[논문 리뷰] Cortical current source connectivity by means of partial coherence fields

Roberto D. Pascual‐Marqui, R. Biscay외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 01.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전도체에 의한 영향과 낮은 공간 해상도로 인해 기존의 EEG 공명도의 한계를 극복하기 위해 부분 공명도 필드를 사용하여皮질 전류 소스 연결성을 추정하는 새로운 방법을 제안한다. 선형 EEG 톰그래피 해법에서 유도된 일반화된 부분 공명도를 활용함으로써, 공간 해상도가 향상되어 19개의 전극으로도 지연 연결된 뇌 영역을 정확히 탐지하고 국소화할 수 있으며, 시뮬레이션에서 전통적 공명도 및 지연 공명도 방법보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

An important field of research in functional neuroimaging is the discovery of integrated, distributed brain systems and networks, whose different regions need to work in unison for normal functioning. The EEG is a non-invasive technique that can provide information for massive connectivity analyses. Cortical signals of time varying electric neuronal activity can be estimated from the EEG. Although such techniques have very high time resolution, two cortical signals even at distant locations will appear to be highly similar due to the low spatial resolution nature of the EEG. In this study a method for eliminating the effect of common sources due to low spatial resolution is presented. It is based on an efficient estimation of the whole-cortex partial coherence matrix. Using as a starting point any linear EEG tomography that satisfies the EEG forward equation, it is shown that the generalized partial coherences for the cortical grey matter current density time series are invariant to the selected tomography. It is empirically shown with simulation experiments that the generalized partial coherences have higher spatial resolution than the classical coherences. The results demonstrate that with as little as 19 electrodes, lag-connected brain regions can often be missed and misplaced even with lagged coherence measures, while the new method detects and localizes correctly the connected regions using the lagged partial coherences.

연구 동기 및 목표

• 전도체에 의한 영향과 낮은 공간 해상도로 인한 EEG에서의 잘못된 연결성 문제를 해결하기 위해.
• 공통된 전도체 소스의 영향을 제거함으로써 진정된 기능적 연결성을 고립하는 방법을 개발하기 위해.
• 최소한의 전극 수로도 지연 연결된 뇌 영역을 탐지하고 국소화하는 것을 향상시키기 위해.
• 일반화된 부분 공명도가 EEG 톰그래피의 선택에 관계없이 불변함을 입증하여 강건성을 확보하기 위해.
• 전통적 공명도 및 지연 공명도에 비해 진정된 분포된 뇌 네트워크를 식별하는 데서 본 방법의 우수성을 검증하기 위해.

제안 방법

• EEG 전방 모델을 만족하는 선형 EEG 톰그래피를 사용하여 EEG 데이터에서 전체 피질 부분 공명도 행렬을 추정한다.
• EEG 역해법에서 유도된 피질 회색질 전류 밀도 시간 시리즈에 일반화된 부분 공명도를 적용한다.
• 특정 EEG 톰그래피를 사용하더라도 부분 공명도가 불변함을 보장한다. 이는 전방 방정식을 만족할 경우에 한한다.
• 모든 다른 피질 소스를 조건으로 하여 공통 소스의 영향을 제거하는 수학적 프레임워크를 사용한다.
• 다변량 통계적 접근법을 사용하여 모든 피질 소스 쌍에 대해 동시에 부분 공명도를 계산한다.
• 시뮬레이션을 통해 부분 공명도의 성능을 전통적 공명도 및 지연 공명도 측정 방법과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부분 공명도 필드는 전통적 공명도에 비해 EEG 기반 피질 연결성 맵핑의 공간 해상도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 본 방법은 EEG에서 전도체에 의한 잡음 연결성의 정도를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 최소한의 EEG 전극 수로도 지연 연결된 뇌 영역을 정확히 탐지하고 국소화할 수 있는가?
• RQ4 일반화된 부분 공명도 추정치는 EEG 역해법(톰그래피)의 선택에 관계없이 불변인가?
• RQ5 모의 뇌 활동에서 본 방법은 진정된 기능적 연결성과 전도체에 의한 잡음 간의 구별에서 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 모의 EEG 데이터에서 일반화된 부분 공명도는 전통적 공명도보다 더 높은 공간 해상도를 보였다.
• 19개의 전극만으로도 전통적 공명도 및 지연 공명도 방법은 종종 지연 연결된 뇌 영역을 탐지하지 못하거나 잘못 국소화했다.
• 제안된 부분 공명도 방법은 낮은 전극 밀도 조건에서도 연결 영역을 정확히 식별하고 국소화할 수 있었다.
• 부분 공명도 추정치는 전방 방정식을 만족하는 한, EEG 톰그래피의 선택에 관계없이 불변이었다.
• 시뮬레이션 결과, 부분 공명도가 공통된 전도체 소스의 영향을 효과적으로 억제함을 확인했다.
• 직접적인 기능적 연결성을 고립함으로써 분포된 뇌 네트워크의 더 정확한 재구성 가능성이 있었다.