[論文レビュー] Prefrontal cortex functional connectivity based on simultaneous record of electrical and hemodynamic responses associated with mental stress

Fares Al-Shargie|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Heart Rate Variability and Autonomic Control被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、同時 EEG および fNIRS 記録を用いて、精神的ストレス下における前頭前皮質（PFC）の機能的結合を調査し、αリズム（8–13 Hz）および動脈血酸素化・脱酸素化ヘモグロビンの血行動態反応を分析した。結果として、後側側頭前頭前皮質における対側および同一側間の機能的結合が顕著に低下し、ストレス状態下で右側優位性が強まったことが明らかになった。

ABSTRACT

This paper investigates prefrontal cortex (PFC) functional connectivity based on synchronized electrical and hemodynamic responses associated with mental stress. The electrical response was based on alpha rhythmic of Electroencephalography (EEG) signals and the hemodynamic responses were based on the mean concentrations of oxygenated and deoxygenated hemoglobin measured using functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS). The aim is to explore the effects of stress on the inter and intra hemispheric PFC functional connectivity at narrow and wide frequency bands with 8- 13 Hz in EEG and 0.009-0.1Hz in fNIRS signals. The results demonstrated significantly reduce in the functional connectivity on the dorsolateral PFC within the inter and intra hemispheric PFC areas based in EEG alpha rhythmic and fNIRS oxygenated and deoxygenated hemoglobin. The statistical analysis further demonstrated right dorsolateral dominant to mental stress.

研究の動機と目的

• マルチモodal脳イメージングを用いて、精神的ストレス下における前頭前皮質（PFC）の機能的結合を検討すること。
• ストレス下における電気的（EEG α リズム）および血行動態的（fNIRS）反応の関係を調査すること。
• 狭帯域（8–13 Hz）および広帯域（0.009–0.1 Hz）周波数帯域における、後側側頭前頭前皮質における対側および同一側間結合の変化を評価すること。
• 特に右後側側頭前頭前皮質優位性を示す、半球間差の影響を特定すること。

提案手法

• 精神的ストレスタスク中における EEG および fNIRS 信号の同時記録。
• 前頭前皮質領域からの EEG α バンド電力（8–13 Hz）を抽出し、電気的活動を評価。
• fNIRS を用いて酸素化ヘモグロビン（HbO）および脱酸素化ヘモグロビン（HbR）の平均濃度を測定し、血行動態反応を分析。
• 前頭前皮質領域間の機能的結合を、両側間および各側内での相関またはコherレンス指標を用いて計算。
• 周波数帯域特異的分析：EEG は 8–13 Hz（α）、fNIRS は 0.009–0.1 Hz（低周波フラクチュエーション）を対象。
• 条件間での結合強度の統計的比較を実施し、特に右対左後側側頭前頭前皮質の比較に注目。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 精神的ストレスは、EEG や fNIRS で測定された後側側頭前頭前皮質（DLPFC）における機能的結合にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ストレス下における前頭前皮質での EEG α リズムと血行動態的反応（HbO/HbR）の関係は何か？
• RQ3 ストレス下において、対側間および同一側間の前頭前皮質領域における機能的結合に有意な差が生じるか？
• RQ4 精神的ストレスに対する応答として、左または右のどちらの半球がより顕著な機能的結合の破壊を示すか？

主な発見

• 精神的ストレス下において、後側側頭前頭前皮質（DLPFC）における対側および同一側間の両方の機能的結合が顕著に低下した。
• EEG α バンド（8–13 Hz）および fNIRS 衍生の血行動態的信号（HbO および HbR）の両方において、機能的結合の低下が一貫して観察された。
• 右後側側頭前頭前皮質は左に比べてより顕著な機能的結合の破壊を示し、精神的ストレス下で右側優位性が顕著になった。
• EEG と fNIRS の併用解析により、結合抑制の一貫したパターンが明らかとなり、PFC のストレス反応に対するマルチモーダルな妥当性が裏付けられた。