[논문 리뷰] Intracranial EEG structure-function coupling predicts surgical outcomes in focal epilepsy

Nishant Sinha, John S. Duncan외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 17.

Functional Brain Connectivity Studies인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 국소 간질 환자에서 수술 결과를 예측하는 데 있어 전수술적 뇌내 EEG 기반의 구조-기능 결합이 강력하게 예측 가능하다는 것을 입증한다. iEEG, MRI 및 DTI 자료를 이용해 구조적 및 기능적 뇌 네트워크를 분석함으로써, 높은 구조-기능 결합이 수술 후 간질 발작 자유도와 관련이 있으며, 임상적 요인과 조합했을 때 예측 정확도가 85%이고 민감도가 87%에 이르는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Alterations to structural and functional brain networks have been reported across many neurological conditions. However, the relationship between structure and function -- their coupling -- is relatively unexplored, particularly in the context of an intervention. Epilepsy surgery alters the brain structure and networks to control the functional abnormality of seizures. Given that surgery is a structural modification aiming to alter the function, we hypothesized that stronger structure-function coupling preoperatively is associated with a greater chance of post-operative seizure control. We constructed structural and functional brain networks in 39 subjects with medication-resistant focal epilepsy using data from intracranial EEG (pre-surgery), structural MRI (pre-and post-surgery), and diffusion MRI (pre-surgery). We investigated pre-operative structure-function coupling at two spatial scales a) at the global iEEG network level and b) at the resolution of individual iEEG electrode contacts using virtual surgeries. At global network level, seizure-free individuals had stronger structure-function coupling pre-operatively than those that were not seizure-free regardless of the choice of interictal segment or frequency band. At the resolution of individual iEEG contacts, the virtual surgery approach provided complementary information to localize epileptogenic tissues. In predicting seizure outcomes, structure-function coupling measures were more important than clinical attributes, and together they predicted seizure outcomes with an accuracy of 85% and sensitivity of 87%. The underlying assumption that the structural changes induced by surgery translate to the functional level to control seizures is valid when the structure-functional coupling is strong. Mapping the regions that contribute to structure-functional coupling using virtual surgeries may help aid surgical planning.

연구 동기 및 목표

• 전수술적 뇌 내에서의 구조-기능 결합이 국소 간질 수술 성공 여부를 예측할 수 있는지 조사한다.
• MRI/DTI로부터 유도된 구조적 뇌 네트워크와 iEEG로부터 유도된 기능적 네트워크 간의 관계를 조사한다.
• 가상 수술 재절제를 구조-기능 결합 기반으로 수행하여 간질 유발 부위의 국소화를 향상시킬 수 있는지 평가한다.
• 기존 임상 변수 대비 구조-기능 결합의 예측 능력이 수술 후 간질 발작 결과 예측에 얼마나 유의미한지 규명한다.

제안 방법

• 전수술 및 후수술 스캔의 T1 강도 MRI 및 분산 텐서 영상(DTI) 자료를 이용해 구조적 뇌 네트워크를 구축한다.
• 다양한 주파수 대역의 간질기 활동을 기반으로 뇌내 EEG(iEEG) 기록 자료를 이용해 기능적 뇌 네트워크를 구축한다.
• 전역 네트워크 수준 및 개별 전극 접촉 수준의 두 공간 척도에서 구조-기능 결합을 정량화한다.
• iEEG 네트워크에 가상의 절제 수술을 수행하여 수술 결과를 시뮬레이션하고 특정 영역의 결합 기여도를 평가한다.
• 기계학습 모델을 활용해 구조-기능 결합 지표를 임상 변수와 융합하여 결과 예측을 수행한다.
• 약 39명의 약물 내성 국소 간질 환자 코hort에서 정확도 및 민감도 지표를 사용해 예측 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더 강한 전수술적 구조-기능 결합이 국소 간질에서 수술 후 간질 발작 결과 향상과 관련이 있는가?
• RQ2 구조-기능 결합 기반의 가상 수술이 간질 유발 조직의 국소화를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 구조-기능 결합이 임상적 요인보다 수술 성공 예측에 얼마나 더 효과적인가?
• RQ4 분석의 공간 척도(전역 대비 개별 접촉)가 구조-기능 결합의 예측 능력에 영향을 미치는가?
• RQ5 구조-기능 결합의 강도는 간질 수술 결과에 대한 신뢰할 수 있는 생물학적 지표로 간주될 수 있는가?

주요 결과

• 간질 발작 자유를 달성한 환자들은 모든 검사된 간질기 세그먼트 및 주파수 대역에서 비발작 자유 환자보다 유의미하게 높은 전수술적 구조-기능 결합을 보였다.
• 전역 iEEG 네트워크 수준에서의 구조-기능 결합은 개별 임상적 특성보다 더 강력한 예측 지표였다.
• 가상 수술 시뮬레이션 결과, 높은 구조-기능 결합 기여도를 보인 영역는 간질 유발 부위에 더 자주 포함되어 있었다.
• 구조-기능 결합 지표를 임상적 요인과 융합했을 때, 수술 후 간질 발작 자유 예측 정확도는 85%이며 민감도는 87%에 이르렀다.
• 구조-기능 결합의 예측 능력은 간질기 기록 세그먼트나 주파수 대역의 선택에 관계없이 일관되게 유지되었다.
• 이 연구는 효과적인 수술 결과가 뇌의 구조와 기능 간 강력한 전수술적 결합에 의존한다는 가설을 뒷받침한다.