[논문 리뷰] Core language brain network for fMRI-language task used in clinical applications

Qiongge Li, Gino Del Ferraro외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 12.

Functional Brain Connectivity Studies참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 20명의 건강한 참가자가 임상 fMRI 언어 과제를 수행하는 동안 핵심 기능적 언어 네트워크를 규명하여, 브로카 영역(특히 그의 껍질 부분), 워니케 영역, 전운동 영역, 그리고 전-전부뇌피질영역 사이의 일관된 연결성을 밝혀냈다. k-core 중심성 분석을 통해 이들 영역 중 세 개가 가장 강력한 기능적 하위네트워크를 형성하며, 뇌수술 시 신경외과적 절제 시 필수 언어 회로를 보존하기 위한 기준이 될 수 있음을 입증하였다.

ABSTRACT

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is widely used in clinical applications to highlight brain areas involved in specific cognitive processes. Brain impairments, such as tumors, suppress the fMRI activation of the anatomical areas they invade and, thus, brain-damaged functional networks present missing links/areas of activation. The identification of the missing circuitry components is of crucial importance to estimate the damage extent. The study of functional networks associated to clinical tasks but performed by healthy individuals becomes, therefore, of paramount concern. These `healthy' networks can, indeed, be used as control networks for clinical studies. In this work we investigate the functional architecture of 20 healthy individuals performing a language task designed for clinical purposes. We unveil a common architecture persistent across all subjects under study, which involves Broca's area, Wernicke's area, the Premotor area, and the pre-Supplementary motor area. We study the connectivity weight of this circuitry by using the k-core centrality measure and we find that three of these areas belong to the most robust structure of the functional language network for the specific task under study. Our results provide useful insight for clinical applications on primarily important functional connections which, thus, should be preserved through brain surgery.

연구 동기 및 목표

• 표준화된 임상 fMRI 언어 과제를 수행하는 건강한 개인들 간에 지속적인 기능적 언어 네트워크를 규명하는 것.
• 이 네트워크 내에서 브로카 영역의 분할(운반부 및 삼각부) 간의 기능적 연결성 구조를 특성화하는 것.
• 그래프 이론적 분석을 통해 언어 네트워크에서 가장 강력하고 중심적인 노드를 규명하는 것.
• 뇌종양 등의 뇌 병변으로 인한 기능적 손상 평가를 위한 임상 fMRI 연구의 기준을 제공하는 것.
• 수술 계획 수립을 위해 보존되어야 할 핵심 기능적 연결을 식별하는 것.

제안 방법

• 20명의 건강한 참가자가 표준화된 언어 과제를 수행하는 동안 BOLD fMRI 신호로부터 기능적 연결성 네트워크를 구축하였다.
• 뇌 영역 간의 이원기능적 연결성을 계산하기 위해 피어슨 상관계수를 사용하였다.
• 각 참가자의 기능적 네트워크 내에서 가장 강력하고 고도로 상호연결된 하위네트워크를 식별하기 위해 k-core 중심성을 적용하였다.
• 분석은 주로 언어 관련 영역에 집중하였으며, 브로카 영역(운반부 및 삼각부), 워니케 영역, 전운동 영역(preMA), 전-전부뇌피질영역, 그리고 이들의 상호연결을 포함하였다.
• 연결성 가중치를 참가자 간 평균화하여 일관된 기능적 연결성 패턴을 규명하였다.
• 기능적 결과를 해석하기 위해 구조적 연결성 증거(예: FAT, 아크류트 피스)를 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임상 fMRI 언어 과제를 수행하는 건강한 개인들 간에 일관되게 존재하는 기능적 뇌 네트워크 아키텍처는 무엇인가?
• RQ2 브로카 영역의 분할(운반부 및 삼각부)은 핵심 언어 네트워크 내에서 어떻게 기능적 연결성에서 차이를 보이는가?
• RQ3 k-core 중심성으로 측정했을 때 언어 네트워크에서 가장 높은 기능적 중심성과 강성(robustness)을 보이는 뇌 영역는 무엇인가?
• RQ4 기능적 연결성 패턴은 알려진 구조적 언어 경로와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 이 건강한 기능적 네트워크는 뇌 병변이 있는 환자에서 기능적 손상 평가를 위한 신뢰할 수 있는 기준으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 모든 20명의 건강한 참가자에서 일관된 핵심 언어 네트워크가 규명되었으며, 이는 브로카 영역, 워니케 영역, 전운동 영역, 전-전부뇌피질영역을 포함한다.
• 브로카 영역의 껍질 부분(op-BA)은 복측 전운동 영역과 가장 높은 기능적 연결성 가중치(W^C = 0.74 ± 0.31)를 보이며, 강력한 기능적 통합을 나타낸다.
• op-BA와 전-전부뇌피질영역 간 연결성은 높은 기능적 연결성 가중치(W^C = 0.35 ± 0.23)를 보이며, 구조적 전 frontal aslant tract(FAT)와 일치한다.
• op-BA와 워니케 영역 간 연결성은 W^C = 0.30 ± 0.22의 가중치를 보이며, 아크류트 피스를 통한 후방 경로의 언어 기능을 지지한다.
• 세 영역—op-BA, 전-전부뇌피질영역, 복측 전MA—는 가장 강력한 k-core 구조에 속해 있으며, 이는 기능적 중심성의 증거이다.
• 기능적 연결성 패턴은 FAT 및 아크류트 피스와 같은 알려진 구조적 경로와 일치하여, 연구 결과의 생물학적 타당성을 뒷받침한다.