外傷性脳損傷患者における構造的および機能的ネットワーク接続性の変化と慢性症状との関係
外傷性脳損傷患者の構造的および機能的ネットワーク接続の変化に関する研究
背景紹介
外傷性脳損傷（Traumatic Brain Injury, TBI）は、長期的な認知、感情、身体症状を引き起こす可能性のある一般的な神経疾患です。多くの患者は受傷後数か月以内に症状が緩和されますが、一部の患者は受傷後数年から数十年にわたって症状が持続することがあります。TBIが脳に与える影響をより深く理解するために、研究者たちは脳の構造的接続（Structural Connectivity, SC）と機能的接続（Functional Connectivity, FC）の関係に注目しています。SCは通常、拡散テンソル画像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）を用いて白質の完全性を評価し、FCは機能的磁気共鳴画像（Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）を用いて脳の異なる領域間の機能的相関を研究します。
本研究は、TBI患者、特に慢性症状を持つ患者の脳のSCとFCの変化を探り、健康な対照群と比較することを目的としています。SCとFCの分析を組み合わせることで、研究者たちはTBIが脳ネットワークに与える影響をより包括的に理解し、将来の診断と治療のための新しいバイオマーカーを提供することを目指しています。
論文の出典
この論文は、Xiaojian Kang、Emily Grossner、Byung C. Yoon、Maheen M. Adamsonらによって執筆され、彼らは米国退役軍人省パロアルト医療システム（VA Palo Alto Health Care System）およびスタンフォード大学医学部（Stanford University School of Medicine）に所属しています。この研究は2025年に『European Journal of Neuroscience』誌に掲載され、タイトルは「Relationship between structural and functional network connectivity changes for patients with traumatic brain injury and chronic health symptoms」です。
研究の流れ
研究対象とグループ分け
研究には46名の参加者が含まれ、以下の3つのグループに分けられました： 1. 健康対照群（CG）：TBIの病歴のない13名の健康な個人。 2. 慢性症状のないTBI患者群（TBI-NCS）：テスト時に慢性症状を報告しなかった16名のTBI患者。 3. 慢性症状のあるTBI患者群（TBI-CS）：受傷後に慢性症状が現れた17名のTBI患者。
すべての参加者は、身体、神経、神経心理、精神の包括的評価を受け、磁気共鳴画像（MRI）スキャンを行いました。
データ収集と前処理
研究では、GE 3T Discovery MR750スキャナーを使用してMRIスキャンを行い、高解像度のT1強調画像、T2強調画像、拡散強調画像（DWI）、および安静時機能的磁気共鳴画像（rsfMRI）データを収集しました。T1強調画像はFreeSurferソフトウェアを使用して前処理され、強度の正規化、画像のセグメンテーション、灰白質（GM）と白質（WM）表面の膨張、および脳領域の分割が行われました。DWIデータはMRtrix3ソフトウェアを使用して処理され、ノイズ除去、Gibbsアーチファクトの除去、EPI歪み補正、b0場の不均一性補正、渦電流および運動歪み補正が行われ、最後にFSLソフトウェアを使用して再サンプリングされました。
構造的接続（SC）の分析
SCはMRtrix3ソフトウェアを使用して構築され、解剖学的に制約されたトラクトグラフィ（ACT）法を使用して1000万本のストリームラインを生成し、球面デコンボリューションインフォームドフィルタリング（SIFT）アルゴリズムを使用して100万本のストリームラインを生成しました。SCマトリックスは68のDesikan-Killiany（DK）脳領域に基づいて構築され、接続強度はノード間のストリームラインの重み付け因子の合計によって計算されました。
機能的接続（FC）の分析
rsfMRIデータはCONNツールボックスを使用して処理され、構造表面データ、DKアトラス、rsfMRIデータの読み込み、および前処理が行われました。FCは一次分析によって生成され、信号時間系列は線形トレンド除去およびバンドパスフィルタリング（0.008-0.09 Hz）が行われ、FCマトリックスは68のDK脳領域に基づいて構築されました。
SCとFCの相関分析
研究では、SCとFCの間のグローバルな相関を計算し、3つのグループ間の差異を比較しました。その結果、TBI患者群のSCとFCの相関は健康対照群よりも有意に高いことが明らかになりました。
主な結果
SCとFCの相関
研究によると、TBI患者群のSCとFCの相関は健康対照群よりも有意に高くなりました。TBI-NCS群とTBI-CS群のSCとFCの相関は、それぞれ健康対照群よりも11.5％および11.9％高くなりました。
SCのクラスター分析
健康対照群と比較して、TBI-CS群は複数の脳領域でSCの有意な低下を示し、特にデフォルトモードネットワーク（DMN）と言語ネットワーク（LAN）で顕著でした。TBI-NCS群は左側のDMNとLANネットワークでのみSCの低下を示しました。
FCのクラスター分析
TBI-NCS群は、両側のDMN、左側のCON、両側のLAN、両側のSMN、および両側のVMMネットワークでFCの低下を示しました。TBI-CS群は、両側のDMN、FPN、SMN、およびVS2ネットワークでFCの低下を示しました。TBI-CS群とTBI-NCS群を比較すると、両側のDMNとCONネットワークでFCの低下が見られました。
ROI分析
TBI-CS群では、左側のDMNのrostral anterior cingulate gyrus（RACG）でSCの増加が見られ、他の4つのROIではSCの低下が見られました。TBI-NCS群では、右側のVS2のcuneus cortex（CU）でFCの増加が見られ、左側のDMNのlateral orbital frontal gyrus（LOFG）でFCの低下が見られました。TBI-CS群とTBI-NCS群を比較すると、右側のDMNのtemporal pole（TP）でFCの増加が見られ、左側のDMNのmedial orbital frontal gyrus（MOFG）および右側のCONのposterior cingulate gyrus（PCG）でFCの低下が見られました。
結論
本研究は、SCとFCの分析を組み合わせることで、TBI患者の脳ネットワーク接続の変化を明らかにしました。研究によると、TBI患者、特に慢性症状を持つ患者のSCとFCの相関は健康対照群よりも有意に高くなりました。さらに、TBI-CS群は複数の脳領域で広範なSCの低下を示し、TBI-NCS群はFCの低下を示しました。これらの結果は、慢性症状の存在が脳の構造的および機能的ネットワークの特定の変化パターンと関連していることを示しており、TBIの診断と治療のための新しいバイオマーカーを提供する可能性があります。
研究のハイライト
- 多モーダル神経画像分析：本研究はSCとFCの分析を組み合わせることで、脳ネットワーク接続の変化をより包括的に捉えました。
- 慢性症状の影響：研究によると、慢性症状の存在は脳の構造的および機能的ネットワークの特定の変化パターンと関連しており、TBIの長期的な影響を理解するための新しい洞察を提供します。
- 潜在的なバイオマーカー：研究結果は、SCとFCの変化がTBIの診断と予後のバイオマーカーとしての可能性を示しており、臨床的に重要な価値を持っています。
その他の価値ある情報
本研究は重要な発見を提供していますが、サンプルサイズが小さいことや性別のバランスが取れていないことなどの制限もあります。今後の研究では、より大規模で多様なサンプルでこれらの発見を検証し、TBIの長期的な影響とその潜在的な神経メカニズムをさらに探求する必要があります。