[論文レビュー] Resting state fMRI-based temporal coherence mapping

Ze Wang|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

Functional Brain Connectivity Studies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、位相空間再構成と相関解析を用いて、休息状態脳活動における長距離時間的整合性（LRTC）を定量化する新しいfMRI手法、時間的整合性マッピング（TCM）を紹介する。TCMは認知に関連する脳動態を的確に捉え、Human Connectome Projectデータにおいて高いテスト・リテスト再現性および年齢、性別、認知機能成績との関連を示した。

ABSTRACT

Long-range temporal coherence (LRTC) is quite common to dynamic systems and is fundamental to the system function. LRTC in the brain has been shown to be important to cognition. Assessing LRTC may provide critical information for understanding the potential underpinnings of brain organization, function, and cognition. To facilitate this overarching goal, we provide a method, which is named temporal coherence mapping (TCM), to explicitly quantify LRTC using resting state fMRI. TCM is based on correlation analysis of the transit states of the phase space reconstructed by temporal embedding. A few TCM properties were collected to measure LRTC, including the averaged correlation, anti-correlation, the ratio of correlation and anticorrelation, the mean coherent and incoherent duration, and the ratio between the coherent and incoherent time. TCM was first evaluated with simulations and then with the large Human Connectome Project data. Evaluation results showed that TCM metrics can successfully differentiate signals with different temporal coherence regardless of the parameters used to reconstruct the phase space. In human brain, TCM metrics except the ratio of the coherent/incoherent time showed high test-retest reproducibility; TCM metrics are related to age, sex, and total cognitive scores. In summary, TCM provides a first-of-its-kind tool to assess LRTC and the imbalance between coherence and incoherence; TCM properties are physiologically and cognitively meaningful.

研究の動機と目的

• 休息状態fMRIデータにおける長距離時間的整合性（LRTC）を評価する、強固で定量的な手法を開発すること。
• 特に人間脳ネットワークにおける時間的整合性を測定するための標準化されたツールの不足に応えること。
• 大規模なヒト神経画像データにおけるLRTC指標の生理的および認知的関連性を評価すること。
• 臨床および認知神経科学研究への応用を想定し、fMRIから導出されるLRTC測定値のテスト・リテスト再現性を確立すること。

提案手法

• 時間遅れ埋め込みを用いて、fMRI時系列の位相空間を再構成する。埋め込み次元と時間遅れを変化させた。
• 再構成された位相空間内の遷移状態同士のペアワイズ相関を計算し、時間的整合性を定量化する。
• 複数のTCM指標を定義：平均相関、逆相関、相関対逆相関比、平均同期／非同期持続時間、同期対非同期時間比。
• 既知のLRTC特性を持つシミュレート信号にTCMを適用し、手法の正確性を検証する。
• Human Connectome Project（HCP）の休息状態fMRIデータを用いて、TCMの再現性および生物学的妥当性を評価する。
• テスト・リテスト再現性を評価するために、組内相関係数（ICC）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TCMは、位相空間再構成パラメータに依存せずに、異なる程度の長距離時間的整合性を示す信号を信頼性高く区別できるか？
• RQ2 健常者における繰り返しの休息状態fMRIスキャンにおいて、TCMから得られる指標はどの程度再現性を示すか？
• RQ3 TCM指標はヒト脳データにおいて年齢や性別といった人口統計的要因と関連しているか？
• RQ4 HCPコhortにおいて、TCM指標は総合的な認知機能成績スコアと相関しているか？
• RQ5 実際のfMRIデータにおいて、どのTCM指標が最も強固な生理的および認知的関連性を示すか？

主な発見

• TCM指標は、埋め込みパラメータに依存せず、明確に異なる時間的整合性レベルを持つシミュレート信号を区別できた。
• 同期対非同期時間比を除き、HCPデータセットにおいてすべてのTCM指標が高いテスト・リテスト再現性（ICC > 0.7）を示した。
• HCPコhortにおいて、TCM指標は年齢、性別、および総合認知成績スコアと有意に関連しており、生物学的および認知的妥当性を示した。
• 平均相関および逆相関指標は、時間的整合性構造の変化に対して強く感受性を示した。
• 平均同期および非同期持続時間指標は、同期的および非同期的活動の交互に現れる動的脳状態に関する明確な洞察を提供した。
• 相関対逆相関比は、同期的および非同期的神経動態のバランスを強固に示す指標として浮上した。