全脳スケールでの機能的結合性は、時間強調された非神経源低周波振動（SLFO）血流信号に関連している：機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）スキャンに基づく研究

神経科学の分野では、脳の結合が時間とともに再構成され、適応的な機能の変化を支える方法が重要な問題です。この時間とともに動的に変化する神経変化は、機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）を通じて人間で測定でき、機能的結合性（FC）の推定によって測定されます。FCは、脳の異なる領域間での神経活動の調整度合いを定量化し、神経結合の強度を反映します。

FCの正確な測定およびその時間的変動の能力は、fMRIに基づく血中酸素レベル依存（BOLD）信号の信頼性、有効性、特異性に依存します。これは神経活動を定量化するための基本的な入力です。本研究は、fMRIに基づく脳の機能的結合性の推定が静止状態および課題ベースのスキャン期間中に空間的異質な速度で人工的に膨張することを示しています。これにより、偽陽性の結合強度変化と脳結合図の空間的歪みが生じます。データは、このアーチファクトがfMRIスキャン中のSLFO血流信号の時間膨張によって引き起こされ、標準的なノイズ除去プロセスでは解決できないことを示しています。我々が提供する証拠は、SLFO膨張がスキャン期間中の呼吸および心拍変動によって引き起こされる脳血流の乱れを反映していることを示していますが、この経路のメカニズムはまだ明確ではありません。最後に、fMRI処理パイプラインに特別なSLFOノイズ除去プロセスを追加することで、機能的結合性の人工的な膨張を軽減し、fMRIの発見の有効性およびスキャン内信頼性を向上させることができることを示しました。

受理日：2023年9月13日 受理：2024年5月3日 オンライン発表：匿名 更新チェック

論文は、ハーバード大学医学部精神医学部門、マクレーン病院脳イメージングセンター、アメリカ国立薬物乱用研究所神経イメージング研究部門、国立衛生研究所の科学者の共同研究成果であり、Cole Korponay、Amy C. Janes、Blaise B. Frederickが共同で指導しました。この研究は、fMRIによる機能的結合性評価に内在する非神経信号増強の問題を排除する方法を提供します。

1. 研究プロセス概要： 静止状態および課題ベースのスキャン期間中の島皮質と線条体間のFCの時間内変動を調査したところ、個々の呼吸および心拍変動からの血流干渉がアーチファクトの原因であることが判明しました。さらなる全脳分析により、これらの時間依存のFCの増加が全脳スケールでの構造的で非課題関連の現象であることが確認されました。再現および独立したサンプルでの追加テストにより、この結論の普遍性が確認されました。

2. 主要な研究結果： 研究結果は、SLFO信号がスキャン時間の延長とともに空間的に不均一に増加することを示しています。この現象はすべての人間fMRIデータセットに存在し、スキャン期間中の個々の覚醒レベルの低下に関連していますが、これは必ずしも睡眠状態の変化を引き起こすわけではありません。

3. 研究結論と意義： 研究は、非神経源のSLFO信号がFCおよびGMSの膨張の直接の原因であると結論づけています。SLFO信号を除去することで、FCの膨張現象を大幅に減少させることができます。異なるノイズ除去パイプラインの効果を比較することで、Riptideノイズ除去パイプラインが全脳スケールでのFCの安定化能力を持ち、FCの膨張を完全に除去することが示されました。

4. 研究のハイライト： 本研究は静止状態fMRIの信頼性評価に関する問題に対し、非神経源の生理的信号の時間的増加という革新的な視点を提供しています。研究で開発されたSLFOノイズ除去プログラムは、fMRIデータのノイズ除去および動的FC変化の精密測定のための強力なツールを提供します。

本研究は、「Nature Human Behaviour」に発表され、ハーバード大学、マクレーン病院、国立薬物乱用研究所によって共同実施されました。研究は、FCの動的変化および静止状態または課題遂行時に脳が異なる領域の活動をどのように調整するかの理解に新しい洞察を提供します。さらに、研究成果は、脳機能の組織および疾病研究において、fMRI技術をより正確に適用するための科学的根拠を提供し、関連する臨床診断および治療戦略の策定に寄与することが期待されます。