ソースレベルEEGとグラフ理論に基づく卒中後てんかん患者の機能的結合の変化に関する研究報告

研究背景

てんかんの病因は多岐にわたり、特発性、先天性、頭部外傷、中枢神経系感染、脳腫瘍、神経変性疾患、脳血管疾患などが含まれます。その中で、脳血管疾患は全てんかん症例のおよそ11%を占め、高齢者てんかん患者の最も一般的な病因となっています。また、卒中後てんかん（Post-Stroke Epilepsy, PSE）は卒中患者の一般的な合併症であり、3%から30%の卒中患者がPSEに発展する可能性があります。PSEのリスク要因としては、皮質の関与、出血性の転化、早期発作、若年発病、高いNIHSSスコア、アルコール依存などが挙げられます。

ネットワーク科学とグラフ理論は、脳機能の理解において顕著な可能性を持つと考えられています。グラフ理論の指標はネットワークの統合と隔離特性を反映し、てんかんを含む様々な神経系疾患の研究に広く応用されています。しかし、てんかん患者の脳ネットワークトポロジーに健康な対照者と顕著な違いがあることが既に示されているものの、ソースレベルEEG解析に基づく機能的結合の変化に関する研究は、PSE患者に焦点を当てたものはありません。

研究出典

本論文は韓国の仁済大学医学院海雲台Paik病院神経内科のDong Ah Lee、Taeik Jang、Jaeho Kang、Seongho Park、Kang Min Parkによって執筆されました。論文は2024年3月28日に《Brain Topography》誌に掲載されました。

研究方法

研究対象

研究は病院の倫理委員会の承認を得て、前向きに30名のPSE卒中患者と35名の非PSE卒中患者を募集しました。これらの患者は卒中前にてんかんや発作の既往がなく、精神障害、発育障害、その他の重篤な疾患の歴史もありません。患者の臨床的特徴情報（年齢、性別、卒中の原因、卒中の部位と側面、NIHSSスコア、出血性転化の有無、共病、高血圧、糖尿病、高脂血症、心房細動など、卒中からEEG検査までの時間間隔、局所的強直間代発作の有無）を収集しました。

EEGデータ収集と前処理

EEGデータは患者が安静にして目を閉じ、覚醒した状態で収集しました。同じタイプのEEG装置を使用し、国際10-20システムに基づいて23個の電極を配置しました。サンプリング周波数は250 Hzで、各記録は少なくとも30分間持続しました。次にデータを手動でレビューし、アルファ活動が現れる偽影やてんかん様放電のない5秒間のデータを前処理に使用しました。

ソース推定と機能的結合マトリックスの作成

Brainstormプログラムを使用して最小範囲推定によりソース推定を行い、Desikan-Killiany Atlasに基づいてノード（脳皮質の68の興味領域）を定義しました。位相ロッキング値（PLV）を使用して脳の同期を測定しました。データはEEG周波数帯(Alpha、Beta、Theta、Delta、Low Gamma、High Gamma)ごとに処理され、各グループで68×68の重み付き結合マトリックスを作成しました。

グラフ理論解析

Braphプログラムを使用してグラフ理論解析を行い、結合マトリックスから平均強度、半径、直径、平均離心率、特性経路長、平均クラスタリング係数、伝達性、小世界指数などの結合測定値を取得しました。そして、非パラメトリックな置換検定を通じてPSE患者と非PSE患者の間のこれらの結合測定値を比較しました。

統計解析

患者の臨床特性を比較するため、カイ二乗検定、独立サンプルt検定、またはMann-Whitney検定を使用しました。結合測定値の統計的有意性検定には、1,000回の置換を使用した非パラメトリック検定を採用し、顕著な結果を持つ調整済みp値を∆で示しました。

研究結果

臨床特性の比較

結果は、年齢、性別、卒中の原因、卒中の側面と位置、NIHSSスコア、および共病の特性において、両グループ間に有意な差はないことを示しました。しかし、PSEグループは非PSEグループに比べてEEG検査の時間間隔が有意に長い（29.0週対2.0週、p<0.001）という結果が出ました。これは、PSE患者が卒中後より長期間にわたって検査されたことを意味します。

EEG周波数帯域のパワー分析

Delta、Theta、Alpha、Beta、Low Gamma、High Gamma帯域において、両グループ間の相対周波数パワーには有意な差は見られませんでした。

機能的結合測定値の比較

グラフ理論解析により、PSE患者のBetaとHigh Gamma帯域の半径と直径が有意に増加し、Low Gamma帯域の半径も有意に増加しました。対照的に、High Gamma帯域ではPSE患者の平均強度、平均クラスタリング係数、伝達性が有意に低下していることがわかりました。これらの結果は、PSE患者の脳ネットワークの分離と統合が低下していることを示し、特にBetaとGamma帯域で顕著でした。

研究結論および意味

本研究は、ソースレベルEEG解析とグラフ理論を用いてPSE患者の脳機能結合の変化を初めて研究しました。結果は、PSE患者が非PSE卒中患者と比較して、脳ネットワークの統合と分離において顕著な変化があることを示しています。この変化は特に高周波（BetaとGamma）帯域で顕著です。これらの発見は、PSEのてんかん発生メカニズムと脳機能の変化が密接に関連していることを支持しており、PSEの発病メカニズムを理解し、その潜在的な臨床介入戦略を探るための重要な参考となります。

研究のハイライト

本研究のハイライトは、ソースレベルEEG解析を通じてPSE患者の脳機能結合に関する新たな洞察を提供し、グラフ理論の方法を用いて異なる周波数帯域の脳ネットワーク特性を詳細に定量化した点です。また、小規模なサンプル数と単一施設の研究であっても、PSEのてんかん発生メカニズムを明確に解明し、潜在的な臨床応用の価値を提起することができました。これにより、今後の大規模、多施設、縦断的研究の基盤が構築されました。

研究の限界

サンプル数が比較的小さく、単一施設の研究であるため、これらの結果はより大規模、多施設の研究での検証が必要です。また、EEGのテスト時間間隔の違いも研究結果に影響を与える可能性があり、今後の研究設計ではこの点を考慮する必要があります。

まとめ

ソースレベルEEGとグラフ理論に基づく卒中後てんかん患者の機能的結合の変化に関する研究は、PSE患者の脳ネットワークトポロジーにおける顕著な変化を示し、PSEのてんかん発生メカニズムおよびその臨床的介入戦略を理解するための貴重な認識を提供しました。