[論文レビュー] Intracranial EEG structure-function coupling predicts surgical outcomes in focal epilepsy

Nishant Sinha, John S. Duncan+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2022

Functional Brain Connectivity Studies被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、前処置脳内EEGに基づく構造機能結合が局灶性てんかん患者の手術予後を強く予測することを示している。iEEG、MRI、DTIデータを用いて構造的および機能的脳ネットワークを分析した結果、構造機能結合が強いほど術後てんかん発作の自由度が高くなることが判明し、臨床的要因と組み合わせることで、予後予測の正確性が85%、感度が87%に達した。

ABSTRACT

Alterations to structural and functional brain networks have been reported across many neurological conditions. However, the relationship between structure and function -- their coupling -- is relatively unexplored, particularly in the context of an intervention. Epilepsy surgery alters the brain structure and networks to control the functional abnormality of seizures. Given that surgery is a structural modification aiming to alter the function, we hypothesized that stronger structure-function coupling preoperatively is associated with a greater chance of post-operative seizure control. We constructed structural and functional brain networks in 39 subjects with medication-resistant focal epilepsy using data from intracranial EEG (pre-surgery), structural MRI (pre-and post-surgery), and diffusion MRI (pre-surgery). We investigated pre-operative structure-function coupling at two spatial scales a) at the global iEEG network level and b) at the resolution of individual iEEG electrode contacts using virtual surgeries. At global network level, seizure-free individuals had stronger structure-function coupling pre-operatively than those that were not seizure-free regardless of the choice of interictal segment or frequency band. At the resolution of individual iEEG contacts, the virtual surgery approach provided complementary information to localize epileptogenic tissues. In predicting seizure outcomes, structure-function coupling measures were more important than clinical attributes, and together they predicted seizure outcomes with an accuracy of 85% and sensitivity of 87%. The underlying assumption that the structural changes induced by surgery translate to the functional level to control seizures is valid when the structure-functional coupling is strong. Mapping the regions that contribute to structure-functional coupling using virtual surgeries may help aid surgical planning.

研究の動機と目的

• 局焦点性てんかんにおける手術成績を予測するのに、前処置時の脳の構造的結合が機能的結合と関連しているかどうかを調査すること。
• てんかん患者における磁気共鳴画像（MRI）／拡散テンソル画像（DTI）からの構造的脳ネットワークと、iEEGからの機能的ネットワークとの関係を検討すること。
• 構造機能結合に基づく仮想的手術が、発作巣の局在化を改善するかどうかを評価すること。
• 従来の臨床的変数と比較して、構造機能結合が術後てんかん予後を予測するのにどの程度のパワーを持つのかを同定すること。

提案手法

• 術前および術後のスキャンから得たT1強調MRIおよび拡散テンソル画像（DTI）データを用いて、脳の構造的ネットワークを構築した。
• 複数の周波数帯域における発作間期活動を用いて、脳内EEG（iEEG）記録から機能的脳ネットワークを構築した。
• グローバルネットワークレベルおよび個々の電極接触レベルの2つの空間スケールで、構造機能結合を定量化した。
• iEEGネットワークに対して仮想的再切除を実施し、特定の領域が結合に与える寄与度を評価した。
• 機械学習モデルを用いて、構造機能結合指標と臨床的変数を組み合わせ、予後予測を行った。
• 39例の薬物耐性局焦点性てんかん患者を対象に、正確性と感度の指標を用いて予測性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 前処置時の構造機能結合が強いほど、局焦点性てんかん患者の術後てんかん予後が良好になるのであろうか？
• RQ2 構造機能結合に基づく仮想的外科手術は、発作巣組織の局在化を改善できるのであろうか？
• RQ3 構造機能結合は、臨床的要因と比較して、手術成績を予測するのにどの程度優れているのか？
• RQ4 分析の空間スケール（グローバル対個々の接触）が、構造機能結合の予測パワーに影響を与えるのであろうか？
• RQ5 構造機能結合の強さは、てんかん手術予後を予測するための信頼できるバイオマーカーと見なせるのであろうか？

主な発見

• てんかん発作の自由を得た患者は、全テスト対象の発作間期セグメントおよび周波数帯域において、発作の自由でない患者と比較して有意に強い前処置時の構造機能結合を示した。
• iEEGグローバルネットワークレベルにおける構造機能結合は、いかなる個別の臨床的特徴よりも、手術成績の予測に優れた指標であった。
• 仮想手術のシミュレーション結果から、構造機能結合への寄与度が高い領域は、発作巣に含まれやすいことが判明した。
• 構造機能結合と臨床的要因を組み合わせることで、術後てんかん発作の自由を予測する正確性が85%、感度が87%に達した。
• 構造機能結合の予測パワーは、発作間期記録セグメントや周波数帯域の選択にかかわらず一貫していた。
• 本研究は、効果的な手術成績が、脳の構造と機能の前処置時の強い結合に依存するという仮説を支持している。