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
20171015_yfujiwara

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

20160627_ttamaki

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

ワーキングメモリ,感情処理及びレスティングステイト中の fMRI に基づくグラフ理論的性質の試験・再試験信 頼性

Test-retest reliability of fMRI-based graph theoretical properties during working memory, emotion processing, and resting state
NeuroImage, Vol.84,888–900, 2014

機能的核磁気共鳴画像法(fMRI)とグラフ理論解析を用いた脳コネクトームの研究が最近人気を得ているが, 特にアクティブ fMRI タスク由来のロバスト性についてはほとんど知られていない.そこで,3 つの確立された fMRI 実験(n-back ワーキングメモリ,感情的な顔照合,レスティングステイト)における 26 名の健康な参加者 から計算された脳のグラフにおける試験・再試験信頼性を研究し,ノード定義(AAL アトラス,Power らによる 機能的アトラス)の 2 つの分割案を提案した.5 つの異なるデータ処理方法のクラス内相関係数(ICCs)を比較 し,状態固有の回帰子であるタスク回帰の優れた信頼性を実証した.タスク間の比較は,アクティブなタスクと相 対的にレスティングステイトが有意に高い ICCs と全体的および局所的なネットワーク特性の顔照合タスクと相対 的な n-back タスクが有意なことを明らかにした.平均 ICCs は一般的にアクティブタスクで低い一方,全体的な 公正な良好な信頼性は全体的および局所的コネクティビティ特性と,両アトラスとスモールワールド性が検出さ れた.すべての 3 つのタスクおよびアトラスにおいて,低い平均 ICCs は局所的なネットワーク特性がみられた. しかし,ノード特有の良い信頼度は,検証された機能(レスティングステイト:デフォルトモードネットワーク のノード,n-back:前頭-頭頂のノード,顔照合:辺縁系のノード)において重要だと知られている領域における ノードの degree 検出した.アトラス間の比較は,全体的および局所的なネットワーク特性における機能的分割の 信頼性が有意に高いことが実証された.結果は,アクティブタスクを使用した fMRI 研究における処理方法,脳ア トラスや結果特性の選択やグラフ理論方法や特に将来の薬理的 fMRI 研究における被験者間のデザインを知らせる ことが可能となる

n バックのワーキングメモリ課題中の統合失調症患者における広範囲な前頭前野の活動の減少 :多チャンネル NIRS の研究

Reduced but broader prefrontal activity in patients with schizophrenia during n-back working memory tasks : A multi-channel near-infrared spectroscopy study
Journal of psychiatric research, Vol.47, No.9, pp.1240-1246, 2013
20160413harada

背景:背外側(DLPFC)と腹外側(DLPFC)前頭前野を含む前頭前野の尾側領域は,ワーキングメモリといっ た重要な認知機能に関与している.対照的に,前頭極皮質(FPC)といった,より吻側の領域は,認知機能の中 で統合機能を有し,これにより,実世界の社会的活動に決定的に寄与している.以前の機能的磁気共鳴イメージ ング研究では,健常者と比較して,統合失調症患者が認知的負荷の変化に対応して異なる DLPFC の活動パター ンを持つことを示した.しかし,尾側および吻側前頭前野の活性における空間的関係は無制約条件下で評価され ていない.

方法:26 人の統合失調症患者および 26 歳の発病前の知能に一致した健常者がこの研究に参加した.異なる認知 負荷で n バックのワーキングメモリ課題時の血行動態変化は,多チャネルの近赤外分光法(NIRS)を用いて測定 された.

結果:健常者群は,両 VLPFC における課題に関連する重要な活性と DLPFC における課題に関連する重要な 不活性を,課題がより認知機能を要求するときにより大きな信号変化を伴うことで示した.対照的に,統合失調症 患者は,両 DLPFC と FPC を含む,より吻側の領域で活性化を示した.認知機能の発生する上昇割合において, 不活性でもなければ活性でもない.

結論:この多チャンネル NIRS の研究では,活性化の強度は,認知機能の変 化を伴う統合失調症患者において上昇しなかったことを実証し,統合失調症における認知障害として前頭葉の機 能低下が示唆される.

機能的ネットワークのモジュラリティによる個人間と個人内のワーキングメモリ容量の変動の予測

Functional Brain Network Modularity Captures Inter- and Intra- Individual Variation in Working Memory Capacity
PLoS ONE, Vol.7, No.1, e30468
20151029sobuchi

背景:ワーキングメモリのような認知機能は人によって異なる.しかしながら,個々の認知パフォーマンスも日によって変化する.認知可変性の一つの原因は神経システムの機能的組織における変動かもしれない.最適化された機能的ネットワークの組織の度合いは,個々の効果的な認知機能に関連している可能性がある.本論文では,レスティングステイトfMRIによって計測されたラージスケールネットワークの組織がどのように変化するか,そしてグラフ理論追跡はワーキングメモリ容量を変化するのかを検討する.
手法と結果:22名の被験者はワーキングメモリ容量を計測し,レスティングステイトfMRIを行った.17名は同じ実験を3週間後に行った.34の脳領域においてネットワーク組織を計測するため,グラフ理論を用いた.サブネットワークの統合性と分離性の度合いを示すネットワークモジュラリティとネットワーク結合の効率性を示すスモールワールド性は,個人の記憶容量の違いを予測した.しかしながら,モジュラリティのみ2セッション間の個人内の変動を予測した.セッション間で安定しているワーキングメモリのコンポーネントを制御する偏相関係数分析は,モジュラリティが各セッションのワーキングメモリの変動性とよく関連していたことを明らかにした.特定のサブネットワークと個人の回路の解析は,ワーキングメモリの変動性を明確に説明することはできなかった.
結論:レストで計測された認知制御ネットワークとして定義された機能的組織は,実際の認知パフォーマンスについての情報を反映していることを結果は示している.個人のワーキングメモリ容量の変動性に対するネットワークモジュラリティの関連性は,信号の調整あるいはノイズ伝達の抑制を通して,モジュール内の高い結合とモジュール間の疎な結合が脳領域間の効果的な信号伝達を反映する可能性があることを示している.

n-back ワーキングメモリパラダイム:標準的脳機能イメージングの研究のメタ解析

N-backworkingmemoryparadigm:Ameta-analysisofnormativefunctionalneuroimagingstudies

Neuroscience, Volume 25, Issue 1, pages 46201359, May 2005

20150718khanawa

ワーキングメモリにおける脳機能イメージングの研究の最も人気ある実験の一つは、nバック課題です。それは、被験者が口頭または非言語の一連の刺激または位置を観測し、現在提示されている刺激がn個前の刺激と同じかどうか指示することを求められます。我々はワーキングメモリの内容とプロセスを操作する異なるnバック課題の主要な24の研究によって報告されたタライラッハ空間内の活性した座標の668組の定量的メタ解析を行いました。次の皮質領域が確実に活性化された(偽発見率=1%)ことがわかりました。:横方向の運動前野;背側帯状回と内側運動前野;背外側と腹外側前頭前皮質;前頭極;内側と外側後部頭頂皮質;一次データの適切なサブセットに基づいた本稿のメタ解析は言語刺激と非言語刺激とその両方の同一性観測のための活性パターンの幅広い類似を示しました。異なる課題の反応において、個別の前頭頂の活性パターンにおけるいくつかの証拠もありました。一般的な広範囲の前頭頭頂系における主要な皮質成分のそれぞれの機能局在が議論されています。我々は定量的なメタ解析がタライラッハ領域で報告されている複数の主要な研究の成果を結合するための強力なツールになりうると結論づけています。本稿では、nバック課題のワーキングメモリの枠組みの様々なバージョンによって前頭葉と頭頂皮質領域の広く一貫した活性化とワーキングメモリにおける前頭頭頂の活性化の両方の証拠を提供します。

meta-analysi, working memory, n-back task