ワーキングメモリタスク中の前頭前部血行動態に関するタスクパフォーマンスおよび学習スタイルの役割の調査

fNIRS measurement of cortical activation and functional connectivity during a visuospatial working memory task
Baker, Joseph M and Bruno, Jennifer L and Gundran, Andrew and Hosseini, SM Hadi and Reiss, Allan L
Plos One, vol.13, pp.203-233, August 2, 2018

認知研究は、不安が認知能力と相関することを示唆している。先行研究では、背側前頭前野および前帯状皮質のような、前頭領域内の不安レベルと知覚負荷との間の関係に焦点を当てていた。強い不安をもつ個人は、効率的な認知処理を必要とする認知的に要求の厳しいタスクにおいて、より悪い性能を有すると予測される。いくつかのfMRIの研究では、強い不安の個人の作業記憶を伴うパフォーマンスおよび脳活動を具体的に検討している。これらの研究は、視覚に関連した刺激を伴う結果を主に提供しているが、このトピックは脳波検査でさらに検討されている。本研究では、作業記憶負荷を操作するために聴覚刺激を使用し、機能的近赤外分光法(fNIRS)を用いて強い不安をもつ参加者または患者の認知機能の欠如を解釈しようと試みた。 30人の参加者のfNIRS信号は、聴覚的作業記憶課題を実行している間に測定された。聴覚n-backタスクのために、異なる記憶負荷を伴う刺激記憶の2つのn-backタスク条件および刺激に対する受動的な聞き取り条件を含む3つの実験条件があった。前頭脳領域からの血行力学的応答を、無線fNIRS装置を用いて記録した。腹側および前頭前野皮質からの脳活性化を測定し、信号をフィルター処理し、アーチファクトを除去した。次いで、fNIRSシグナルを統計的試験で標準化し、群分析を行った。結果は、被験者が負荷が高い聴覚作業記憶タスクに参加していたときに、右腹側および前頭前野皮質に有意に強い血行力学的応答があることを明らかにした。さらに、前頭前野の右側は、不安状態のレベルと負の相関があった。この研究は、他の神経イメージング技術と比較してポータブルアプリケーションに関する柔軟性を考慮して、認知能力および気分状態を評価するための指標としてfNIRS信号を組み込む可能性を明らかにした。

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.

作業記憶,感情処理および安静状態におけるfMRIに基づくグラフの理論的特性のtest-retestの信頼性

Test-retest reliability of fMRI-based graph theoretical properties during working memory, emotion processing, and resting state
H. Cao, M.M. Plichta, A. Schafer, L. Haddad, O. Grimm, M. Schneider, C. Esslinger, P. Kirsch, A. Meyer-Lindenberg and H. Tost
Neuroimage, vol. 84, pp. 888-900, 2014.
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機能的磁気共鳴イメージング(fMRI)およびグラフ理論分析による脳結合の研究は,近年非常に普及しているが,これらの特性,特に能動的fMRIタスクから得られたものの堅牢性についてはほとんど知られていない.ここでは,3つの確立したfMRI実験(n-back,ワーキングメモリ,顔照合,安静状態)とノードを定義するための2つのアトラス(AAL,Power)を用いて健常者26名から脳グラフのtest-retest信頼性を計算した.我々は,5つの異なるデータ処理戦略のクラス内相関係数(ICC)を比較し,条件別回帰分析を用いたタスク回帰法の優れた信頼性を実証した.タスク間の比較では,アクティブなタスクと比較して安静時のICCが大幅に高くなっており,グローバルおよびローカルネットワークプロパティの顔照合タスクに対するn-backタスクの優位性が明らかになった.平均ICCは一般的にアクティブなタスクでは低くなっていたが,グローバルおよびローカルの接続プロパティ,両方のアトラス,スモールワールドでのn-backタスクでは,全体的に相当で良好な信頼性が検出された.また,3つのタスクとアトラスすべてについて,ローカルネットワークプロパティの平均ICCが低いことがわかった.しかし,チャレンジされた機能(安静状態:デフォルトモードのネットワークノード、nバック:フロントノード、頭頂ノード、顔マッチング:辺縁系ノード)にとって重要であることが知られている領域では、ノード特有の良好な信頼性が検出された.しかし,安静状態のデフォルトモードネットワークノード,n-backの前頭ノード,頭頂ノード,顔マッチングの辺縁系ノードのように,その機能にとって重要であることが知られている領域では,ノード特有の良好な信頼性が検出された.アトラス比較の結果では,グローバルおよびローカルネットワークプロパティの機能的な分割化の信頼性が大幅に向上した.我々の知見は,能動的なタスク,グラフ理論の方法,および対象内のデザイン.,特に将来のpharmaco-fMRI研究を用いて,fMRI研究の処理戦略,脳アトラスおよび結果特性の選択を知らせることができる.

ワーキングメモリにおけるDLPFCと海馬の接続性の変化:統合失調症の推定のための独立した遺伝リスクモデルの複製と障害の特異性

Altered DLPFC-Hippocampus Connectivity During Working Memory: Independent Replication and Disorder Specificity of a Putative Genetic Risk Phenotype for Schizophrenia
Michael Schneider, Henrik Walter, Carolin Moessnang, Axel Schafer Susanne Erk, Sebastian Mohnke, Lydia Romund, Maria Garbusow Luanna Dixson, Andreas Heinz
Schizophrenia Bulletin, sbx001, 2017
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“作業記憶中の外側前頭皮質(DLPFC)および海馬の結合性の変化は,統合失調症(SCZ)の表現型と考えられるが,
共通の遺伝的背景を有する他の精神障害との関連性は未知のままである.
ここでは,双極性障害(BD)または大うつ病性障害(MDD)を有する患者のその病気に冒されていない一親等の存在を調べた.さらに私たちは,この表現型の独立した複製を,SCZ患者の一親等にまで提供することを目的とした.
私たちは,N-backタスクにおける,SCZ(n = 62),BD(n = 66),MDD(n = 90)の計218名の患者と
その患者の一親等の健常対照者309名のfMRIデータを取得した.私たちは,DLPFC-海馬(PFWE = 0.031,全てのP値の関心領域[ROI]を補正)に対する有意な群効果を観察した.事後の比較では,この効果は,SCZ親族に由来するものであることが明らかになった.SCZ親族は対照群,BD親族(PFWE = .015)およびMDD親族(PFWE = .082)と比較して,DLPFCおよび右海馬の負の機能的連結性の有意な増加を示した.DLPFCおよび右海馬の負の機能的連結性の有意な増加を示したSCZ親族,MDD親族(PFWE = .082)も同様であった.コントロールに対するBD親族とMDD親族の比較では差はみられなかった(PFWE値$>$ .451).補足分析は,SCZ親族が,構造的差異を含む潜在的ノイズの範囲に対して頑強であることを示唆した.我々のデータは,SCZの中間表現型として,作業記憶中に変化したDLPFC-海馬の接続性をさらに支持する.このことは,この表現型がSCZに比較的特異的であり,気分 – 精神病スペクトルにおける他の遺伝的に関連する障害に影響されないことを示唆している.”

タクシー運転手の警戒に関連した機能的結合のダイナミクス変化

Changes in functional connectivity dynamics associated with vigilance network in taxi drivers
Shen, Hui and Li, Zhenfeng and Qin, Jian and Liu, Qiang and Wang, Lubin and Zeng, Ling-Li and Li, Hong and Hu, Dewen
Neuroimage, vol. 124, pp. 367-378, 2016
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resting-state での機能的結合の低周波数帯の変動はノイズではなく,認知状態のシフトに関連していることを示している脳神経イメージング研究の数はますます増加している.しかし,安静時の機能的結合の変動が長期的な訓練と経験によってどのように影響するのか、どのように変化するのかについての知識は限られている.ここでは,resting-state での機能的結合が運転行動にどのように関連しているかを調査するためにスライディングウインドウアプローチを使用して,20 人の免許タクシードライバーと20 人の健常非ドライバーで比較を行った.私たちは,多変量パターン解析技術に基づいた特定の接続における低周波数変動の振幅によって,運転の経験を効果的に解読できることが分かった.興味深いことに,これらの接続の大部分は「警戒ネットワーク」と名づけられた領域内に収まっていた.さらに,警戒中の減少した振幅はタクシーの運転年数と負の相関が見られた.この結果は,警戒ネットワークと長時間の運転間にresting-state での機能的結合の時間変化依存が関連していることを示唆している.よって,脳がどのように運転行動をサポートするかについての私たちの理解を向上させるだけでなく,脳の機能的ネットワークと個人の行動に関係性が見られた.

実行機能の行動および神経相関:抑制と更新過程の相互作用

Behavioral and Neural Correlates of Executive Function:
Interplay between Inhibition and Updating Processes
Frontiers in neuroscience, vol.11, pp., 2017
20170925_mnishizawa
本研究では行動,神経生理学,効果的な接続指標の分析を通して,2 つの実行機能の過程(抑制および情報の更 新) 間の相互作用を検討した.多くの研究は,実行機能過程の行動効果に個別に焦点を当てているが,これらの 2 つの機能の間の動的因果関係を調査した研究はほとんどない.地元の大学の合計20 人の参加者が, anker と n-back の実験パラダイムを組み合わせてでデュアルタスクを実行し,ワーキングメモリ容量を測定するために設 計されたオペレーションスパンタスクを完了した.抑制タスク( anker) に対する行動(精度および反応時間) およ び神経生理学的(P300 振幅およびαバンドパワー) メトリクスの両方はは更新負荷(n-back レベル) の影響を受け, 作業記憶容量によって調整された.本研究では,EEG 時系列データの独立成分分析,音源定位(DIPFIT),およ びGranger 因果関係分析を用いて,2 重実行タスクにおける認知要求の操作が因果ニューラルネットワークに影 響を与えたことを示した.私たちは、3 つの更新負荷(n-back level) の接続性を比較し,ワーキングメモリ負荷の 実験操作が大規模な神経認知ネットワークの因果関係を強化することを見出した.この前頭前 野と頭頂葉が含まれているネットワークは,これは実行機能過程の抑制および情報更新に関連している.この研究はストレス 下で複雑なマルチタスクを実行する人の為の訓練材料およびインタフェースの設計など,人間のパフォーマンス モデリングおよび神経的作業負荷の評価に潜在的な応用がある

内在性休止状態活動は作業記憶の脳の活性化および行動のパフォーマンスを予測する

Intrinsic resting-state activity predicts working memory
brain activation and behavioral performance
HUMAN BRAIN MAPPING,Vol.34,Issue.12,3204-3215,2013
20170907 sishida

レスティングステイトの脳活動はタスク由来の脳活動に調和することが実証されているが,内在性の脳活動と 誘発性の脳活動の関係は完全に特徴づけられていない.例えば,内在性活動がタスク誘発性の不活性を予測でき るかどうか,レストとタスクの関係はタスクの負荷に依存するかどうかは分からない.この研究において同じセッ ションで集められたれスティングステイトとタスク駆動(N-back ワーキングメモリタスク)のfMRI データを用 いて40 人の健康なコントロール被験者のこれらの問題について取り組んだ.内在性のスティングステイトの活動 の指標として低周波変動振幅(ALFF)を用い,中前頭回と下/上頭頂小葉のALFF はWMタスク由来の活動と 正の相関を示し,下/上頭頂小葉のALFF はWMタスク由来の活動と正の相関を示し,中前頭前皮質,後部帯 状皮質,上前頭回,上側頭回,および紡錘状回はWMタスク由来の不活性と負の相関を示すことがわかった.さ らに,下/上前頭回,下/上頭頂小葉,上側頭回,正中線領域はより高いWMタスク負荷でより強かった.さら に,上頭頂小葉/楔前部のレスティングステイトの活動とタスク由来の活動は被験者間のパフォーマンスの分散 の同様な部分を説明するWMタスクの行動パフォーマンスに有意に相関していた.まとめると,これらの結果は レスティングステイトの内在性活動が認知課題を実行するために特定の脳回路関与を促進するか許容しているこ と,そしてレスティングステイトの活動は後のタスク由来の脳の反応と行動パフォーマンスを予測できることを 示唆している.

感情的な残遺症状の有無に関わらず寛解したうつ病患者におけるN-Back 課題時のデフォルトモードおよびタス クポジティブネットワークのコネクティビティ

Default Mode and Task-Positive Networks Connectivity
During the N-Back Task in Remitted Depressed Patients
With or Without Emotional Residual Symptoms
HUMAN BRAIN MAPPING,Vol.38,Lssue.7,3491-3501,2017
20170718 sishida

うつ病の臨床的寛解は感情的な残胃症状と関連している可能性がある.私たちは感情的な鈍化,寛解したうつ 病患者におけるニューラルネットワークのダイナミクスでの反芻,そしてN-Back 課題時の認知能力について研究 した.うつ病を寛解した26 人の外来患者(ハミルトン抑うつ評価尺度スコア<7)はf MRI 計測中にN-Back 課 題を実施した.全ての患者は最低4ヵ月間パロキセチンの治療を受けた.二つの患者のサブグループ[非運動的鈍 化(NEB)=14 人と感情的鈍化(EB)=12 人]が決定した.被験者間での機能的ネットワークマップを特定す るために,独立成分分析を用いたネットワーク検出が採用された.タスクポジティブネットワーク(TPN)とデ フォルトモードネットワーク(DMN)との間のコネクティビティが評価され,N-Back タスクおよび反復におけ るパフォーマンスの変動性に関連していた.EB およびNEB 患者はN-Back 課題における正確な反応のレベルの 違いはなかった.しかしながら,ワーキングメモリ課題全体にわたって,DMN とTPN の間の負の相関はNEB 群よりもEB 群で有意に低く,認知能力や反芻に異なって関連していた.DMN とTPN との間の負の相関が強い ほど,NEB 患者の3-Back 課題時の反応時間の変動が少なかった.さらに,DMN とTPN との間の負の相関が大 きいほど,EB 患者における反芻値は低かった.感情的な鈍化はDMN とTPN との間の変化した協力を介して退 院したうつ病患者の反芻および認知機能のモニタリングを損なうことと関連する可能性がある.この研究は,う つ病の臨床的寛解が生物学的異質性と関連していることを示唆している. depressive disorder, neural networks, fMRI, working memory, task performance

2 型糖尿病患者のワーキングメモリ関連ネットワークにおける脳活性化と機能的コネクティビティの変化: ICA に基づく解析

Altered brain activation and functional connectivity in working memory related networks in patients with type 2 diabetes: An ICA-based analysis Title
Scientific reports, Vol.6, 1–11, 2016
20161219 rhagiwara

2 型糖尿病(T2DM)は,多次元認知障害を引き起こす可能性があり,そのうちワーキングメモリ(WM)は 通常早期に関与する.しかしながら,T2DM 患者における WM の障害の根底にある神経基盤は,依然として不 明である.この問題を明確にするために,T2DM 患者を WM ネットワークにおける脳活性化および機能的コネ クティビティ(FC)の変化を評価し,機能的磁気共鳴画像法(fMRI)と独立成分分析を利用して,認知および臨 床変数との関連性を決定した.20 人の合併症のない T2DM 患者と 19 人の一致した健常対照(HC)が登録され, fMRI データはブロック設計された 1-back の WM タスク中に獲得された.T2DM 患者の WM 行列は,T2DM 患 者のわずかに低い精度を除いて,HC と比較して差異を示さなかった.HC と比較して,T2DM 患者は WM の前 頭-頭頂ネットワークにおいて活性化が増加し,活性強度は WM パフォーマンスと有意に相関であることを示し た.T2DM 患者は WM ネットワーク内および WM ネットワーク間で FC が減少することを示した.我々の結果 は,WM サブネットワークにおける機能的統合が T2DM 患者では中断され,前頭-頭頂ネットワークにおける局 所活性の強化が T2DM によって引き起こされる WM 障害を補う可能性があることを示している.

成人の ADHD 患者におけるワーキングメモリ課題中の前頭前野の活性減少:fNIRS の研究

Reduced lateral prefrontal activation in adult patients with attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) during a working memory task: A functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) study
Journal of Psychiatric Research,Vol.42,pp.1060-1067,2008

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近赤外分光法 (NIRS)は生体内の皮質組織における酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの濃度の変化を 測定する光学的撮像法である.本研究では,私たちはワーキングメモリ(N-back)の遂行中の多チャンネル NIRS を用いることにより,13 人の成人の ADHD 患者に対して,年齢と性別を適応させた 13 人の健常者対照群との 比較実験を行った.健常者対照群と比較すると ADHD 患者は,VLPFC 上に位置する NIRS チャンネルにおける N-back 課題の遂行時の活性の減少を示し,タスクに関連した酸素化ヘモグロビンの濃度の増加の減少が見られた. この発見は,高い作業負荷(2back)で特に顕著にみられた.そして患者群におけるオミッション・エラーの増加 に対して,統計的な傾向があった.以上のデータから,これまでの ADHD 患者におけるワーキングメモリ障害や 前頭前野の機能不全の所見の裏付け,及び,撮像結果とワーキングメモリの機能モデルの観点から議論する.

Working Memory,N-back task,VLPFC,ADHD,fNIRS