NIRS 信号における脳活動から血行動態変化を分離するための時間変化に対する解析的アプローチ

Analytical approach to the temporal changes in NIRS signals to separate hemodynamic change from brain activity
2016 38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society ,pp.1393-1396, 2016
20170224 syoshitake

近赤外分光法(NIRS) による脳機能測定において,酸素化および脱酸素化ヘモグロビン濃度の時間的変化に焦
点を当て、脳機能信号におけるヘモグロビン濃度の相互相関係数の時間変化に対する分析的アプローチを提案する.酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度の間の相互相関係数は,脳活動については負の値を示し,血行動態変化については正の値を示す.16 チャンネルのfNIRS システムを用いた実験で,提案するアプローチが測定したNIRS 信号の解釈を明確にし,脳活動における血行動態変化の影響を推測するために使用できることが示された.

パレート適応型スカラー化法を用いた分解ベースアルゴリズム

Decomposition-Based Algorithms Using Pareto Adaptive Scalarizing Methods
IEEE Transactions on Evolutionary Computation, Vol.20, No.6, pp.821-837, 2016
20170216harada

分解ベースのアルゴリズムは,進化的多目的最適化において盛んになってきている.しかし,これらのアルゴリズムで使用されるスカラー方法の効果は,依然としてよく理解されていない.本論文では,頻繁に使用されるスカラー化法であるLp 法を分析し,パレート最適解に向かう選択圧と最適なパレートフロントジオメトリへのアルゴリズムのロバスト性のバランスをとるためにp 値が重要であることを示す.分解ベースのアルゴリズムの探索能力を最大にすることができるLp 法が存在し,幾らかの重みを与えれば,パレートフロントに沿った任意の解を見つけることができることを証明する.PaS の有効性を実証するために,我々はPaS を最先端の分解ベースのアルゴリズムであるMOEA/D に組み込み,そして,異なるパレートフロントジオメトリ及び7 つ以上の相反する目的を有する問題に対して,MOEA/D-PaS をいくつかの他のMOEA/D の結果と比較する.実験結果は,PaS
が有効であることを実証している.

幼児DTIMR 脳画像のセグメンテーションのためのアトラスベースのアプローチ

ATLAS BASED APPROACH FOR THE SEGMENTATION OF INFANT DTI MR BRAIN IMAGES
2014 IEEE 11th International Symposium on Biomedical Imaging,pp.1255 – 1258, 2014

本論文では,幼児拡散テンソル画像(DTI)からの脳組織(白質および灰白質)の自動セグメンテーションのための新しい適応アトラスベースの手法を提案する.脳画像および所望の領域マップ(脳、脳脊髄液など)は、独立した画像信号および相互依存領域ラベルのジョイントMarkov-Gibbs ランダム場(MGRF)モデルによってモデル化される.提案された共同MGRF モデルは,以下の3 つを説明する:非拡散(b0)スキャンに加えてDTIから推定された6 つのフィーチャの経験的分布を記述する1 次視覚的外観の3D 確率論的アトラス,および空間的に不変な2 次視覚的の3D 確率論的アトラス。推定された各DTI パラメータが独立していると仮定して,3D 確率論的アトラスは,正および負のガウス成分を含む離散ガウス(LCDG)強度モデルの以前に開発された線形結合を使用して正確に近似される.3D 確率論的アトラスは,3D 共整列トレーニングDTI 脳画像のサブセットを使用して学習される.2 次同次性記述子は,解析的に推定されたポテンシャルを用いて、領域ラベルの2 次変換および回転不変MGRF によってモデル化される.提案されたアプローチの精度を確認するために,Dice の類似性,Hausdorff の距離,および絶対的なボリュームの違いのメトリックによって,25 個のDTI 脳画像に関する我々のアプローチに対して5 つの手動で分割された3DDTI 脳画像とテストし,性能を評価した.

食事に対する認知的・快楽的応答に関連する脳ネットワーク

Brain networks associated with cognitive and hedonic responses to a meal
Neurogastroenterology and Motility,vol.29(1), DOI: 10.1111/nmo.13031, pp.1-8, 2017
170227 ykohri

我々は近年食事に相互関連する消化,認知,快楽反応について報告した.本研究の目的は,食事に対する快楽
反応に関連する脳内ネットワークを同定することである.我々は38 人の健康被験者(20-38 歳)に対して試験食(ジュース,温かいハム,チーズサンドイッチ,300mL,425kcal)を摂取後,5 時間の絶食させ評価した.また,試験食の摂取直前と直後に満腹感や気分などの知覚的,感情的反応と機能的MRI を用いて脳の静止スキャンを評価した.そして,視床と島皮質のネットワークに焦点を当て高次群の独立成分分析を行い,摂取と関連変化する脳内ネットワークの接続を調査した.結果として,主に視床と島皮質の接続性は食事摂取とともに増加し,島皮質と島皮質の接続性は減少した.さらに,特定の視床接続における変化(増加/減少)が大きいほど,満腹感の変化が小さくなった.これとは対照的に,食道前部帯状皮質の連結性の低下が、満腹感と消化性幸福感の増加に関連していた.よって,食事摂取に対する知覚的・感情的応答は,定義された脳機能ネットワークにおいて接続性に関連することが示唆された.またこの結果より,食事摂取の主観的効果の客観的バイオマーカーを提供することが可能であると示唆された.

マインドフルネスと情動調節の fMRI 研究

Mindfulness and emotion regulation -an fMRI study
Social Cognitive and Affective Neuroscience, Vol.7, No.1, 11–22, 2012
20170220 sishida

注意深く判断を伴わず,現在の経験に焦点を合わせるマインドフルネスは情動調節を促進するスキルとして精 神治療にますます導入されている.情動調節を活発に誘発する神経生物学的メカニズムは例えば扁桃体の前頭前 野との媒介の発現低下と関係する.私達は情動的な覚醒時の短期のマインドフルネスの指導の神経生物学的な相 関に興味があった.私達は fMRI を用いて 24 人の健常者における不快および潜在的な不快の画像(50%の確率) のきっかけを与えられた予測や認識の間の短期のマインドフルネスの介入の影響を 22 人の対照と比較して調査し た.マインドフルネスの介入はコントロールと比較して不快および潜在的な不快の画像の予測時の前頭前野領域 の活動の増加に関係していた.不快刺激を認識している間,情動処理に関わる領域(扁桃体,海馬傍回)の活動 の低下が確認された.不快画像を予測するとき,前頭前野と右島皮質の活動は形質のマインドフルネスと負の相 関を持っていて,情動的な覚醒を軽減するためにより一層注意している個人はより少ない調節された資源を必要 とすることを示唆する私たちの発見は神経生物学レベルでの短期のマインドフルネスの介入の感情調節への影響 を示唆する.

脳内ネットワークのグループを比較するための順列検定フレームワーク

A permutation testing framework to compare groups of brain networks
frontiers in Computational Neuroscience, Vol.7, 171, 2013
20170220 rhagiwara

脳内ネットワーク解析は,過去10年間の神経イメージング研究の最前線に移行した.しかしながら,ネットワー クのグループを統計的に比較する方法は遅れている.これらの比較は,複雑な脳機能のさらなる洞察を得ること, および異なる精神状態や疾患状態にわたってどのように変化するかについてに関心のある研究者に大きな魅力を もたらす.現在の比較アプローチは,ネットワーク固有のとぽトポロジー特性を無視した要約した指標または質量 一変量のノードやエッジベースの比較に依存し,わずかな特徴しか得られず,ネットワークレベルの比較ができな い.複雑な脳機能の正常および異常の変化についてより深い洞察を集めることは,脳内ネットワーク全体に存在 する豊富なデータを利用する方法を必要とする.ここで,個々のネットワークに固有のトポロジカルな機能を組 み込んだネットワークのグループを比較できる順列検定のフレームを提案する.我々はグループの違いが既知の シミュレートされたデータを使用してアプローチを検証する.次に,この方法を fMRI データから得られる機能的 脳内ネットワークに適用する

感情的知覚における性差:発散的活性化のメタ分析

Sex differences in emotional perception – Meta analysis of divergent activation
NeuroImage, Volume 147, Pages 925-933, 15 February 2017
20170220 sikeda

感情反応性における行動的および生理学的な性差は十分に研究されているが,比較的少ない神経差が確認され ている.ここでは,視覚モダリティにおける感情喚起課題に参加した男性と女性を区別する活動クラスターを報 告した機能的脳イメージング研究全体にわたる定量的活性化尤度推定(ALE)メタアナリシスを適用する.この アプローチでは,実験的パラダイムが男女間でバランスをとる必要があるため,これまでの努力よりもはっきり している可能性がある.感情誘発研究(n = 1907)を通じた結果は,女性と比較して男性の視床の内側前頭前野, 前部帯状皮質,前頭極および中腹側核における明確な活性化を明らかにした.女性は左右扁桃体,海馬,および 上丘,下丘,青斑核を含む背側中脳の領域において明確な活性化を示す.いくつかのクラスターは,感情反応の性 差の基盤に関する一般的な見解と一致しているが,視床および脳幹領域は,以前は性的に異なると強調されてい なかった.これらのデータは,感情の機能的脳イメージング研究の要因として性別を含める必要性を強く支持し, 本研究の焦点は大脳皮質を超えて拡張することを強く支持する.

拡散テンソルイメージングへのB 行列空間分布手法の理論的検証

A theoretical validation of the B-matrix spatial distribution approach to diffusion tensor imaging
Magnetic Resonance Imaging,vol. 36,pp.1-6,2017
170220_syokoyama

近年発表されたB行列空間分布(BSD)手法は,空間におけるB行列の実際の分布を得る較正技術である.
B行列の空間的変動を考慮すると,拡散テンソルイメージング(DTI)の精度が向上すると主張されている.
本研究の目的は,コンピュータシミュレーションによってこの手法を理論的に検証することである.
B行列の3つの異なる空間分布を仮定すると,モデルの異方性ファントムの6つの方位について拡散重み付き信号が計算された.
続いて,BSD較正の2つの変形が3つの場合のそれぞれについて実行された.
ファントムのモデル(uBSD-DTI)の高い均一性を前提としたものと,他はファントム構造(BSD-DTI)における不完全性を考慮したものである.ファントムの均一性の程度の異なるいくつかのケースを分析し,得られたB行列の分布を等方性ファントムモデルの拡散テンソル計算に用いた.結果を標準拡散テンソル計算と比較した.シミュレーションにより,較正後の拡散テンソルの決定における精度の向上が確認された.BSD-DTIは,ファントムの均一度とB行列の不均一性の両方に関係なく精度を向上させた.B行列の空間分布におけるファントムおよび歪みの比較的良好な均一性の場合には,uBSD-DTI手法で十分である.

視覚探索トレーニングにおける後頭頂皮質活性の低減

Reduced posterior parietal cortex activation after training on a visual search task
NeuroImage, vol.135, pp.204-213, 2016
20170213 htanaka

認知課題により経験を得ることは, 行動パフォーマンスを向上させ, 脳活動の効率を高めると考えられている. 脳の活性におけるトレーニング効果に関する文献はすでに発表されているが, 十分に統制された条件下での視覚検索時の注意プロセスに関する研究はほとんど行われていない. トレーニング群と統制群に分けられた36 人の健常な成人は, 文字ベースの視覚探索課題を用いたfMRI 研究を一日で完了した.12 文字を目標刺激として,10 文字を妨害刺激として用いた. トレーニング群はスキャンの間に, 目標刺激の半分を用いたトレーニングセッション(840回の試行) を完了した. トレーニング群と統制群の群間比較や被験者内のトレーニングした場合としていない場合の比較を両方行い, 反復効果を制御することによって, トレーニング効果を行動および脳活動レベルで研究した. トレーニング群の参加者は, トレーニングを行った結果として精度スコアを維持したまま反応時間が31 % 速くなったが, 統制群は変化がほとんど見られなかった. 脳活動結果は, 視覚探索トレーニングに関連する脳活動変化が目標刺激を探索するときに後頭頂皮質(PPC) 活性の低減に限定され, それらは後頭領域下部を含んでいることを明らかにした. 得られた行動および脳活動変化は, 自動的な行動パフォーマンス向上に関連づけて議論されている. また, 得られたトレーニング関連領域における活動の減少は, タスクパフォーマンスに関与する主要な部位の神経活動効率の増加に関連する可能性がある.

デフォルトのネットワークと背中の注意ネットワークとの間の相互作用は、デフォルトのサブシステム、時間、 および認知状態によって異なる

Interactions between the default network and dorsal attention network vary across default subsystems, time, and cognitive states
NeuroImage, vol.147,pp.632-649,2017
20170213_mnishizawa

デフォルトネットワーク(DN)と背部注意ネットワーク(DAN)との間の相関関係は,競合する機能を反映する機能的脳組織の本質的な側面であると考えられている.しかしながら,DNとDANとの間の機能的接続性(FC)の効果サイズはまだ確立されていない.さらに,異なるDNサブシステム,異なるコンテキスト,および時間にわたる相関関係の安定性は,未だに未知のままである.研究1では,20の研究からのDN-DAN FCの効果サイズを要約し,研究2では,新しいデータセットにおける6つの異なる認知状態にわたるDN-DAN相互作用の変動性を調べる. (i) DNおよびDANは、グローバルな信号回帰を使用しない場合 (研究全体にわたるメジアン効果の大きさ:r = – 06; 95%CI:-.13から.08),相互相関関係ではなくむしろ相関しない関係を有する. (ii)DANは、DNコアサブシステムで弱い負のFCを示すが,背中前の前頭前野および内頭頂葉サブシステムと無相関である. (iii)DN-DAN相互作用は、異なる認知状態にわたって著しく変化する; (iv)DN-DAN FCは、反相関の期間と正の相関の期間との間で時間的に変動する. (v) DN-DANカップリングの強さの経時変化は、前頭前頭制御ネットワーク (FPCN)を含む相互作用と調和する.全体として、DN-DANの反相関に関連する観察された弱い効果の大きさは,これらのネットワーク間の相互作用の性質を再概念化する必要性を示唆している.さらに,我々の発見は,DN-DAN相互作用が安定ではなく,むしろ時間および文脈に沿って実質的な変動性を示し,FPCNを含むより広範なネットワークダイナミックスと調整されることを示している.

Default network, Dorsal attention network, Anticorrelation, Frontoparietal control network, Attention,Dynamic functional connectivity