自発的脳活動の短い事例から抽出した時間変化する機能的ネットワーク情報

Time-varying functional network information extracted from brief instances of spontaneous brain activity
X. Liu and J.H. Duyn
Proceedings of the National Academy of Sciences, p.201216856, 2013

近年の機能的磁気共鳴画像法の研究は,明白な行動がなくても脳が著しく活動的であることを示した,そして,この活動は被験者間を渡って再現可能で,脳の確立された機能的区分に従う空間分布で起こる.これらの空間分布を調査することは,脳機能の基礎となるニューラルネットワークのより良い理解を得ることを目的とした研究の活発な分野である.自発的活動の興味深い側面の1 つは,明らかな非定常性,または脳領域間の相互作用の変動性である.最近,自発的な脳の活動は,おそらくニューロンの雪崩現象に起因する活動の短い痕跡によって支配されることが提案された.このようなトレースは,従来のデータ分析では捕捉されていない機能的に関連のある関係性を潜在的に反映して,異なる時間におけるネットワーク内の異なるサブ領域を含む可能性がある.これを調査するために,我々は公的に利用可能な機能的磁気共鳴画像データを専用の分析方法で調査し,従来の相関分析から推論された機能的ネットワークが実際には,わずかな重要な時点での活動によって駆動されるという兆候を見出した.これらの重要な時点での活動のその後の分析は,それぞれが確立した機能的ネットワークとは明らかに異なる複数の空間分布を明らかにした.これらのパターンの空間分布は,潜在的な機能的関連性を示唆している.

不安陽性の被験者は,陰性刺激を予期している間,前孤立部における処理の変化を示す

Anxiety positive subjects show altered processing in the anterior insula during anticipation of negative stimuli
Alan N. Simmons Murray B. Stein Irina A. Strigo Estibaliz Arce Carla Hitchcock Martin P. Paulus
Human brain mapping, vol32, pp. 1836-1846 ,2011

神経イメージング研究は,前帯状皮質を含む内膜および前頭前野皮質内の活性化によって媒介されるいう仮説がある.しかし,感情的な脳の座位とネットワークにおけるグループ間で,感情的予期がどのように異なるかについての理解が不十分である.我々は,機能的磁気共鳴画像法(fMRI)中に情動的な画像予想タスクを完了した14の不安陽性(AP)および14の不安性規範(AN)個体を調べた.脳の活性化は,合図された予期についてグループ間で検査された.両方の群は,差異予測の間に両側前方孤立部においてより大きな活性化を示した.右の活性化は,AN被験者と比較してAPにおいて有意に高かった.機能的な接続性は,両前庭の孤立が,両方のグループで心地よい予期の間に同様のネットワークに関与していることを示した.予期条件では,嫌悪者の間の左前胸部および右前部孤立部は,APグループの前頭頭頂葉および頭頂葉からなる皮質網状組織とより大きく活性化した.これらの結果は,不安が脳におけるより大きな予想反応性に関連し,精神医学的特性と相互作用する脳における機能的非対称性が存在するという仮説と一致する. 機能的な接続性は,両前庭の孤立が,両方のグループで心地よい予期の間に同様のネットワークに関与していることを示した.すべての予期条件では,嫌悪者の間の左前胸部および右前部孤立部は,APグループの前頭頭頂葉および頭頂葉からなる皮質網状組織とより大きく活性化した.これらの結果は,不安が脳におけるより大きな予想反応性に関連し,精神医学的特性と相互作用する脳における機能的非対称性が存在するという仮説と一致する. 機能的な接続性は,両前庭の孤立が,両方のグループで心地よい予期の間に同様のネットワークに関与していることを示した.すべての予期条件の間,嫌悪者の間の左前胸部および右前部孤立部は,APグループの前頭頭頂葉および頭頂葉からなる皮質網状組織とより大きく活性化した.これらの結果は,不安が脳におけるより大きな予想反応性に関連し,精神医学的特性と相互作用する脳における機能的非対称性が存在するという仮説と一致する.

静止状態の機能的接続性データの前処理におけるモーションアーチファクトの制御のためのコンフラウンド回帰およびフィルタリングのための改良されたフレームワーク

An improved framework for confound regression and filtering for control of motion artifact in the preprocessing of resting-state functional connectivity data
Satterthwaite, Theodore D and Elliott, Mark A and Gerraty, Raphael T and Ruparel, Kosha and Loughead, James and Calkins, Monica E and Eickhoff, Simon B and Hakonarson, Hakon and Gur, Ruben C and Gur, Raquel E and others
Neuroimage, Vol. 64, pp.240-256, 2013

大規模で独立したサンプルのいくつかの最近の報告で,静止状態の機能的接続性MRI(rsfc-MRI)にモーションアーチファクトの影響が示されている.標準的なrsfc-MRI前処理は,混合信号の回帰およびバンドパスフィルタリングを含む.しかしながら,これらの技法が研究を通してどのように実施されるかについて多くの不明瞭な点が存在し,先行研究では,運動誘導アーチファクトの制御に対する異なるアプローチの効果を検討できていない.スキャナ内の頭部運動がrsfc-MRIデータにどのように影響するかをより良く理解するために,348人の青少年のサンプルにおける動きアーチファクトの空間的,時間的,およびスペクトル的特徴を説明する.解析手法はボクセル単位で頭部運動を記述するための新規な手法を用いた.次に,動き誘起アーチファクトの制御のための一連の混乱回帰およびフィルタリング技術の有効性を体系的に評価する.結果は動きの制御に対する前処理手順の効果が複数あり,改善された前処理が典型的な手順を超えて実質的な利益をもたらすことを示している.これらの結果は,rsfc-MRIに対する運動の影響が改善された前処理手順によって実質的に減衰され得るが,完全に除去されないことを実証する.

感情刺激に対する扁桃体反応における短期および長期の瞑想訓練の影響

Impact of short- and long-term mindfulness meditation training on amygdala reactivity to emotional stimuli
Tammi R.A. Kral,Brianna S. Schuyler ,Jeanette A. Mumford,Melissa A. Rosenkranz,Antoine Lutz,Richard J. Davidson
NeuroImage,181,301–313,2018,Elsevier

瞑想訓練は気分や感情の調節を改善することが可能であるが,これらの感情的変化の神経メカニズムはまだ完全に解明されていない.我々は,fMRIを使用して,健康で非臨床的な成人の集団において,感情的写真に対する扁桃体反応における長期および短期間のマインドフルネス瞑想訓練の影響を評価した.長期瞑想者(N = 30,16女性)は,平均して9081時間の生涯練習をマインドフルネス瞑想で行った.短期訓練瞑想者は,8週間のマインドフルネス瞑想に基づくストレス軽減コース(N = 32,22女性)から成り,無作為化対照試験で能動的対照状態(N = 35,19女性)と比較された.瞑想の訓練は,対照と比較してポジティブな画像に対する扁桃体の反応性が低いことと関連していたが,ネガティブな画像に対する反応の群の差はなかった.長期瞑想者における後退練習の時間が負の画像への扁桃体反応性の低下と関連していたため,負の刺激に対する反応性の低下は,より多くの練習経験または集中的な練習を必要とすることがある.しかし,我々はMBSRとの練習時間にこの関係をみなかった.短期訓練は,対照介入と比較して,扁桃体と感情調節に関与する領域である腹側前頭前皮質(VMPFC )間の機能的接続性を情動画像の間に増加させた.したがって,瞑想訓練は,扁桃反応性の低下による感情反応を改善し,感情刺激中の扁桃体-VMPFC結合の高まりは,MBSRが感情調節能力に有益な効果を及ぼす潜在的メカニズムを反映し得る.

ワーキングメモリのパフォーマンスに関する脳の接続性

Brain Connectivity Related to Working Memory Performance
Michelle Hampson, Naomi R. Driesen, Pawel Skudlarski, John C. Gore and R. Todd Constable
Journal of Neuroscience 20 December 2006, 26 (51) 13338-13343
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後部帯状回皮質(PCC)および内側前頭回および腹側前方帯状回皮質(MFG / vACC)の部分を組み込んだ内側前頭領域を含む,いくつかの脳領域は,機能的イメージング研究における多くの異なる認知課題中にシグナル低下を示す.これらの領域は,安静時に係合し,認知課題中に離脱するデフォルトモードネットワークの構成要素であることが示唆されている.この研究では,作業記憶タスク中および安静時のPCCとMFG / vACCとの間の機能的接続性を,領域間の磁気共鳴信号レベルの時間相関を調べることによって調査した. 2つの領域は両方の条件において機能的に連結されていた.さらに,作業記憶タスクの性能は,作業記憶タスクの間だけでなく,安静時でも,この機能接続の強度と正の相関があった.したがって,これらの領域は,認知課題の間に乖離するのではなく,認知能力を促進または監視するネットワークの構成要素であると思われる.さらに,これらのデータは,これらの2つの領域の間の結合強度の個人差が,この作業記憶タスクにとって重要な認知能力の差異を予測する可能性を高める.

機能的コネクトームの確率的閾値処理:統合失調症への応用

Probabilistic thresholding of functional connectomes: application to schizophrenia
F. Vasa, E.T. Bullmore and A.X. Patel
NeuroImage, 2017.
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機能的なコネクトームは,一般に,領域の神経生理学的信号間の相互相関を閾値処理することで構築されたスパースなグラフとして解析される.閾値処理は,一般に,与えられた絶対値の重みを超えるエッジを保持することによって,または,エッジ密度を制約することによって最も強いエッジ(相関)を保持する.後者の(より広く使用される)方法は,高いエッジ密度による偽陽性のエッジの包含,および低いエッジ密度による陽性のエッジの排除のリスクがある.本稿では,統合失調症患者71名と健常者の対象群56名のresting-stateにおけるfMRI計測データセットに対し,第一種過誤(偽陽性)に対して制御された確率的閾値付きグラフの構築を可能にする新しいウェーブレットベースの方法を適用する.コネクトームを固定されたエッジ特異的P値に閾値処理することにより,統合失調症患者の機能的コネクトームは健常者の機能的コネクトームよりも断続的であり,低いエッジ密度および多くの非連結成分を示した.さらに,多くの被験者のコネクトームは,第一種過誤を制御しながら,文献で一般的に研究されている固定エッジ密度(5~30\%)まで構築できなかった.また,以前に統合失調症研究で報告されたトポロジーランダム化は,コネクトームを相関に基づいて固定密度に閾値処理するときに含まれていた「有意でない」エッジに起因する可能性が高いことが示唆された.最後に,P値を増加させることによって閾値化されたコネクトームを明示的に比較し,相関を減少させることによって,確率的に閾値化されたコネクトームはランダム性の減少および被験者間の一貫性の増加を示す.我々の結果は,グラフ理論を用いた機能的コネクトームの将来の解析,特にエッジ重み(相関)の異種分布を示すデータセット内,グループ間または被験者間の関係に影響を及ぼす.

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

人間の大脳皮質におけるリッチクラブ組織のコストと利益に関与する構造的および機能的側面

Structural and Functional Aspects
Relating to Cost and Bene t of Rich Club Organization
in the Human Cerebral Cortex
Cerebral cortex, vol. 24, no. 9, pp. 2258-2267, 201420170212 mmizuno

最近の研究では,連結された脳領域の小さなセットが,皮質領域間の効率的な通信を可能にする中心的な役割を果たし,密接に相互接続された「リッチクラブ」を形成することが示されている.しかし,リッチクラブの密度と空間的レイアウトが脳構造の高価な特徴を構成することも示唆されている.そこで,解剖学的T1 拡散テンソルイメージング,磁気イメージング,およびfMRI を組み合わせて,いくつかの側面から脳のリッチクラブの構造的および機能的連結性を調べた.本研究において,リッチクラブ領域とリッチクラブの結合は,高い結合レベル,高い白質組織のレベル,高いレベルの代謝エネルギー使用,長い成熟軌道,より多様な領域の時系列変化,より多くの領域間の機能的結合を示唆する.つまり,これらの構造的かつ機能的な尺度から,リッチクラブ組織が,脳の資源に大きな負担をかける脳構造の高コストの特徴であることを示している.しかしながら,リッチ・クラブの高いコストは,リッチ・クラブが脳ネットワーク全体に与える重要な機能的利益によって相殺されるのかもしれない.

脳機能接続のオンライ可視化

Online visualization of brain connectivity
Journal of Neuroscience Methods, Vol.256, p.106-116, 2015
20151211 ktanaka

背景 リアルタイム脳機能マッピングやニューロフィードバックのような脳活動を視覚化する実用的なアプリケーショ ンが構築される一方で,脳機能の接続性に関する分野では視覚化アプリケーションはまだ充分に発展していない. 加えて,接続性の推定は技術的にも難しいためオンラインアプリケーションにおいて脳機能接続性に関する実用 的な使用は避けられてきた.
提案手法 本研究では,オンライン脳波計測時における独立した信号源間の接続性を推定し,可視化することができるアル ゴリズムを提案する.
結果 信号源の抽出と接続性の推定に有効な CSPVARICA のような処理のコアプログラムは Python のツールボックス としてSCoTをオープンソース化している.我々は初めてオンライン上での接続性の可視化を実現可能にした.本 実験では 12 名の被験者に参加協力をして頂き,眼球の開閉によるレストと左右手運動想起で構成されているタス クを行った.接続パターンは 4 名の被験者において 2 つの運動想起間で顕著に異なった.また 7 名の被験者にお いてはレスト区間で異なる接続パターンが観測された.
既存手法との比較 既存の脳機能接続性に関する研究ではオフラインでの手法が主である.それに対して,オンラインでの接続性推 定の研究はさほど行われていない.例えば,一人の被験者に対して着用可能なウェアラブル型の EEG 端末を基に した Glass Brain Project は有名な Science 紙でかなりの注目を昨年浴びた.しかしながら,彼らの手法は多数の 被験者において有効な手法ではない.
結論 我々は EEG 計測時にオンラインで接続性パターンを観測した.これはリアルタイムで接続性を分析するための初 段階の試みである.

EEG, Connectivity, ICA, Real-time, Visualization

ヒューマンコネークトームのリッチクラブ組織

Rich-Club Organization of the Human Connectome
The Journal of Neuroscience, vol.31, no.44, pp.15775–15786, 2011
ヒトの脳は結合された領域の複雑なネットワークである.近年の研究は,異なった領域間のネットワークの間のグローバルな情報統合において重要な役割を担う領域である,密に結合され,高い中心性をもつ新皮質のハブ領域の存在を示している.これらのハブ領域の潜在的で機能的な重要性は,これらの構造および機能的なコネクティビティの外形の障害が神経病理学と結びついていると示している近年の研究により強調される.本研究は脳の皮質下と新皮質の両方を図示し,特にそれらの構造的リンクにおいて,それらの相互関係を調査する.ここでは,脳ハブがいわゆるリッチクラブを形成し,次数の大きいノードが次数の低いノードよりもそれら自身でより結合している傾向によって特徴付けられ,脳ネットワークの高次なトポロジーにおける重要な情報を提供することを示す.21人の被験者の全脳の構造的ネットワークは拡散テンソルデータを用いて再現される.これらのネットワークのコネクティビティプロファイルの調査は12の強く相互接続された両側半球のハブ領域を明らかにし,皮質下の海馬,被殻,および視床だけでなく,楔前部とより上前頭,およびより上頭頂皮質から成っていた.重要なことに,これらのハブ領域は,次数のみに基づいて予測されるものより,密に相互接続され,リッチクラブを形成する.本稿では,特に情報の統合と構造的コアへの協議ロバストネスの役割について,ヒューマンコネクトームのリッチクラブ組織の潜在的で機能的な意味を議論する.

20150707sobuchi