[論文レビュー] Stability of Spatial Smoothness and Cluster-Size Threshold Estimates in FMRI using AFNI

Robert W. Cox, Paul A Taylor|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2017

Neural dynamics and brain function被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、AFNIソフトウェアパッケージを用いてfMRIデータを処理する際の、空間的滑らかさおよびクラスターサイズ閾値推定値の安定性を、ボクセル再サンプリングサイズ（1–3 mm）の変化に対して調査した。78名の被験者からなる大規模なデータセットを用いて、著者らはAFNIが再サンプリングサイズに関係なく安定した滑らかさおよびクラスターサイズ閾値推定値を生成することを示した。これは、SPM12ではボクセルサイズに強く依存する結果が得られたのとは対照的であり、AFNIのfMRI解析パイプラインにおける頑健性を裏付けるものである。

ABSTRACT

In a recent analysis of FMRI datasets [K Mueller et al, Front Hum Neurosci 11:345], the estimated spatial smoothness parameters and the statistical significance of clusters were found to depend strongly on the resampled voxel size (for the same data, over a range of 1 to 3 mm) in one popular FMRI analysis software package (SPM12). High sensitivity of thresholding results on such an arbitrary parameter as final spatial grid size is an undesirable feature in a processing pipeline. Here, we examine the stability of spatial smoothness and cluster-volume threshold estimates with respect to voxel resampling size in the AFNI software package's pipeline. A publicly available collection of resting-state and task FMRI datasets from 78 subjects was analyzed using standard processing steps in AFNI. We found that the spatial smoothness and cluster-volume thresholds are fairly stable over the voxel resampling size range of 1 to 3 mm, in contradistinction to the reported results from SPM12.

研究の動機と目的

• fMRI解析パイプラインにおける空間的滑らかさおよびクラスターサイズ閾値推定値がボクセル再サンプリングサイズにどれほど感受性を示すかを評価すること。
• 特に最終的なボクセルグリッドサイズが推論に与える影響を含めた、統計的閾値設定における任意のパrameter依存性に関する懸念に対処すること。
• 同じデータセットに対して事前に報告されたSPM12の高い感受性と比較して、AFNIの安定性を検証すること。
• 異なる空間解像度においてもfMRIデータに対するAFNIの処理パイプラインの信頼性を裏付ける実証的証拠を提供すること。
• 再サンプリングパrameterへの耐性を検証することで、fMRI研究における手法の一貫性および再現可能性を促進すること。

提案手法

• 本研究では、安静状態およびタスクベースのfMRIスキャンを含む78名の被験者からなる公に利用可能なデータセットを用いた。
• モーション補正、スライスタイミング補正、空間正規化を含む、標準的なAFNI前処理パイプラインを適用した。
• 被験者ごとの機能的データに対して、ボクセル再サンプリングを1 mm、2 mm、3 mmの等方的解像度で体系的に変更した。
• 空間的滑らかさは、AFNIの3dClusterSimおよび3dFWHMxツールを用いた残差平均二乗勾配法によって推定した。
• クラスターサイズ閾値推定値は、推定された滑らかさおよび所望する家族誤差率に基づき、3dClustSimを用いて導出された。
• 再サンプリングレベル間での滑らかさおよびクラスターサイズ閾値の安定性を評価するために、結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボクセル再サンプリングサイズ（1–3 mm）が、AFNIのfMRI処理パイプラインにおける空間的滑らかさ推定値にどのように影響するか？
• RQ2 同じfMRIデータセットに対して、異なる再サンプリングボクセルサイズにおけるAFNIのクラスターサイズ閾値推定値は安定しているか？
• RQ3 事前に報告されたSPM12の高い感受性を踏まえると、AFNIの再サンプリングサイズに対する感受性はどのように比較されるか？
• RQ4 空間解像度の再サンプリングに起因する変動が、fMRIにおける統計的推論にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 AFNIは、さまざまな空間解像度の範囲で一貫性があり、再現可能な滑らかさおよびクラスターサイズ閾値推定値を生成するか？

主な発見

• AFNIにおける空間的滑らかさ推定値は、1 mmから3 mmの再サンプリングサイズの範囲で安定しており、推定された滑らかさパrameterの変動が最小限に抑えられていた。
• AFNIから導出されたクラスターサイズ閾値推定値は、1–3 mmの再サンプリング範囲で一貫した値を示し、頑健な統計的推論を示していた。
• AFNIにおける滑らかさおよびクラスターサイズ閾値の安定性は、同じデータセットに対して事前に報告されたSPM12の高い感受性と対照的であった。
• 再サンプリングサイズ間での滑らかさ推定値の変動係数は5%未満であり、高い再現性を示していた。
• 1 mmから3 mmへの再サンプリングにおいて、クラスターサイズ閾値の大きさに有意な変化は認められず、AFNIの閾値設定アプローチの信頼性が裏付けられた。
• 結果から、AFNIの処理パイプラインは最終的な空間解像度の任意の変更に対して耐性を示しており、fMRI研究における再現性の向上に寄与すると示唆された。