[論文レビュー] Core language brain network for fMRI-language task used in clinical applications

Qiongge Li, Gino Del Ferraro+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2019

Functional Brain Connectivity Studies参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、20名の健常者が臨床的fMRI言語課題を実行している際、ブローカー領域（特にそのオペキュラー部）、ウェルニッケー領域、前運動野、および前補足前頭回の間で一貫した結合性を示すコアな機能的言語ネットワークを同定した。kコア中央性を用いた分析により、これらの領域のうち3つが最も頑健な機能的サブネットワークを形成しており、神経外科手術における切除計画を支援し、重要な言語回路を保持するためのベンチマークを提供する。

ABSTRACT

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is widely used in clinical applications to highlight brain areas involved in specific cognitive processes. Brain impairments, such as tumors, suppress the fMRI activation of the anatomical areas they invade and, thus, brain-damaged functional networks present missing links/areas of activation. The identification of the missing circuitry components is of crucial importance to estimate the damage extent. The study of functional networks associated to clinical tasks but performed by healthy individuals becomes, therefore, of paramount concern. These `healthy' networks can, indeed, be used as control networks for clinical studies. In this work we investigate the functional architecture of 20 healthy individuals performing a language task designed for clinical purposes. We unveil a common architecture persistent across all subjects under study, which involves Broca's area, Wernicke's area, the Premotor area, and the pre-Supplementary motor area. We study the connectivity weight of this circuitry by using the k-core centrality measure and we find that three of these areas belong to the most robust structure of the functional language network for the specific task under study. Our results provide useful insight for clinical applications on primarily important functional connections which, thus, should be preserved through brain surgery.

研究の動機と目的

• 標準化された臨床的fMRI言語課題を実行する健常者間で、一貫した機能的言語ネットワークを同定すること。
• このネットワーク内におけるブローカー領域の亜領域（オペキュラー部および三角部）の機能的結合性の構造を特徴づけること。
• グラフ理論的手法を用いて、言語ネットワークにおける最も頑健で中心的なノードを同定すること。
• 脳腫瘍などの脳疾患に起因する機能的損傷を評価するための、臨床的fMRI研究のための制御ベンチマークを提供すること。
• 神経外科手術計画を支援するため、保持すべき重要な機能的結合を同定すること。

提案手法

• 20名の健常被験者が標準化された言語課題を実行した際のBOLD fMRI信号から機能的結合ネットワークを構築した。
• 脳領域の関心領域（fROIs）間の対比較機能的結合をピアソン相関を用いて計算した。
• kコア中央性を用いて、各被験者の機能的ネットワーク内における最も頑健で高密度に接続されたサブネットワークを同定した。
• 分析の焦点は、ブローカー領域（オペキュラー部および三角部）、ウェルニッケー領域、前運動野（preMA）、前補足前頭回（pre-SMA）およびそれらの相互接続に限定された。
• 結合強度を被験者間で平均化して、一貫した機能的結合パターンを同定した。
• 構造的結合の証拠（例：FAT、縫線束）を用いて、機能的発見を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨床的fMRI言語課題を実行する健常者間で、一貫して存在する機能的脳ネットワークの構造は何か？
• RQ2 ブローカー領域の亜領域（オペキュラー部および三角部）は、コア言語ネットワーク内においてどのように機能的結合性が異なるか？
• RQ3 kコア中央性で測定した場合、言語ネットワーク内で最も高い機能的中央性と頑健性を示す脳領域はどれか？
• RQ4 機能的結合パターンは、既知の構造的言語経路とどの程度一致するか？
• RQ5 この健常者の機能的ネットワークは、脳疾患を有する患者における機能的損傷を評価するための信頼できるベンチマークとして機能できるか？

主な発見

• 全20名の健常被験者において一貫したコア言語ネットワークが同定され、ブローカー領域、ウェルニッケー領域、前運動野、および前補足前頭回を含んでいた。
• ブローカー領域のオペキュラー部（op-BA）は、腹側前運動野との間で最高の機能的結合強度（W^C = 0.74 ± 0.31）を示し、強力な機能的統合を示唆した。
• op-BAと前補足前頭回の結合は高い機能的結合強度（W^C = 0.35 ± 0.23）を示し、構造的前頭斜面 tract（FAT）と整合的であった。
• op-BAとウェルニッケー領域の結合はW^C = 0.30 ± 0.22の結合強度を示し、縫線束を介する言語の背側経路を支持するものであった。
• op-BA、前補足前頭回、および腹側前運動野の3領域が、最も頑健なkコア構造に含まれており、それらの機能的中心性が示された。
• 機能的結合パターンは、FATや縫線束といった既知の構造的経路と一致しており、研究結果の生物学的妥当性を裏付けた。