[논문 리뷰] Graph analysis of spontaneous brain network using EEG source connectivity

Aya Kabbara, Wassim El Falou외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 04.

Functional Brain Connectivity Studies참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 14명의 건강한 피험자에서 휴식 상태 동안 고밀도 EEG 원천 연결성으로 복원된 기능적 뇌망구조에 그래프 이론적 분석을 적용한다. 고도의 기능적 허브로 이스트무스 히포크라무스 및 궤도전두엽 영역을 규명하고, 기본 모드망구조의 효율적 상호영역 통신을 가능하게 하는 중심적 역할을 확인하며, EEG가 내재된 뇌망구조의 위상도를 매핑하는 데의 유용성을 입증한다.

ABSTRACT

Exploring the human brain networks during rest is a topic of great interest. Several structural and functional studies have previously been conducted to study the intrinsic brain networks. In this paper, we focus on investigating the human brain network topology using dense Electroencephalography (EEG) source connectivity approach. We applied graph theoretical methods on functional networks reconstructed from resting state data acquired using EEG in 14 healthy subjects. Our findings confirmed the existence of sets of brain regions considered as functional hubs. In particular, the isthmus cingulate and the orbitofrontal regions reveal high levels of integration. Results also emphasize on the critical role of the default mode network (DMN) in enabling an efficient communication between brain regions.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 EEG를 사용하여 산만한 뇌망구조의 위상 조직을 조사하기 위해
• 원천 수준의 연결성을 이용하여 휴식 상태에서 인간 뇌의 기능적 허브를 규명하기 위해
• 기본 모드망구조(DMN)가 뇌 영역 간 효율적 소통을 매개하는 역할을 평가하기 위해
• 휴식 상태 조건에서 그래프 기반의 망구조 분석을 위한 EEG 원천 재구성의 타당성을 검증하기 위해

제안 방법

• 뇌의 피질 영역에서 활동을 추정하기 위해 EEG 원천 국소화 기법을 사용하여 휴식 상태 EEG 데이터에서 기능적 뇌망구조를 복원하였다.
• 원천 재구성된 시간 시리즈를 기반으로 상관관계 기반 방법을 사용하여 뇌 영역 간 이원적 기능적 연결성을 계산하였다.
• 망구조 위상도를 특징짓기 위해 차수 중심성, 중간 중심성, 군집 계수와 같은 그래프 이론적 지표를 적용하였다.
• 망구조 분석은 허브 식별 및 기본 모드망구조가 전체 망구조의 효율성에 기여하는 정도 평가에 집중하였다.
• 밀도 높은 EEG 어레이와 고급 원천 재구성 기법을 사용하여 14명의 건강한 피험자 데이터를 대상으로 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 휴식 상태 인간 뇌망구조에서 어떤 뇌 영역이 기능적 허브로 작용하는가?
• RQ2 기본 모드망구조는 뇌 영역 간 효율적 소통을 유지하는 데 어떻게 관여하는가?
• RQ3 EEG 원천 연결성에서 유도된 기능적 뇌망구조의 위상 조직은 어떠한가?
• RQ4 차수 중심성과 중간 중심성과 같은 그래프 지표는 핵심 뇌 영역의 통합을 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 이스트무스 히포크라무스 및 궤도전두엽 피질이 높은 차수를 가진 기능적 허브로 규명되었으며, 전체 망구조에 강하게 통합되어 있었다.
• 기본 모드망구조가 뇌 영역 간 효율적 소통을 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것이 확인되었다.
• 높은 중간 중심성을 가진 영역은 주로 기본 모드망구조에 위치해 있어 망구조의 다리 역할을 한다는 점이 나타났다.
• 기능적 망구조는 소월성 성질을 보이며, 짧은 경로 길이와 높은 군집도를 통해 효율적인 정보 전달을 지원하였다.