elucidating how different approaches answer different questions of interest. On the other hand, It aims to show how this technique can uncover post-stroke functional reconfiguration mechanisms solely based on functional connectivity data, ultimately explaining individual post-stroke recovery. Using this approach, it was shown that the aforementioned ‘’fingerprints’’ are lost in the early post-stroke period, but they are recovered starting from the 3weeks post-stroke on, with times that appear to be specific for each Yeo Functional Network. Interestingly, approaching the problem from a Clinical Fingerprinting perspective showed how the differentiation of stroke survivors from healthy individuals doesn’t follow a monotonic decreasing linear trajectory but rather a U-shaped one. Adding to little previous research on the topic, it was also shown how by means of Functional Connectivity (FC) derived features it is possible to successfully predict the first-weeks and first-months recovery, highlighting how the motor and language recovery is mainly linked to changes in mean FC over time, while the executive, memory and neglect recovery is linked to FC reorganization.

L'estrazione di "fingerprints" dai dati relativi di connettività cerebrale umana si è affermata come obiettivo di notevole interesse nel campo delle neuroscienze. Numerosi studi hanno esplorato questo aspetto in individui sani, con risultati promettenti. Tuttavia, poco si sa riguardo alle variazioni di tali ‘“fingerprints” a seguito dell'insorgenza di neuropatologie. Sebbene disordini neurodegenerativi, come il morbo di Alzheimer e il morbo di Parkinson, siano stati oggetto di indagini mediante tale tecnica, la sua applicazione nello scenario post-ictus rimane inesplorata, costituendo il fulcro della presente ricerca. L'obiettivo di questo studio è articolato in due parti principali. In primo luogo, si mira a dimostrare l'applicabilità del Longitudinal Functional Connectome Fingerprinting in contesti clinici longitudinali, delineando come differenti metodologie possano fornire risposte a specifiche questioni di interesse. In secondo luogo, si intende evidenziare come questa tecnica possa svelare i meccanismi di riconfigurazione funzionale post-ictus, basandosi esclusivamente sui dati di connettività funzionale, utili a predirre il recupero individuale successivo a un ictus. Attraverso l'impiego di questo approccio, è stato rilevato che le "fingerprints" precedentemente menzionate vengono perse durante la fase precoce post-ictus, ma si assiste al loro recupero a partire dalla terza settimana successiva all'evento, seguendo tempistiche che sembrano essere specifiche per le diverse Reti Funzionali di Yeo. Inoltre adottando una prospettiva di Fingerprinting Clinico, è stato evidenziato come il processo di differenziazione tra i sopravvissuti all'ictus e gli individui sani non segua un percorso linearmente decrescente, ma piuttosto assuma un trend temporale a forma di U. Basandosi sulla poca letteratura presente, questo studio ha inoltre dimostrato che, utilizzando features estratte dal Connetoma Funzionale (FC), è possibile prevedere con successo il recupero nelle prime settimane e nei primi mesi. Viene evidenziato come il recupero motorio e linguistico sia prevalentemente correlato a variazioni nella media della connettività funzionale nel tempo, mentre il recupero delle funzioni esecutive, della memoria e dell'attenzione sia associato a una riorganizzazione della connettività funzionale.