3D脳磁気共鳴画像のための反復空間ファジークラスタリングスーパーボクセルセグメンテーション

Iterative spatial fuzzy clustering for 3D brain magnetic resonance image supervoxel segmentation
Youyong Kong, Jiasong Wu, Guanyu Yang, Yulin Zuo, Yang Chen, Huazhong Shu, Jean Louis Coatrieux Journal of Neuroscience Methods, Vol. 311, No. 1, Pages 17-27, January 2019

脳の磁気共鳴画像の処理および分析では,脳の複雑な内部構造および脳部位の体積を含む特徴を得るために,スーパーボクセルセグメンテーションが採用されているが,それらの性能は依然として不十分である.この問題に対処するために,本論文では,事前知識に基づいて脳のMRI画像からスーパーボクセルを生成するための新しいアルゴリズム,反復空間ファジークラスタリング(ISFC)を提案する.提案手法では,母集団に基づく脳のテンプレート画像から一組のシードのテンプレートを得るために,ヒトの脳の共通のトポロジーを利用する.スーパーボクセルの数を選択した後,妥当なシードを生成するために,対応するシードテンプレートを個人の脳に投影する.次に,部分体積効果の影響を処理するために,効率的な反復ファジークラスタリングアルゴリズムによって,ボクセルをシードに割り当て,MRI画像からスーパーボクセルを生成する.

運転中のサブタスクによる脳活動の増加:新しいMR互換運転シミュレータを用いたfMRI研究

Increase in brain activation due to sub-tasks during driving: fMRI study using new MR-compatible driving simulator
Mi-Hyun Choi, Hyung-Sik Kim, Hee-Jeong Yoon, Jung-Chul Lee, Ji-Hye Baek, Jin-Seung Choi, Gye-Rae Tack, Byung-Chan Min, Dae-Woon Lim and Soon-Cheol Chung
Journal of physiological anthropology, vol.36, p.11, 2017

“いくつかの研究では,神経活動が運転に関連していることを示すために,機能的磁気共鳴イメージング(fMRI)を使用している.fMRI研究においてサブタスクを実行しながら運転に関連する脳反応を解明した.これらの研究では,コンピュータのマウス,トラックボール,またはジョイスティックを使用して運転をシミュレートし,実際の運転状況に匹敵しないことに注意することが重要である.これらの限界を克服するために,MR対応の運転シミュレータ(80km/h)を備えた駆動輪とペダルを使用した.被験者はサブタスクを実行しながら運転し,我々はニューロンの活性化の差異を観察しようと試みた.実験は3つのブロックから構成され,各ブロックは制御段階(1分)と駆動段階(2分)の両方から成っていた.制御フェーズ中に,運転者は停止画面を見て,運転タスクを実行しないように指示された.運転段階では,運転者は80km/ hでサブタスク条件で運転を行う場合と,運転のみの2種類を行った.ドライバーが運転のみに集中している場合と比較して,運転手がサブタスクを実行している間に運転した場合,活性化ボクセルの数は空間的知覚の原因となる頭頂部領域で大きく減少した.下前頭回および上頭側回などのタスク実行領域は,活性化の増加を示した.運転中に同時にサブタスクを実行することは運転手の運転に影響を与えた.誤動作の監視と不必要な動き(例えば,車輪やペダルの動き)の制御を担う,帯状回と小葉領域(扁桃核、尾状核、髄腔内および視床)は,運転条件のみに比べて活性していた.これまでの研究で使用されたシンプルな運転シミュレータ(ジョイスティック、コンピュータマウス、トラックボール)と異なり,この研究で使用されている運転シミュレータに駆動ホイールとペダル(アクセラレータとブレーキ)を追加された.結果,処理された動作の数が増加し、制御が必要な不要な動作の数が増加した.これは対応する脳領域における活性化を増加させた.”

前頭前野と頭頂葉との間の機能的接続は,視覚空間的注意シフトを駆動する

Functional connectivity between prefrontal and parietal cortex drives visuo-spatial attention shifts
Heinen, Klaartje and Feredoes, Eva and Ruff, Christian C and Driver, Jon
Neuropsychologia, vol.99, pp.81-91, 2017

“背部注意ネットワーク(DAN)の正面視野(FEF)がトップダウン選択的注意を導くことは十分に確立されている.さらに,証拠として,腹側注意ネットワーク(VAN)および前頭葉線領域を動員することも知られている.これは注意シフトにおけるFEFの因果的役割を意味する.これらのネットワーク間の中心的なハブとしてのFEFの因果的影響を調べるために,視覚空間的注意シフトのパラダイムの間に機能的磁気共鳴(fMRI)と組み合わせた経頭蓋磁気刺激(TBS)線を適用した.私たちは、右のFEFのTBSは,注意シフトの後に両方のフィールドで視覚的識別タスクのパフォーマンスを損なうことを発見したが,参加者が注意の焦点を維持するために握られたときに左の半分のパフォーマンスしか得られなかった.刺激後20 分,これらの効果が回復した.さらに,TBSは,特に注意のシフトに続いて,両側性FEF,右下肢および後頭頂小葉(IPL/SPL)における神経信号を抑制し
た.刺激直後に,右の被験者と同様に,右のFEF と右のSMG との間の機能的接続性が損なわれた.重要なこと
に,右FEFと右SMGとの間の接続の減少の程度は,注意シフト後の行動と相関していた.この研究の主な所見
は,腹部注意ネットワークにおけるSMG の右FEFからの因果関係を現在の焦点不注意からの離脱を可能にする
ことによって,注意を引いて注意深くシフトさせることを示している.”

模擬運転における車線変更反応時間の脳相関

Brain Correlates of Lane Changing Reaction Time in Simulated Driving
Huaijian Zhang, Ricardo Chavarriaga, Lucian Gheorghe, Jose Del R. Millan
Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2015 International Conference on. IEEE, pp.3158-3163, 2015

心理物理学的研究では,頭部および頭頂部における神経活動と単純な作業における被験者の反応時間との相関が報告されている. ここでは,外因性刺激(例えば道路沿いの障害物)によって誘発される操舵動作を実行する際に,同様の相関が運転者の脳波記録(EEG)活動においても識別できるかというところを調査する.本研究ではリアルなドライビングシミュレータで運転している15人の被験者の脳波信号分析の報告を行う.前頭部および頭頂部の事象関連電位のピーク潜時は,操縦行動の開始と有意に相関することが明らかとなった. 同様に,作用前のシータバンド(4?8Hz)におけるパワーの変調も反応時間と相関する. これらの結果は,運転者の応答変動の信頼できる神経マーカーの証拠を提供する.

機能的近赤外分光法による視覚的作業記憶容量の初期開発の調査

Probing the early development of visual working memory capacity with functional near-infrared spectroscopy
Aaron T. Buss, Nicholas Fox, David A. Boas, John P. Spencer
NeuroImage, vol.85, pp.314-325, 2014

ビジュアルワーキングメモリ(VWM)は、非常に限られた容量を有するコア認知システムである。現在の研究 は、機能的な神経イメージングを用いた初期の発達における VWM の容量限界を調べる研究である。 3~4 歳の 患者が短時間の遅れで物体の形状の変化を検出した変化検出タスクを完了している間に、光学的な神経画像デー タを記録した。近赤外線源および検出器は、左前頭皮質の F3 および F5、右前頭皮質の F4 および F6、左頭頂皮 質の P3 および P5、右頭頂皮質の P4 および P6 の 10-20 の位置に配置した。最初の疑問は、成人の fMRI 文献で 同定された前頭部ネットワークの頑強なタスク特有の活性化が見られるかどうかであった。これは事実であった.3 つの左正面チャネルおよび 12 の頭頂壁細胞チャネルのうち 11 つが、試料アレイの提示後の酸素化酸素と脱酸素 化ヘモグロビンの濃度の間に統計的に有意な差を示した。さらに、P3、P5、および F5 付近の左半球の 4 つのチャ ネルは、作業記憶負荷が 1 から 3 の項目に増加するにつれて、有意な増加を示した。特に、血行力学的応答は、成 人の fMRI の先行研究から予想されたように、1-2 項目で漸近的に漸増しなかった。最後に、4 歳児は、3 歳児に対 してより堅牢な頭頂壁反応を示し、記憶負荷操作に対する感受性が高まった。これらの結果は、fNIRS が、VWM 能力の初期開発の根底にある神経プロセスを研究するための有効なツールであることを示している。

思春期および若年成人における扁桃体応答に対する感情調節の同時および持続的効果

Concurrent and lasting effects of emotion regulation on amygdala response in adolescence and young adulthood
Jennifer A. Silvers Jocelyn Shu Alexa D. Hubbard Jochen Weber Kevin N. Ochsner
Developmental science, Vol. 18, No.5, pp.771-784, 2015

この研究では,機能的MRI(fMRI)を使用して思春期発達における感情調節の新規な側面を検討した。年齢が扁桃体反応に対する感情調節の同時効果と持続効果の両方の差を予測するかどうかである。最初にアクティブ調節,テストセッションの位相はfMRIのデータは56人の健常者で収集した(年齢範囲:10.50から22.92歳)が,それらに否定応答を減少するように嫌悪刺激を再評価しました。短い遅延の後,第2の再提示再評価タスクからの嫌悪的な画像を受動的に見る段階が含まれていた。積極的な規制の間,高齢者は,負の影響においてより大きな低下を示し,前庭側 – 扁桃連結性を示さなかった。再提示中,高齢者は,以前に再評価した嫌悪感刺激に対する扁桃体応答の持続的な減少を示し続けた。これは,肢位のPFCによって媒介される効果である。これらのデータは,青年期における感情の高まりの1つの原因が,嫌悪反応を認知的に下方制御する能力の低下であることを示唆している。

ネガティブ感情処理中の有効な前肢辺縁性の性差

Sex differences in effective fronto-limbic connectivity during negative emotion processing
Ovidiu Lungu, Stephane Potvin, Andras Tikasz, Adrianna Mendrek Psychoneuroendocrinology, vol.62, pp.180‾188, 2015

“男性よりもうつ病および不安障害の有病率が高いことを考慮して,機能的磁気共鳴イメージング(fMRI)研究で感情処理中の脳活動の性差を調べた.これと比較して,男女の感情を処理する際の重要な前辺縁のつながりの証拠にもかかわらず,脳の接続性の性差はほとんど注目されていなかった.ここでは,否定的感情処理中の接続性における性差を調べた.方法:fMRIセッション中に,46人の健常者(女性25人、男性21人)が陰性,陽性および中性の画像を提示した.有意に活性化された領域間の有効な連結性は,Granger因果性および心理物理的相互作用分析を用いて調べた.
結果:負の感情画像の主観的評価は,男性よりも女性で高かった.雌雄では、前頭前野皮質および右扁桃体において有意な活性化が観察された.右扁桃体からのグランガー接続性は、男性によって引き起こされる効果である「高マイナス」状態の間,前頭前野皮質よりも有意に大きかった.この効果の大きさは,非常にネガティブな画像評価および女性の特徴およびテストステロンレベルと正の相関があった.
考察:これらの結果は,否定的な感情処理の間の脳の接続における重要な性差を強調し,生物学的および心理社会的変数がそれらに寄与するという事実を指摘する.前頭前野皮質は社会的認知と行動計画,扁桃体内脅威の検出に関与しているため,女性と比較して男性は否定的感情処理の間に純粋に情緒的ではなく脳反応を示す.”

認知状態および認知負荷に対する fNIRS の感受性

Sensitivity of fNIRS to cognitive state and load
Fishburn, Frank Anthony and Norr, Megan E and Medvedev, Andrei V and Vaidya, Chandan J Frontiers in human neuroscience, Vol.8, pp.76, 2014

機能的近赤外分光法(fNIRS)は,脳皮質の血流を測定する新しく低価格の非侵襲神経イメージング技術である. fNIRS は臨床的および小児への使用のための fMRI の潜在的な代わりとして関心を集めているが,fNRIS が fMRI の代わりとして役立つために必要な感受性を有するかどうかは不明である.そこで本研究では,fNIRS が認知負 荷に応答して活性および機能的連結における線形変化を検出する感度を有し,レスティングステイト時からタス クに移行する際の機能的接続性が変化するかどうかを調べた.16 人の成人被験者に対して,10 分間のレスティン グステイトの後,3 つの認知負荷を有する N-back 課題時の活動を連続波 fNIRS システムを用いて計測した.両 側背側前頭前野,両側腹側前頭前野,前頭皮質および両側頭頂皮質を覆う 5 つの光プローブを配置した.活性は, 両側前頭前野において認知負荷と直線的に比例することがわかった.機能的接続性は,前頭,頂部,両側背側前 頭前野および局所的接続が認知負荷の増加とともに増加することがわかった.機能的接続性は,レスティングス テイトと N-back で異なり,N-back 課題時に前頭,頂部の結合が大きくなりレスティングステイト時に両側腹側 前頭前野の結合がより大きくなった.これらの結果は,fNIRS が認知負荷および状態の両方に敏感であることを 示しており,fNIRS が神経イメージング研究問題を探索するのに適しており,fMRI の実行可能な代わりとして役 立つことを示唆している.

ワーキングメモリの負荷量による角回デフォルトモードネットワークの接続性

Angular default mode network connectivity across working memory load
D. Vatansever, A.E. Manktelow, B.J. Sahakian, D.K. Menon, and E.A. Stamatakis
Human Brain Mapping, Vol. 38, No.1, pp.41-52, 2017

“初めはタスク無しの間やベースラインコンディションで特定されていたが,現在はデフォルトモードネットワーク(DMN)は他の大規模な脳ネットワークと柔軟な相互作用により様々なワーキングメモリパラダイムで関与することが示唆された.それにも関わらず,ワーキングメモリ負荷の増加に伴う全脳の動的接続性への寄与ははっきりと評価されていない.我々の研究の目的はパラメトリックな難易度の増加を伴うfMRI でのn-back パラダイムのワーキングメモリタスクパフォーマンスに関連するDMN ハブを見つけることである.固有接続性コントラスト(ICC)と呼ばれるボクセルごとのメトリックを使って,私たちは角回(DMN のハブの中核)は3 種類のn-backタスクの負荷のレベルによって全体的な接続性が大きく変化することを見つけた.それに続くシードベースの機能的機接続性解析がDMN 領域の角回が他の大規模脳ネットワークと頑丈に影響していることを明らかにし,全体的な情報の統合における潜在的な関与を示唆する.更にこの仮説の裏付けは私たちが角回の接続性と正確な反応のリアクションタイムの間に見つけた有意な相関から来ている.我々の研究が示唆するのはDMN はn-abck タスク時に活発に関与することであり,環境的な要求の増加に反応して全脳の接続性の変化に寄与する中核の角回領域が結果としてワーキングメモリに重要な役割を果たすということである.”

傾斜錯視の知覚の根底に存在する半球内の統合

Intra-hemispheric integration underlies perception of tilt illusion
C. Song and G. Rees
NeuroImage, vol. 175, pp. 80-90, 2018.

視野全体にわたる入力を単一の意識的な経験に統合することは,人間の視覚の基本である.この視覚経験の統合された性質は,中心格子の知覚された向きが,その向きが異なる周囲の格子による変調のために,その物理的な向きから傾いて見えるような傾斜錯視のような錯覚によって示される.ここでは,局所的,半球内,大域的,半球間の統合機構が傾斜錯視の知覚に及ぼす相対的な寄与を調べた.私たちは,fMRI信号の動的因果モデルを用いて,傾斜錯視刺激の両側提示中のヒトの早期視覚野(V1,V2,V3)における有効な結合性を推定した.我々の分析では,傾斜錯視に関連する神経応答は,半球間ではなく内部での接続によって調節されることが明らかになった.重要なのは,被験者間では,V1の半球内の結合性は,錯視の大きさと相関していたが,V1の半球間の結合性,またはV2,V3の結合性についてはそのような相関は観察されなかった.さらに,錯視刺激が左右ではなく一方に提示された場合,錯視の大きさは変化しなかった.同時に我々の発見は,傾斜錯視の知覚が半球内の統合メカニズムを反映していることを示唆している.これは,既存の文献とは対照的であり,V1のような早い段階に神経活動の半球間の調節を示唆している.この発見との矛盾は,視覚処理と視覚に関わる統合メカニズムの多様性と複雑さを反映している可能性があります.