読字障害児童における読解課題を基にした脳連結解析（EEG信号を使用）

読字障害は正常な読解能力に影響を与える神経発達性疾患であり、知能レベルが正常な児童でも影響を受けることがあります。本研究は読解課題において、読字障害児童と正常児童の脳連携の差異をグラフ理論による解析を通じて研究しました。読字障害群とコントロール群の児童が読解課題中における脳機能連携を調べ、それにより脳ネットワークの損傷の可能性を示す証拠を提示しました。

研究背景

発達性読字障害（Developmental Dyslexia, DD）は約5%から10%の人口に影響を与える神経発達性読字障害です。これらの子供たちは知能レベルが正常であっても、学業成績に顕著なギャップがあります。これらの児童が学術的な挑戦や心理的な問題に直面しないよう予防するためには、読字障害の神経生理学的原因と早期検出を理解することが重要です。多くの行動研究は読字障害者と通常の個体の間に読解スキルの差異があることを示していますが、その根本的な原因は未だ明らかではなく、読字障害の脳の神経生理学的差異を明らかにするためにさらなる研究が必要です。

神経画像学の手法の発展に伴い、研究者は様々な神経障害の脳機能をよりよく理解することができるようになりました。異なる神経画像技術が、静止状態および課題状態における読字障害者の脳活動の差異を研究するために使用されてきました。機能画像学研究は、左半球の頭頂葉―側頭葉領域における活動が少ないまたは減少していることを一貫して報告しています。しかし、新たな文献は、読解領域間の機能的つながりの中断がDDの原因である可能性を示唆しています。

論文情報

本研究はGuhan Seshadri N.P.とBikesh Kumar Singhによって執筆され、インドRaipur国立技術学院の生物医学工学部に所属しています。論文は2024年3月21日に受理され、同年にMedical & Biological Engineering & Computing誌に掲載されました。この雑誌はInternational Federation for Medical and Biological Engineeringによって出版されています。

研究方法

データ収集と課題の詳細

本研究には15名の読字障害児童と15名の正常発達児童が対象となりました。前者は特殊学校から、後者は普通小学校から選ばれました。すべての児童は心理学者による評価テストを受け、IQ85以上であり、聴力および神経疾患の既往がないことを確認しました。

研究では19チャネルEEGシステムを使用し、10-20標準システムに基づいて頭皮に電極を配置しました。サンプリング周波数は256Hzで、記録帯域幅は0.1から70Hzです。各児童は読解課題を実行し、この課題には2つの異なる試験が含まれ、各試験には2つの刺激が含まれていました。1つは画像形式で表現された単語（例：「sand」）、もう1つは同じまたは異なる単語の音声（例：「sand」や「land」）です。児童は一致する刺激に対してキー応答を行う必要があります。

データ処理と解析

最初に、取得したEEG信号を前処理する必要があり、3点移動平均フィルターや小波デノイジング技術を使ってノイズを減少させました。EEG信号は周波数帯域に分解され、δ（0-4Hz）、θ（4-8Hz）、α（8-13Hz）、β（13-32Hz）、γ（32-64Hz）など異なる周波数帯域を抽出しました。

グラフネットワーク解析

脳ネットワークはグラフ理論によって研究されました。EEG信号のコヒーレンスに基づき、各被験者の19×19機能連携行列を生成し、ノード強度、特性経路長（PL）、クラスタリング係数（CL）、全体効率（EG）、局所効率（EL）、小世界ネットワーク（SW）などのネットワーク特性を抽出しました。

統計解析

ノンパラメトリックなMann-Whitney U検定を使用して2群間のグラフ特性を統計的に比較し、Wilcoxon符号順位検定を使用して組内条件間の有意性を分析しました。結果によれば、読字障害群とコントロール群でθおよびα波帯域のPL、CL、EG、およびELにおいて有意な差異が見られました。

研究結果

読解課題のパフォーマンス

コントロール群の課題パフォーマンスの正確性は読字障害群よりも有意に高く、読字障害群の反応時間（RT）はコントロール群よりも長かったです。

ネットワーク測定結果

読字障害群のネットワーク測定

課題状態下の読字障害群のδ波帯域の強度はt5およびt3電極位置で有意に高く、一方でθ波およびα波帯域の強度は有意に低かったです。同様に、PL、CL、EG、およびELにおいて、課題中に読字障害群は基準値よりも有意に高く、情報伝達および局所処理ネットワークにおける不足を反映していました。

コントロール群のネットワーク測定

コントロール群は課題状態下でθ、αおよびβ波帯域の強度が有意に高く、PLが有意に低く、EGおよびELが有意に高かったです。これは課題中により効果的な情報伝達および処理能力を持つことを示しています。

両群間の比較

コントロール群と比較して、読字障害群は課題状態下でδ波帯域の強度が有意に高く、θ、αおよびβ波帯域の強度が有意に低かったです。PLが長く、CLやEGが低いことは、読字障害群が読解課題中に脳ネットワークの障害を持つことを示し、低い統合度と分離度が機能効率の低下を反映しています。

領域ネットワーク活性化の差異

課題中に読字障害群のδ波帯域の強度がt5およびt4電極位置で有意に高く、θ、αおよびβ波帯域の強度が低かったです。これは情報のエンコード、処理、およびワーキングメモリにおける不足を反映しています。

考察

本研究はグラフ理論を用いて、読字障害および正常児童の読解課題中の脳機能連携を研究しました。読字障害群は課題中に脳ネットワークの組織が破壊され、低い機能統合度と分離度を示しました。研究結果は、読字障害児童の脳ネットワークおよび神経生理学的基盤を理解する上でのグラフ理論の有効性を示しています。

結論

本研究はグラフ理論によるEEG信号に基づく機能連結性の解析を通じて、読字障害児童が読解課題中に脳ネットワークの損傷を持つことを明らかにし、その神経生理学的基盤を理解するための有効な手段を提供しました。この発見は、将来の読字障害の早期検出と介入のための新たな参考基盤を提供し得るでしょう。

本研究は詳細な実験設計とデータ解析方法を通じて、読字障害児童の神経生理学的基盤の新たな理解視点を提供し、脳ネットワーク研究におけるグラフ理論の応用可能性を示しました。