[論文レビュー] Functional Brain Imaging: A Comprehensive Survey

Saman Sarraf, Jian Sun|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2016

Optical Imaging and Spectroscopy Techniques参考文献 52被引用数 21

ひとこと要約

この包括的なサーベイは、fMRIと機能的光学画像法に焦点を当てた機能的脳イメージングモダリティをレビューし、構造的および動的神経活動の橋渡しを図る。これらの技術が脳の機能をリアルタイムで捉える仕組みを説明し、神経科学および臨床応用分野において解剖学的知識をはるかに超える重要な知見を提供する。

ABSTRACT

Functional brain imaging allows measuring dynamic functionality in all brain regions. It is broadly used in clinical cognitive neuroscience as, well as in research. It will allow the observation of neural activities in the brain simultaneously. From the beginning when functional brain imaging was initiated by the mapping of brain functions proposed by phrenologists, many scientists were asking why we need to image brain functionality since we have already structural information. Simply, their important question was including a great answer. Functional information of the human brain would definitely complement structural information, helping to have a better understanding of what is happening in the brain. This paper, which could be useful to those who have an interest in functional brain imaging, such as engineers, will present a quick review of modalities used in functional brain imaging. We will concentrate on the most used techniques in functional imaging which are functional magnetic resonance imaging (fMRI) and functional optical imaging, which is one of novelties in this area of study.

研究の動機と目的

• 研究者およびエンジニア向けに、機能的脳イメージング技術の包括的概要を提供すること。
• 既存の構造的脳画像データがあるにもかかわらず、なぜ機能的イメージングが不可欠であるかという根本的問いに応えること。
• 本分野で最も顕著で革新的なモダリティとして、fMRIおよび機能的光学画像法を強調すること。
• 機能的イメージングが構造的情報を補完することで、脳のダイナミクスをより深く理解できるようにすること。
• 機能的脳イメージング研究に新たに従事する者や、その分野をさらに発展させようとする者にとっての基盤的参考文献を提供すること。

提案手法

• fMRIおよび機能的光学画像法に重点を置いた、主な機能的脳イメージングモダリティの体系的レビュー。
• fMRIにおける血流動的反応の生理学的基盤および機能的光学画像法における光学信号の分析。
• 各モダリティの空間分解能および時間分解能、侵襲性、臨床的適用性の比較。
• 脳の機能的イメージングの進化を、初期のフロノロジー的マッピングから現代の神経イメージングへと検証。
• 技術的および臨床的視点の統合により、各モダリティの強みと限界を評価。
• 査読付き論文および確立された医学物理学の原則を用いて、研究手法の主張を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的脳イメージングが既に存在するのにもかかわらず、なぜ機能的脳イメージングが必要なのか？
• RQ2 fMRIと機能的光学画像法は、そのメカニズムおよび応用においてどのように異なるのか？
• RQ3 fMRIおよび機能的光学画像法が動的脳活動を捉える上で、主な利点と限界は何か？
• RQ4 機能的イメージングは、解剖学的構造をはるかに超えて神経プロセスの理解をどのように深めるのか？
• RQ5 機能的イメージング技術は、臨床的認知神経科学の発展において果たす役割は何か？

主な発見

• 機能的脳イメージングは、構造的イメージングだけでは捉えきれない動的でリアルタイムの神経活動の知見を提供する。
• fMRIは高い空間分解能と非侵襲性のおかげで、依然として主要なモダリティであり、時間分解能に制限がある。
• 機能的光学画像法は、向上した時間分解能と床頭または手術中での応用可能性を有する新規で有望な技術として登場している。
• 機能的および構造的脳データの統合は、脳機能および機能障害の理解を顕著に向上させる。
• フロノロジーから現代の機能的イメージングへと至る歴史的経緯は、脳の活動を動的に測定する必要性を示している。
• 機能的イメージングモダリティは、認知神経科学および臨床診断において不可欠なツールであり、解剖学的情報とは補完的な情報を提供する。