[論文レビュー] Graph analysis of spontaneous brain network using EEG source connectivity

Aya Kabbara, Wassim El Falou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2016

Functional Brain Connectivity Studies参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、14名の健常者における安静状態下での高密度EEG源結合を用いて、機能的脳ネットワークのグラフ理論的解析を実施した。内側縫線傍頭回および前頭前野領域が機能的ハブとして特定され、効率的な領域間通信を可能にするためにデフォルトモードネットワーク（DMN）が中心的役割を果たしていることが確認された。EEGを用いた内在的脳ネットワークトポロジーのマッピングの有効性が示された。

ABSTRACT

Exploring the human brain networks during rest is a topic of great interest. Several structural and functional studies have previously been conducted to study the intrinsic brain networks. In this paper, we focus on investigating the human brain network topology using dense Electroencephalography (EEG) source connectivity approach. We applied graph theoretical methods on functional networks reconstructed from resting state data acquired using EEG in 14 healthy subjects. Our findings confirmed the existence of sets of brain regions considered as functional hubs. In particular, the isthmus cingulate and the orbitofrontal regions reveal high levels of integration. Results also emphasize on the critical role of the default mode network (DMN) in enabling an efficient communication between brain regions.

研究の動機と目的

• 高密度EEGを用いて、自発的脳ネットワークのトポロジー組織を調査すること。
• 源レベルの結合を用いて、安静状態下における人間脳の機能的ハブを同定すること。
• デフォルトモードネットワーク（DMN）が脳領域間での効率的通信をどのように媒介するかを評価すること。
• 安静状態下におけるEEG源再構成を用いたグラフベースのネットワーク解析の有効性を検証すること。

提案手法

• 被験者14名の安静状態EEGデータを用い、EEG源局在化を用いて皮質領域の活動を推定することで、機能的脳ネットワークを再構築した。
• 源再構築された時系列を用いて、相関に基づく手法により脳領域間の対象的機能的結合を計算した。
• ネットワークトポロジーを特徴付けるために、次数中心性、媒介中心性、クラスタリング係数などのグラフ理論的指標を適用した。
• ネットワーク解析は、ハブの同定およびデフォルトモードネットワークが全体のネットワーク効率に与える寄与の評価に焦点を当てた。
• 高密度EEGアレイと高度な源再構成技術を用いて、14名の健常者からのデータを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安静状態下における人間脳ネットワークで、どの脳領域が機能的ハブとして機能するか？
• RQ2 デフォルトモードネットワークは、脳全体における効率的な通信をどのように維持しているか？
• RQ3 EEG源結合から導かれた機能的脳ネットワークのトポロジー組織はどのように構成されているか？
• RQ4 次数中心性や媒介中心性といったグラフ指標は、重要な脳領域の統合をどのように反映しているか？

主な発見

• 内側縫線傍頭回および前頭前頭皮質が、高い次数を持つ機能的ハブとして特定され、ネットワーク全体への統合が顕著に見られた。
• デフォルトモードネットワークが、脳領域間の効率的通信を可能にする上で重要な役割を果たしていることが判明した。
• 高い媒介中心性を示す領域は主にデフォルトモードネットワークに位置しており、ネットワークのブリッジとしての役割が示された。
• 機能的ネットワークはスモールワールド特性を示しており、低路長と高いクラスタリングを伴う、効率的な情報伝達を支持していた。