血流動態反応の特徴づけ:相対的なタイミングに基づくプレゼンテーション速度、サンプリング手順、および 指令脳活動の可能性の影響

Characterizing the Hemodynamic Response: Effects of Presentation Rate, Sampling Procedure, and the Possibility of Ordering Brain Activity Based on Relative Timing
NeuroImage,vol.11, no.6, pp.735–759, 2000
20160611 syoshitake
イベント関連の機能的 MRI(ER-fMRI)により血行動態に基づくニューロイメージング方法では,認知の設 定の典型的な行動のタスクのパラダイムを採用することができる.しかし,血行動態応答とその分散の低迷は, ER-fMRI を適用することができる方法を制限する.2 つの関連した研究では、一次視覚と運動野の近くの血行動 態応答の推定値が,ER-fMRI の手順の限界を決定するために,また,より一般的に血行動態の振る舞いを記述す るために,さまざまなパラダイムとサンプリング間で比較された.一般的な血行動態応答の時間的プロファイル は,重複イベントでの線形モデル内の線形方程式のセットを解くことにより,推定された.形状についての仮定で は方程式は解かれなかった.時間プロファイルの推定に続いて,振幅およびタイミングはγ関数を用いてモデル 化された.結果は,(1) 領域内での対象の被験者では,測定値の 1 つのシリーズと次のものでは,血行動態応答は 振幅 (r2 = 0.98) とピークまでの時間推定 (r2 = 0.95) で非常に安定し,ピークまでの時間推定 (r2 = 0.60) でや や低く安定した.(2) 試験の速度を(20 秒の間隔を置いたものから)変更すると,血行動態応答振幅が小さく,し かし優位に減少した.(平均) 間隔が 5 秒の間隔では,20 秒間隔をあけたものに比べて振幅の 17 から 25%までの 減少を示した.信号の強さの解析では,速い速度で試行数の増加が,統計的に信頼性のある応答検出が目的であ る場合,振幅の減少を上回ることが示された.(3)1 領域における血行動態応答の振幅とタイミングの知識はあっ ても,たとえ被験者内比較であっても,別の領域でそれらの特性を予測することはできなかった.(4) 被験者間で, 応答の振幅は,time-to-onset または time-to-peak の推定値といった応答のタイミングのどちらとも、有意な相関 を示さなかった.(5) 領域内での応答の安定性は,応答のタイミングでの相殺が領域間のタイミングの変更につい ての疑問に答える立場に事象関連 fMRI の方法を配置する,第二の方法であることを発見するのに十分であった。

神経活動カップリングにおける一般的な加齢の血流動態反応への影響

The Effect of Normal Aging on the Coupling of Neural
Activity to the Bold Hemodynamic Response
NeuroImage, vol.10, No.1, pp.6-14, 1999
20160518 syoshitake

認知過程の神経基盤における加齢変化に関する試験仮説に対する機能的神経画像の使用は,神経画像信号における神経活動のカップリングに関する仮定に依存している.若者と高齢者間の神経画像信号応答の差は,カップリングが年齢とともに変化していない場合にのみ,神経応答の差異に直接マップすることができる.本稿では、単一反応時間課題のパフォーマンス中に若者や高齢者における一次感覚運動皮質でのBOLDfMRIの血行動態応答の空間的および時間的特性を調べた.我々は若い被験者の100%(N=32)と比較して,高齢者の75%(N=20)は,この領域における行動パラダイムで検出可能なボクセルワイズ関係を示したことがわかった.若年者における閾値上のボクセルの中央値は高齢者の中央値の4倍以上だった.高齢者のボクセルあたりのより大きなノイズレベルに起因し,若者での信号やボクセル当りでのノイズは高齢者よりも大きかった.その証拠は,高齢者において観察されたより大きな頭の動きがこの大きいボクセルでのノイズの原因だったという考えをサポートしていなかった.血行動態応答の形状のいずれか又はそのグループ内での変動制に有意差はなかった,しかし,前者は近くに有意な傾向を証明した.結果により,神経活動とBOLDfMRI信号の間の血流動態カップリングの加齢による変化は,若者と高齢者の比較を行うイメージング研究の単純な解釈に反して起こることが分かった.

機能的近赤外分光法におけるモーションアーチファクト:実際の認知データに適用される体動補正技術の比較

Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: A comparison of motion
correction techniques applied to real cognitive data
NeuroImage, vol.85, no.1, pp.181-191, 2014
20160409 katayama

多くの機能的近赤外分光法(NIRS)の実験において,モーションアーチファクトはノイズの著しい原因である.それにもかかわらず,それらの除去のための十分に確立された方法は存在していない.その代わりに,モーションアーチファクトを含むfNIRSデータの機能の治験は,多くの場合,完全に却下される.しかし,ほとんどの実験環境では,試行回数は制限があり,特に困難な集団において,複数のモーションアーチファクトは一般的である.モーションアーチファクトを補正するために,主成分分析,スプライン補間,カルマンフィルター,ウェーブレットフィルターおよび相関に基づく信号改善を含んだ多くの方法が提案されている.異なる技術の性能は,多くの場合,シミュレーションで比較されているが,実際の機能データではまれにしか評価されていない.ここでは,認知課題中において得られた実際の機能データで,体動補正技術の性能を比較した.課題では,血行動態応答と相関している低周波,低振幅のモーションアーチファクトをもたらす,被験者が声を出して話すことが求められた.これらの方法の有効性を比較するために,血行動態応答の生理機能に関連する客観的な評価指標が引き出されている.治験を却下するよりもモーションアーチファクトを補正する方が常により良いことと,アーチファクトが93%占める曲線下の面積を減少させる,ウェーブレットフィルターがこの種類のアーチファクトを修正するための最も効果的なアプローチであることを我々の結果は示している.したがって,我々の結果は,ウェーブレットフィルターがfNIRSデータにおけるモーションアーチファクトの補正のための最も有望かつ強力な技術であることを示した先行研究を支持している.ここでの分析は,異なる体動補正アルゴリズムの影響を客観的にテストし,独自のfNIRS実験の分析のための最も適切な選択をする人のための先導として役立つにちがいない.

fNIRS 測定におけるタスクに関連する系統的干渉の解析:fMRI による見解

Analysis of task-evoked systemic interference in fNIRS measurements: Insights from fMRI
NeuroImage, vol.87, pp.490-504, 2014
20160201 htanaka
近赤外分光法(fNIRS)は,臨床応用の広い範囲で,脳の血行動態を診断するための有望な方法である.fNIRS信号は脳から表面組織まで全身の生理的干渉に影響され,結果的にタスク関連の神経活動が誤って推定される.本研究では,頭皮血流と脳血流を別々に抽出し,fNIRS測定に対する頭皮血流の影響を特徴づけるfMRIの血中酸素レベル(BOLD)信号の加重平均空間を光学的に構築するために,fMRIの解剖学的な解像度を使用する.我々は,脳や表面組織に影響を与える生理的干渉を除去するために,拡張された表面組織の信号の回帰(ESSR)手法を紹介する.光学的に測定された空間にfMRI画像を投影することにより得られた,光学的に重みづけされたBOLD信号における手法を,我々は適用し検証する.生理的ノイズを除去するためのESSR手法の有効性は,全体の信号の回帰分析(GSR)と表面組織の信号の回帰分析(SSR)とで比較される.それぞれの手法で取得された信号は,脳血流変動による脳の活性化を示す信号と比較される.二つの手法で比較した際に,ピアソンのR2係数や対応のあるt検定で反映されたように,ESSRの手法を用いて,タスクによる神経活性が有意に改善されたことを我々は報告する。ESSRの手法は,より高次元の空間配置,試行間の低い変動性,正規波形および高コントラスト-雑音比(CNR)の改善(60%)に適用されるときに,最も信号の質は向上する.私たちの発見は,認知課題時には,表面的な頭皮血流信号がfNIRS測定に与える影響は前頭部の異なる領域により有意に変動し,頭皮血流信号を血行動態の局所的な尺度とともに用いると,全体的な干渉における重大な根拠が表面組織だけではなく脳に内在していることを示す.表面と深部の光路長の重なりを最大化することが,fNIRS測定において,血行動態応答を精密に改善するためには重要であると,我々は結論づける.

拡散光イメージングにおけるウェーブレットを用いた血流反応の推定

Wavelet-based estimation of the hemodynamic responses in diffuse optical imaging
Medical image analysis, vol. 14, no. 4, pp. 606 – 616, 2010
20151202 sshigaraki

拡散光イメージングは,血流反応を通した神経活動の間接的な測定を行うために光を用いている.比較的低吸収率の近赤外光を用いることで,皮質1cmの深部までの血流変化の計測を可能としている重要な信号から生理学を切り離そうとする時,酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの両方の情報の急速な獲得,そして情報へのアクセスで新しい挑戦が生まれる.特に,近年の研究では視覚野の信号における1/fのノイズ構造の存在が証明され,慣習的な手法と比較した時に,ウェーブレットに基づいた一般線形モデルは構造化されたノイズの相関を失わせ,反応振幅のより優れた評価を提供しうる.この研究では,ウェーブレットの手法を血流変化の全ての時間的形状を取り戻す.

fMRI における血流動態応答関数のモデル化:効率,バイアスと誤モデリング

Modeling the hemodynamic response function in fMRI: Efficiency, bias and mis-modeling
NeuroImage, Volume 45, Issue 1, Supplement 1, March 2009, Pages S187-S198
20151006 taki

これまでのたいていの脳研究は誘発されたfMRI反応の大きさに焦点を当てているが,ピークまでの潜伏時間や持続時間にもまた最近関心が高まってきている.モデリング手順の数はfMRIの応答の待ち時間と持続時間の計測をもたらす.本研究において,我々はこれらの仮定,モデルの複雑さ,および解釈が異なるいくつかの手法を比較する.各手法毎に,我々は,振幅,ピーク遅延,および持続時間を推定するため,複数被験者のfMRIの設定で推論を行うための方法を紹介する.次に,相関感度手法と,あるパラメータに影響されているタスク(例:持続時間)が他(例:大きさ)に帰属しない場合の傾向を評価する.最後に,モデルの誤指定を定量化し,モデルの選択に関連するバイアスおよびパワー損失を評価するための方法を紹介する.全体的な結果は,BOLD信号のタスクで誘発された本当の変化は正確に戻すことは驚くほど難しく,大きさ,バイアスおよびパラメータ混同の面でモデル間の実質的な違いがあることを示した.認知や情動神経科学における事実上すべてのfMRI研究では,これらのモデルを採用しているため,その結果は血流動態応答推定値における心理的,神経科学研究の多種多様な解釈に適う.

女性か男性かによって, メンタルローテーション課題中における皮質の活性は異なるパターンを示す

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Kirsten Jordana, Torsten Wustenberga, Hans-Jochen Heinzeb, Michael Petersc, Lutz Jancke
Neuropsychologia, Volume 40, Issue 13, 2002, Pages 2397-2408

どの認識課題においても, 男性のような性別の違いが最も強い影響を与えることが, 三次元物体のメンタルロー
テーション課題によって分かった. 多くの研究は, メンタルローテーション課題中の機能的な脳の活性を調査して
いて, 性別の違いがそれらに関与すると述べられている. しかしながら, それらの研究において, 男性と女性とでは
全般的な能力のレベルに違いがあるため, 現実を混乱させる要因となった. 対照的に, 脳の機能的な活性について
の私たちの研究は, 三つのメンタルローテーション課題における全般的な能力に差がなかった男女の皮質の活性パ
ターンについて調査した. これらは, 混乱を与えている全般的な能力のレベルの影響を取り除くこととなった. 女
性は, 頭頂間溝(IPS) と上頭, 下頭頂小葉(SPL,IPL) の両方の活性が, 下側頭回(ITG) と運動前野と同じくらい重
要であると示した. 男性は, 右頭頂後頭溝(POS), 左頭頂間溝(IPS), 左上頭頂小葉(SPL) の活性が重要だと示した.
男性女性の両方において, 運動前野が活性を示したが, 男性はさらに左運動皮質の活性が重要であると示した. 活
性が重要でないのは, 下側頭回であると分かった. 私たちの結果は, 能力が同じときのメンタルローテーション活性
時の, 本当の男女差の脳活性化のパターンの違いを示した. そのような違いは, メンタルローテーション課題の解
決において, 性別によって異なる方法を用いることが示唆される.

fNIRS のための体動補正技術の系統的比較

A systematic comparison of motion artifact correction
techniques for functional near-infrared spectroscopy

Frontiers in Neuroscience,October 2012,Volume 6,Article 147

近赤外分光法(NIRS) は,光ファイバと頭皮との間の相対的な動きによって生じるアーチファクト信号の影響
を受けやすい.これらのアーチファクトは,特に運きを避けることが困難な被験者群では機能的なNIRS の有用
性に非常にダメージを与える.NIRS データから体動を除去するいくつかの手法が提案されている.本論文では,
我々は公開されている様々なNIRS の動き補正技術の有用性を,体動が含まれた20 のNIRS データにシミュレー
トされた機能的な活性化信号を加えたデータセットを使用して系統的に比較する.主成分分析,スプライン補間,
ウェーブレット解析,およびカルマン・フィルタリングのアプローチは相互に比較される.そして元に戻ったかの
精度はシミュレートされた血行動態関数(HRF) を用いた標準的なアプローチを使用する.我々がテストした4 つ
の動き補正技術は,平均二乗誤差(MSE) の有意な減少をもたらす.また,元に戻したHRF のコントラスト対雑
音比(CNR) は補正無しと比べ,有意に増加する.そして,体動の影響を取り除くプロセスについて比較した.ス
プライン補間はMSE の最大の平均減少(55 %) を示し,ウェーブレット解析はCNR の最高平均増加(39 %) を示
した.この分析に基づき,我々はfNIRS データ上の体動の影響を最小限に抑えるために動き補正技術(特にスプ
ライン補間やウェーブレット解析) の日常的な適用を推奨する.

near-infrared spectroscopy, functional near-infrared spectroscopy, NIRS, motion artifact, hemodynamic response

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