[논문 리뷰] More Alike than Different: Quantifying Deviations of Brain Structure and Function in Major Depressive Disorder across Neuroimaging Modalities

Nils R. Winter, Ramona Leenings외 29명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 20.

Functional Brain Connectivity Studies인용 수 7

한 줄 요약

이 대규모 다중 모odal 뇌영상 연구는 1,809명의 참가자를 대상으로 하여 우울증 환자(MDD)와 건강한 대조군 간 뇌 구조 및 기능에 대해 단변량 차이가 매우 미미하다는 것을 밝혀냈다. 효과 크기의 범위는 부분 η² = 0.004에서 0.017이며, 분류 정확도는 우연의 경우를 略로 초월하여 54–55%에 그친다. 이러한 결과는 MDD에서 단변량 사례-대조 뇌영상의 임상적 및 이론적 관련성을 의심하게 하며, 다변량, 이론 기반, 생태학적으로 타당한 접근법으로의 전환을 주장한다.

ABSTRACT

Introduction: Identifying neurobiological differences between patients suffering from Major Depressive Disorder (MDD) and healthy individuals has been a mainstay of clinical neuroscience for decades. However, recent meta- and mega-analyses have raised concerns regarding the replicability and clinical relevance of brain alterations in depression. Methods: Here, we systematically investigate healthy controls and MDD patients across a comprehensive range of modalities including structural magnetic resonance imaging (MRI), diffusion tensor imaging, functional task-based and resting-state MRI under near-ideal conditions. To this end, we quantify the upper bounds of univariate effect sizes, predictive utility, and distributional dissimilarity in a fully harmonized cohort of N=1,809 participants. We compare the results to an MDD polygenic risk score (PRS) and environmental variables. Results: The upper bound of the effect sizes range from partial eta squared = .004 to .017, distributions overlap between 89% and 95%, with classification accuracies ranging between 54% and 55% across neuroimaging modalities. This pattern remains virtually unchanged when considering only acutely or chronically depressed patients. Differences are comparable to those found for PRS, but substantially smaller than for environmental variables. Discussion: We provide a large-scale, multimodal analysis of univariate biological differences between MDD patients and controls and show that even under near-ideal conditions and for maximum biological differences, deviations are extremely small and similarity dominates. We sketch an agenda for a new focus of future research in biological psychiatry facilitating quantitative, theory-driven research, an emphasis on computational psychiatry and multivariate machine learning approaches, as well as the utilization of ecologically valid phenotyping.

연구 동기 및 목표

• 근본적으로 통합된 조건에서 여러 뇌영상 모odal을 통해 MDD 환자와 건강한 대조군 간 단변량 신경생물학적 차이를 체계적으로 정량화하는 것.
• MDD 뇌영상 데이터에서 효과 크기의 상한선, 예측 가능성, 분포상 이질성의 상한선을 평가하는 것.
• 다양한 유전적 위험 점수(PRS)와 환경 변수의 효과 크기와 비교하여 생물학적 관련성을 둘러싸는 것.
• 부군 분석(예: 급성 대비 만성 우울증) 또는 방법론적 동질성 증가가 MDD와 대조군 간 관찰된 유사성에 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 현재의 단변량 사례-대조 뇌영상 접근법이 MDD에서 임상적 또는 이론적으로 의미 있는 생물학적 차이를 제공하는지 도전하고, 생물학적 정신의학의 패러다임 전환을 주장하는 것.

제안 방법

• N = 1,809명의 참가자를 포함한 완전히 통합된 대규모 코hort 연구를 수행하였다.
• 구조적 MRI, 확산 토모그래피(비트리플러스), 작업 기반 fMRI, 휴게 상태 fMRI를 포함한 여러 뇌영상 모달을 활용하였다.
• 모든 모달 간 그룹 간 차이를 정량화하기 위해 부분 에타제곱(partial η²)을 사용하여 단변량 효과 크기를 계산하였다.
• 분포상 이질성 측정 지표를 활용하여 MDD 환자와 대조군 간 분포 겹침을 평가하였다.
• 다변량 모델을 통해 분류 정확도를 평가하여 뇌영상 특징의 예측 능력을 추정하였다.
• MDD 유전적 위험 점수(PRS)와 환경 변수의 효과 크기와 비교하여 뇌영상 효과 크기의 생물학적 의미를 둘러싸는 데 목적이 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 뇌영상 모달 간 MDD 환자와 건강한 대조군 간 뇌 구조 및 기능에 대한 단변량 효과 크기의 상한선은 무엇인가?
• RQ2 MDD 환자와 건강한 대조군 간 뇌영상 특징의 분포가 얼마나 겹치며, 이는 개인 수준의 분류에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 뇌영상 특징의 예측 정확도는 MDD 유전적 위험 점수(PRS)와 환경 변수에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ4 부군 분석(예: 급성 대비 만성 우울증) 또는 방법론적 동질성 증가가 MDD와 대조군 간 관찰된 유사성에 영향을 미치는가?
• RQ5 현재의 MDD 단변량 뇌영상 연구가 임상적으로 유의미하거나 이론적으로 의미 있는 생물학적 차이를 제공하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 뇌영상 모달 간 단변량 효과 크기의 상한선은 부분 η² = 0.004에서 0.017 사이로 매우 미미한 그룹 수준의 차이를 나타낸다.
• MDD 환자와 건강한 대조군 간 분포 겹침 비율은 89%에서 95%에 이르며, 대부분의 개인 뇌영상 프로파일이 두 집단 간에 구별되지 않음을 시사한다.
• 모든 뇌영상 모달에서 MDD 환자와 대조군을 구분하는 분류 정확도는 54–55%에 그치며, 우연의 경우를 약간 초월하는 수준이다.
• 이러한 결과는 급성 또는 만성 우울증 환자만을 분석해도 거의 변화하지 않아, 작은 효과 크기가 임상 하위군 간에 매우 강건하다는 것을 시사한다.
• 뇌영상 유래 효과 크기는 환경 변수와 비교해 훨씬 작으며, MDD 유전적 위험 점수(PRS)와 유사한 크기이므로 임상적 유용성이 제한적임을 시사한다.
• 본 연구는 이전 단변량 뇌영상 연구에서 관찰된 작은 효과 크기가 주로 표본 크기 부족이나 방법론적 이질성 때문이 아니라, MDD 환자와 건강한 개인 간에 내재된 신경생물학적 유사성 때문임을 결론 내린다.