[논문 리뷰] Human brain parcellation using time courses of instantaneous connectivity

Erik S.B. van Oort, Maarten Mennes외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 15.

Functional Brain Connectivity Studies참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 순간 기능적 연결성의 시간 곡선을 사용하여 뇌 영역을 하위 영역으로 분할하는 상향식 기능적 분할 방법인 즉각적 연결성 분할(Instantaneous Connectivity Parcellation, ICP)을 소개한다. 고해상도 휴식 상태 fMRI 데이터에 적용된 ICP는 척색체, 엔토르히날皮질, 운동 피질 및 미각핵을 포함한 하위구조를 생물학적으로 타당한 하위 영역으로 성공적으로 식별하였으며, 세포조직학적 지도와의 비교 검증을 통과하였다.

ABSTRACT

Functional neuroimaging studies have lead to understanding the brain as a collection of spatially segregated functional networks. It is thought that each of these networks is in turn composed of a set of distinct sub-regions that together support each network's function. Considering the sub-regions to be an essential part of the brain's functional architecture, several strategies have been put forward that aim at identifying the functional sub-units of the brain by means of functional parcellations. Current parcellation strategies typically employ a bottom-up strategy, creating a parcellation by clustering smaller units. We propose a novel top-down parcellation strategy, using time courses of instantaneous connectivity to subdivide an initial region of interest into sub-regions. We use split-half reproducibility to choose the optimal number of sub-regions. We apply our Instantaneous Connectivity Parcellation (ICP) strategy on high-quality resting-state FMRI data, and demonstrate the ability to generate parcellations for thalamus, entorhinal cortex, motor cortex, and subcortex including brainstem and striatum. We evaluate the subdivisions against available cytoarchitecture maps to show that the our parcellation strategy recovers biologically valid subdivisions that adhere to known cytoarchitectural features.

연구 동기 및 목표

• 기존의 하향식 클러스터링 방식을 넘어서 더 큰 뇌 영역 내 기능적 하위 단위를 식별하는 새로운 상향식 분할 전략을 개발하는 것.
• 기존의 세포조직학적 경계와의 일치를 통해 기능적 분할의 생물학적 타당성을 향상시키는 것.
• 순간 기능적 연결성의 시간 곡선이 기능적으로 동질적인 영역을 신뢰성 있게 하위 영역으로 분할할 수 있는지 평가하는 것.
• 최적의 하위 영역 수를 결정하기 위해 반분 재현성(스플릿-홀프 리프로덕티빌리티)을 활용한 재현 가능한 분할 방법을 수립하는 것.
• 결과로 도출된 분할 결과를 기존의 해부학적 지도와 비교하여 해부학적 및 기능적 관련성을 확인하는 것.

제안 방법

• 메서드는 사전에 정의된 영역(예: 척색체 또는 운동 피질)을 기반으로 시작된다.
• ROI 내 각 볼륨에서 다른 모든 볼륨과의 순간 기능적 연결성 시간 곡선을 추출하여 동적인 기능적 관계를 캡처한다.
• 이 시간 곡선을 클러스터링의 입력 자료로 사용하여 기능적 연결성 역학이 상이한 하위 영역을 식별한다.
• 데이터 분할 간 일관성을 평가하기 위해 반분 재현성을 적용하며, 이를 통해 최적의 하위 영역 수를 선정한다.
• 클러스터링 과정은 정적 상관관계가 아닌 연결성의 시간 패턴에 기반하여 동적인 기능적 분리에 중점을 둔다.
• 최종 분할 결과는 공간적 일관성과 기존의 세포조직학적 경계와의 일치 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순간 기능적 연결성의 시간 곡선이 동질적인 뇌 영역을 기능적으로 구분 가능한 하위 영역으로 신뢰성 있게 분할할 수 있는가?
• RQ2 제안된 ICP 방법이 데이터 분할 간 재현 가능성이 있으며 생물학적으로 타당한 분할을 생성하는가?
• RQ3 ICP로 도출된 하위 영역이 인간 뇌의 기존 세포조직학적 지도와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ4 ICP 접근법은 척색체나 뇌간과 같이 분할이 특히 어려운 대상인 피질 이하 및 비피질 영역에 적용 가능한가?
• RQ5 하향식 클러스터링에 비해 상향식 ICP 전략이 기능적 및 해부학적으로 의미 있는 하위 분할을 더 효과적으로 포착하는가?

주요 결과

• 즉각적 연결성 분할(ICP) 방법은 척색체, 엔토르히날 피질, 운동 피질 및 뇌간과 스타이아투스를 포함한 하위구조를 기능적으로 상이한 하위 영역으로 성공적으로 분할하였다.
• ICP로 생성된 분할 결과는 높은 반분 재현성을 보이며 하위 영역 식별의 강건성을 입증하였다.
• 결과로 도출된 하위 영역은 강한 공간적 일관성을 보였으며 인간 뇌의 기존 세포조직학적 경계와 일치하였다.
• 기존에 분할이 어려운 것으로 간주되던 영역, 예를 들어 하위구조 영역에서도 기능적으로 이질적인 하위 영역을 식별하였다.
• 해부학적 지도와의 비교 검증을 통해 ICP는 생물학적으로 타당한 하위 영역을 회복함을 확인하였으며, 기능적 뇌 지ap핑에 유용함을 뒷받침하였다.
• 순간 기능적 연결성의 시간 곡선을 활용함으로써 기존의 상관계 basеd 방법이 포착하지 못한 동적인 기능적 분리도 탐지할 수 있었다.