[論文レビュー] Parameterizable Consensus Connectomes from the Human Connectome Project: The Budapest Reference Connectome Server v3.0

Balázs Szalkai, Csaba Kerepesi+2 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Feb 15, 2016

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

ひとこと要約

Budapestリファレンスコネクトーム・サーバー v3.0 は、ヒューマンコネクトームプロジェクトの477名の被験者からの拡散MRIデータから、パrameter化可能なコンSENSUSコネクトームを生成し、少なくともk名の被験者に存在するエッジ（デフォルトk=209）を特定する。性別、エッジ信頼性、重み閾値、トラクトグラフィーのパrameterによるカスタマイズ可能なフィルタリングを可能とし、神経画像研究および誤り訂正に適した、CSVおよびGraphML形式でダウンロード可能な堅牢なグラフを提供する。

ABSTRACT

Connections of the living human brain, on a macroscopic scale, can be mapped by a diffusion MR imaging based workflow. Since the same anatomic regions can be corresponded between distinct brains, one can compare the presence or the absence of the edges, connecting the very same two anatomic regions, among multiple cortices. Previously, we have constructed the consensus braingraphs on 1015 vertices first in five, then in 96 subjects in the Budapest Reference Connectome Server v1.0 and v2.0, respectively. Here we report the construction of the version 3.0 of the server, generating the common edges of the connectomes of variously parameterizable subsets of the 1015-vertex connectomes of 477 subjects of the Human Connectome Project's 500-subject release. The consensus connectomes are downloadable in csv and GraphML formats, and they are also visualized on the server's page. The consensus connectomes of the server can be considered as the "average, healthy" human connectome since all of their connections are present in at least $k$ subjects, where the default value of $k=209$, but it can also be modified freely at the web server. The webserver is available at \url{http://connectome.pitgroup.org}.

研究の動機と目的

• 健全な被験者間で頻繁に観察される接続に基づいて、標準化されたリファレンス人間コネクトームを提供すること。
• 研究者が、エッジが少なくともk名の被験者に存在するようにフィルタリングすることで、コンセンサスコネクトームを生成できるようにすること。
• 複数の被験者に一貫して存在する接続を同定することで、個々のコネクトームにおける誤った接続の訂正を支援すること。
• 複数形式でダウンロード可能なインタラクティブな可視化とプログラム的ダウンロードを可能とするウェブベースのプラットフォームを提供すること。
• パrameter化可能でスケーラブルなリファレンスコネクトームを提供することで、脳ネットワーク解析の再現性と比較可能性を向上させること。

提案手法

• 1名あたり20k、200k、100万本の繊維を用いた決定的ストレームライントラクトグラフィーを用いた1015頂点のコネクトームの構築。
• 各エッジの信頼性を、そのエッジが存在する被験者の割合として計算。
• ユーザー定義の閾値を適用：エッジ信頼性の最小値（1–100％）、エッジ重みの最小値（平均または中央値）、重み関数（繊維数、長さ、FA、または電気的結合性）。
• 少なくともk名の被験者に存在するエッジとしてコンセンサスエッジを選択し、kはユーザーが設定可能（デフォルトk=209）。
• 事前に計算済みのエッジ重みと信頼性を統合し、リアルタイムでのグラフ生成を可能にするウェブサーバーへの統合。
• アノテーション名付きのノードラベル表示、回転、ズーム、空間クラスタリングを可能にする、改変済みのWebGL Brain Viewerによる可視化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多数の健全な被験者に共通する接続を反映するコンセンサス人間コネクトームの構造はどのようなものか？
• RQ2 エッジの含められる被験者数の最小値（k）を変化させると、コンセンサスコネクトームのトポロジーと頑健性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 コンセンサスコネクトームは、個々の被験者コネクトームにおける誤った接続をどれほど正確に訂正できるか？
• RQ4 異なるエッジ重み関数（例：繊維数、FA）は、コンセンサスエッジの選択にどのような影響を与えるか？
• RQ5 性別による被験者のフィルタリングによって、健全な人間脳の構造的結合パターンの違いが明らかになるか？

主な発見

• Budapestリファレンスコネクトーム・サーバー v3.0 は、ヒューマンコネクトームプロジェクトの500名被験者リリースに含まれる477名の被験者データからコンセンサスコネクトームを生成する。
• デフォルトのコンセンサスグラフである「Budapestリファレンスコネクトーム v3.0」は、パrameter調整なしで直接ダウンロード可能である。
• ユーザーはk（エッジの含められる被験者数の最小値）、エッジ信頼性閾値（1–100％）、エッジ重み閾値を設定することで、コンセンサスグラフをカスタマイズできる。
• サーバーは3種類のトラクトグラフィー繊維発生数（20k、200k、100万本）をサポートしており、その結果はこのパrameterに依存する。
• エッジ重みは4つの関数（繊維数、繊維長、FA、電気的結合性）を用い、中央値または平均の集約を適用する。
• ウェブインターフェースは、ノードラベル表示、空間クラスタリング、3次元インタラクティブ可視化を可能とし、CSVおよびGraphML形式でのエクスポートをサポートする。