てんかんにおけるマクロ固有ダイナミクスとミクロ回路機能の関係研究

研究背景

てんかんは、異常な自発的脳活動を特徴とする神経障害であり、多尺度の脳機能組織の変化が関与しています。しかし、てんかん関連の自発的脳活動の障害がマクロ固有ダイナミクスとミクロ回路組織にどの程度影響を与えるか、また、これらの変化が病理的関連性をどのように支持するかは明らかではありません。したがって、てんかん患者の自発的脳活動がマクロダイナミクス及びミクロ回路機能にどのように影響するかを研究し、その病理メカニズムを探ることは重要な科学的意義を持っています。

研究の由来

本研究は、以下の学者によって共同で行われました：Siqi Yang（成都市情報工学大学ネットワークサイバーセキュリティ学部）、Yimin Zhou（成都市情報工学大学ネットワークサイバーセキュリティ学部）、Chengzong Peng（成都市情報工学大学ネットワークサイバーセキュリティ学部）、Yao Meng（電子科技大学生命科学と技術学部）、Huafu Chen（電子科技大学生命科学と技術学部）、Shaoshi Zhang（シンガポール国立大学医学院睡眠と認知研究センター）、Xiaolu Kong（シンガポール国立大学医学院磁気共鳴変換研究センター）、Ru Kong（シンガポール国立大学医学院磁気共鳴変換研究センター）、B. T. Thomas Yeo（シンガポール国立大学医学院睡眠と認知研究センター）、Wei Liao（電子科技大学生命科学と技術学部）、Zhiqiang Zhang（南京大学医学院附属金陵病院神経画像実験室）。記事は《Communications Biology》誌に掲載されました。

研究方法

a) 研究フロー

研究は主に以下のステップに分かれます：

1. 研究対象の選定： 75名の側頭葉てんかん（TLE）患者、79名の遺伝性全身性てんかん（GTCS）患者、および108名の健康対照（HC）を含みます。
2. 時間系列特徴の抽出： fMRI BOLD時間系列を使用してマクロ固有ダイナミクスを表現する大量の時間特性を抽出します。
3. マクロ固有ダイナミクスの分析： 主成分分析（PCA）を使用して時間系列特性から主要な空間グラデーションを抽出します。
4. ミクロ回路のシミュレーション： パラメーター平均場モデル（PMFM）を使用してミクロ回路機能をシミュレートし、再発連結（RC）および外部入力（I）を含む。
5. データ分析と関連研究： てんかんにおけるマクロ固有ダイナミクスとミクロ回路機能の空間的な関連性を分析します。

時間系列特徴の抽出と主成分分析

1. Desikan-Killiany解剖区画を使用してfMRI BOLDを抽出： 68の皮質領域から時間系列を抽出します。
2. 特徴抽出： HCTSA（Highly Comparative Time Series Analysis）ツールボックスを使用して、各領域時間系列から7000以上の特性を抽出します。
3. 主成分分析： 主成分分析を通じて時間系列特徴行列の空間グラデーションを捉えます。

ミクロ回路のシミュレーション

1. パラメーター平均場モデル（PMFM）： 局所シナプス特性をシミュレートし、グループ平均機能接続（FC）および構造接続を計算して、各参加者の機能接続ダイナミクス（FCD）を計算します。
2. 神経ダイナミクスパラメーターの推定： RC、I、およびσ（シグマ）パラメーターはFCグラデーションの線形結合として設定され、経験的およびシミュレーションされたFCおよびFCDマトリックス間の分岐を最小化することでこれらのパラメーターを推定します。

主な結果

マクロ固有ダイナミクス

1. 時間系列特徴のグラデーション： PCAで抽出された最初の2つの主成分（PC1およびPC2）はそれぞれ、腹内側-外側グラデーションおよび感覚-連絡グラデーションを捉えました。TLEとGTCSでは、健康対照群とは異なる時間系列特徴のグラデーション変化が顕著でした。
2. 局所およびネットワークの変化： TLEとGTCSでは、PC1が体感運動および視覚皮質領域で増加し、前扣帯皮質で減少しました。PC2はTLEでは両側島および前扣帯皮質で増加し、GTCSでは視覚皮質で減少しました。

ミクロ回路のシミュレーション

1. RCおよびIパラメーター： TLEおよびGTCSのRCは感覚運動領域で低下し、連絡皮質領域で増加しました。IパラメーターはTLEの感覚運動領域で増加し、GTCSでは皮質全体で増加しました。ランダム置換検定を使用し、体感運動および梭状回領域のRCが有意に低下したことが示されました。

多尺度脳機能の関連性

研究結果は、TLEおよびGTCSにおけるマクロ固有ダイナミクスのグラデーションの違いとミクロ回路の再発連結の変化との間に強い負の相関があることを示し、ミクロとマクロレベルでの機能失調の相互作用を強調しています。また、実際のBOLD信号のグラデーションとPMFMでシミュレーションされたBOLD信号のグラデーションとの間に類似性があることも確認され、てんかんにおけるマクロ固有ダイナミクスとミクロ回路機能の密接な関連性を示しています。

研究結論と価値

1. 科学的価値： 本研究は、てんかんにおける異常な神経活動がマクロネットワークおよび高次ネットワークに与える影響を明らかにし、脳の階層組織の系統的異常を示唆しています。
2. 応用的価値： マクロとミクロの脳機能を結びつける方法を通じて、てんかんの神経メカニズムを深く理解し、てんかんの診断および治療に新たな視点を提供します。

研究のハイライト

1. 重要な発見： てんかんにおけるマクロ時間系列特徴のグラデーションとミクロ回路の再発連結の顕著な変化、特に体感運動およびデフォルトモードネットワークでの変化があります。
2. 独創性： 本研究は、多次元の時間系列特徴の抽出と分析を通じて、てんかん脳の自発的活動を包括的に特徴付ける新しい手法を提案しています。

その他の価値ある情報

1. 方法の革新： 本研究で使用されたHCTSAツールボックスおよびPMFMモデルは、時間系列特徴の分析および神経ダイナミクスのシミュレーションにおける革新的な方法を提供しています。
2. 学際的な協力： 異なる分野の専門家の協力により、多種多様な技術手段を総合的に活用し、研究の深さと幅を高めています。

結語

本研究は、時間系列分析、神経ダイナミクスのシミュレーション、および多尺度脳機能の関連分析を総合的に使用し、てんかんにおける神経活動の特徴とマクロおよびミクロ機能失調の相互作用を明らかにしました。これにより、てんかんの理解と治療に対して新たな科学的証拠を提供しています。