[논문 리뷰] Role of inter-hemispheric connections in functional brain networks

Johann H. Martínez, Javier M. Buldú외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 31.

Functional Brain Connectivity Studies참고 문헌 37인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 EEG 유도 기반 기능적 네트워크를 사용하여 상호 반구 기능적 연결이 인간 뇌 네트워크의 중심성 분포에 어떻게 영향을 미치는지 조사한다. 왼쪽 및 오른쪽 반구를 상호 연결된 하위 네트워크로 모델링함으로써, 중심성 균형이 상호 반구 연결의 전략적 배치—특히 외연-외연(PP) 또는 중심-중심(CC) 연결—에 의해 결정되며, 이는 한 반구가 지배하는지 여부 또는 양측이 기능적으로 균형을 이루는지를 결정함을 보여준다.

ABSTRACT

Today the human brain can be modeled as a graph where nodes represent different regions and links stand for statistical interactions between their activities as recorded by different neuroimaging techniques. Empirical studies have lead to the hypothesis that brain functions rely on the coordination of a scattered mosaic of functionally specialized brain regions (modules or sub-networks), forming a web-like structure of coordinated assemblies (a network of networks). The study of brain dynamics would therefore benefit from an inspection of how functional sub-networks interact between them. In this paper, we model the brain as an interconnected system composed of two specific sub-networks, the left (L) and right (R) hemispheres, which compete with each other for centrality, a topological measure of importance in a networked system. Specifically, we consideredfunctional brain networks derived from high-density electroencephalographic (EEG) recordings and investigated how node centrality is shaped by interhemispheric connections. Our results show that the distribution of centrality strongly depends on the number of functional connections between hemispheres and the way these connections are distributed. Additionally, we investigated the consequences of node failure on hemispherical centrality, and showed how the abundance of inter-hemispheric links favors the functional balance of centrality distribution between the hemispheres.

연구 동기 및 목표

• 상호 반구 연결이 기능적 뇌 네트워크에서 노드 중심성 분포에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 왼쪽 및 오른쪽 뇌 반구 간 기능적 균형을 유지하는 데 있어 상호 반구 연결성의 역할을 조사하기 위해.
• 노드 장애에 대한 네트워크 내구성을 평가하기 위해, 상호 반구 연결 구성이 중심성 손실에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 네트워크 구성에 따라 중심성을 최대화하거나 최소화하는 최적의 연결 전략(PP 대 CC)을 규명하기 위해.

제안 방법

• 인간 뇌를 왼쪽(L) 및 오른쪽(R) 반구를 별개의 하위 네트워크로 간주하고 상호 반구 연결로 연결된 네트워크-오브-네트워크로 모델링하였다.
• 노드 중요도를 정량화하기 위해 고유벡터 중심성을 사용하였으며, 반구 중심성은 개별 노드 중심성의 합으로 계산하였다.
• 실제 중심성 분포가 최적 구성(최대 또는 최소 $C^L$)에 얼마나 가까운지 평가하기 위해 경쟁 매개변수 $\Omega_L$를 제안하였다.
• 중심성 최대화/최소화를 위해 연결 강도의 내림차순으로 정렬된 가중치를 재배치함으로써 상호 반구 연결의 반복적 재접속을 수행하였다.
• 노드 $i$ 제거 후 왼쪽 반구 중심성의 백분율 감소를 국소적 영향 $l^{L}_{imp}(i)$로 정의하였으며, 노드의 총 반구 중심성 기여도를 국소 기여도 $lc^L(i)$로 정의하였다.
• 노드 장애 상황에서 중심성 손실을 분석하기 위해 상호 반구 연결의 세 단계(완전, 상대적, 미약)에서 내구성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상호 반구 연결의 분포가 왼쪽 및 오른쪽 뇌 반구 간 중심성 균형에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 중심성을 최적화하거나 최소화하는 데 효과적인 연결 전략(PP 대 CC)은 무엇이며, 이는 기능적 지배에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 상호 반구 연결의 수가 노드 장애 상황에서 중심성 분포의 내구성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 네트워크의 기능적 균형이 반구 간 연결 노드의 전략적 배치에 얼마나 의존하는가?

주요 결과

• 반구 간 중심성 분포는 상호 반구 연결의 수와 분포에 크게 의존한다.
• 외연-외연(PP) 연결은 $\lambda_1$가 높은 반구(지배적 하위 네트워크)를 유리하게 하여 중심성 축적을 증가시킨다.
• 중심-중심(CC) 연결은 지배적이지 않은 반구에 유리하게 작용하여 다른 구성과 비교해 더 높은 중심성을 달성하도록 한다.
• 만약 $\Omega_L \approx 0$이면, 어느 반구도 최적 구성에 있지 않음을 의미하며, 이는 반구 중심성 간 기능적 균형을 나타낸다.
• 상호 반구 연결 수가 많을수록 한 반구의 지배성을 감소시켜 기능적 균형을 향상시킨다.
• 핵심 노드(허브)가 제거될 경우 중심성에 더 큰 영향을 미치며, 국소 기여도 $lc^L(i)$는 각 노드가 반구 중심성에 기여하는 비율을 정량화한다.