Biophysical simulations of fMRI responses using realistic microvascular models: insights into distinct hemodynamics in humans and mice
Notice bibliographique
Résumé
Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is broadly used to measure human brain activity, however the hemodynamic changes that comprise the fMRI response to neuronal activity are often interpreted using microscopy data in mice. These microscopy data provide ground-truth observations of how individual blood vessels respond to neuronal activity and thus form the basis of our fundamental understanding of neurovascular coupling. Although these invasive experiments provide invaluable insight, there are striking differences in the vascular architecture of mouse and human brains that may influence the hemodynamic response. Motivated by this, we developed a biophysical modeling framework for realistic hemodynamic simulations in both mouse and human cerebral cortex. For this, we utilized Vascular Anatomical Network (VAN) models that explicitly represent the full microvascular tree as a single connected network, originally based on anatomical reconstructions from a given location of mouse cerebral cortex. We extended the VAN modeling framework using synthetic VAN models representing the microvascular network at a single location of the human cerebral cortex. To account for larger size and complexity of the human VAN models, we developed an efficient computational framework to simulate the full hemodynamic responses in this human model and compared the simulated fMRI responses between mice and humans. Our biophysical simulations are based entirely on first principles (e.g., conservation of mass); model parameter values were fixed across all simulations, not tuned to fit data, as they represent meaningful physical constants taken from previous measurements. Only two simple calibrations were tuned for each simulation, to match baseline perfusion rates (blood flow) and oxygen extraction (OEF). Our results show that differences in microvasculature indeed influenced the hemodynamic response and led to observable differences in timing-e.g., the simulated fMRI response peak in humans was delayed by ~2 s compared to mice, consistent with prior fMRI observations. While there are many known differences in vascular architecture in rodents and humans, we also discovered that, unexpectedly, an asymmetry in the numbers of branches of the penetrating intracortical arterioles and venules appears to be conserved across species. We demonstrate through further simulations that this anatomical property may also be needed for suitable hemodynamic responses. Our framework thus provides a valuable tool for bridging in-vivo microscopy of microvascular dynamics to human fMRI.
Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.
Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».