[論文レビュー] The Advantage is at the Ladies: Brain Size Bias-Compensated Graph-Theoretical Parameters are Also Better in Women's Connectomes

Balázs Szalkai, Bálint Varga+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2015

Functional Brain Connectivity Studies参考文献 29被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、グラフ理論的パラメータにおいて以前に観察された脳結合の性差が、脳サイズの影響によるものかどうかを調査する。36例の小型男性脳と36例の大規模女性脳を比較し、全女性脳が全男性脳を上回るサイズであるように選択した。サイズ補正後でも女性の結合体は、最小二部分割幅、固有ギャップ、最小頂点被覆など、優れた結合性特性を維持しており、ネットワーク効率性および耐性の面で生物学的性差が内在していることを示唆している。

ABSTRACT

In our previous study we have shown that the female connectomes have significantly better, deep graph-theoretical parameters, related to superior "connectivity", than the connectome of the males. Since the average female brain is smaller than the average male brain, one cannot rule out that the significant advantages are due to the size- and not to the sex-differences in the data. To filter out the possible brain-volume related artifacts, we have chosen 36 small male and 36 large female brains such that all the brains in the female set are larger than all the brains in the male set. For the sets, we have computed the corresponding braingraphs and computed numerous graph-theoretical parameters. We have found that (i) the small male brains lack the better connectivity advantages shown in our previous study for female brains in general; (ii) in numerous parameters, the connectomes computed from the large-brain females, still have the significant, deep connectivity advantages, demonstrated in our previous study.

研究の動機と目的

• 以前に報告された脳結合における性差が、生物学的性別ではなく脳サイズに起因するかどうかを特定すること。
• 極端なサイズ差を示す被験者からマッチングされた男性および女性の脳グラフを構築することで、脳サイズの影響を分離すること。
• ネットワークの耐性性および効率性を示す深層グラフ理論的パラメータが、サイズ補正後も女性の結合体で優れているかどうかを検証すること。
• 女性脳の結合性優位性が、単に大きな脳容量やトラクタグラフィーのバイアスに起因するものでないことを検証すること。
• 性差による結合体トポロジーの違いが、方法論的アーティファクトではなく生物学的に意味のあるものである証拠を提供すること。

提案手法

• 中央値未満のサイズの男性脳36例と中央値を超えるサイズの女性脳36例を選択し、全女性脳が全男性脳を上回る体積であるように保証した。
• 標準的なトラクタグラフィー・ワークフローを用いて拡散MRIデータから脳グラフを構築し、ノードを皮質領域、エッジを白質結合として定義した。
• 最小二部分割幅、固有ギャップ、最小頂点被覆、スパニングフォレスト、マッチング指標を含む包括的なグラフ理論的パラメータを計算した。
• エッジ数およびネットワークサイズの差を考慮して、群間比較のための正規化技術を適用した。
• t検定などの統計的仮説検定を実施し、複数のパラメータにおいて男性および女性の結合体間の差の有意性を評価した。
• Human Connectome Projectの公開済み結合体データを用い、一貫した前処理およびグラフ構築プロトコルを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 女性の結合体で報告された優れたグラフ理論的結合性パラメータが、脳サイズが小さいことに起因するものなのか、性別差に起因するものなのか。
• RQ2 脳容量を補正した場合、女性脳の結合性優位性が、より小さな脳を持つ男性と比較しても維持されるのか。
• RQ3 脳サイズ補正後でも、どの具体的な深層グラフ理論的パラメータが女性の結合体で顕著に優れているのか。
• RQ4 女性脳のネットワーク耐性性および効率性の優位性が、大きな脳におけるトラクタグラフィーの限界に起因するアーティファクトなのか。
• RQ5 脳容量の影響を除いても、性差による結合体トポロジーの違いを信頼性を持って検出できるのか。

主な発見

• 脳サイズをマッチングさせた後でも、大規模な女性脳は小型男性脳よりも顕著に高い最小二部分割幅（p = 0.00733）を示し、ネットワーク分割の耐性性が優れていることを示した。
• 女性の結合体の固有ギャップは、男性の結合体よりも顕著に大きく（p = 0.01652）あり、拡張性の優位性およびランダムウォークの高速混合を示唆した。
• 女性の結合体は、顕著に大きな最小頂点被覆（p = 0.01652）を示し、すべてのエッジをカバーするためのノード数が多く、結合性の複雑さが高まっていることを示した。
• スパニングフォレストの数は、女性の結合体で顕著に多かった（p = 0.00531）、ネットワークの冗長性および耐性の高さを示した。
• 正規化後も、女性の結合体はバランスの取れた最小カットやエッジ重みの合計など、複数のパラメータで高い値を維持しており、複数の指標で耐性性が確認された。
• 本研究は、女性脳の結合性優位性が脳サイズに起因するものではなく、結合体トポロジーにおける性差そのものに起因するものであることを確認した。