fMRIを使用したTMSターゲットのガイド：3Tおよび1.5TのfMRI指標の信頼性と感度

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fMRI TMS 3T 1.5T 信頼性 感度 うつ病

研究流程概况

3Tと1.5T fMRI指標の信頼性と感度に基づくTMSターゲット選択の向上

[DOI: 10.1007/s12021-024-09667-5], 本稿は《Neuroinformatics》に掲載された

背景紹介

初期の機能的磁気共鳴画像法（fMRI）の応用は主に認知過程の推論に集中していた。しかし、現代医学はその応用を術前計画や疾患鑑別など、さらに多くの臨床用途に徐々に広げている。反復経頭蓋磁刺激（rTMS）治療の臨床応用において、fMRIはTMSターゲット選択の最適化や治療効果の向上の可能性を示している。特に主要抑うつ症（MDD）の患者に対して、米国食品医薬品局（FDA）はfMRI指導の個別化治療プロトコルを承認している。しかし、現状ではほとんどの研究が3Tのスキャナーに集中しており、多くの基礎医院では1.5T MRIがより一般的であるため、1.5Tと3T fMRI指標の系統的評価がfMRI指導の個別化、精密TMS刺激の臨床応用に参考を提供する可能性がある。

研究出典

本稿はQiu Ge、Matthew Lock、Xue Yang、Yuejiao Ding、Juan Yue、Na Zhao、Yun-Song Hu、Yong ZhangおよびMinliang Yao等によるもので、杭州師範大学附属病院、浙江省認知損傷研究重点実験室、杭州師範大学心理学研究所、杭州師範大学附属徳清病院、上海国際研究大学などの機関に所属している。論文は2024年4月30日に《Neuroinformatics》で受理・掲載された。

研究フローと方法

実験デザイン

本研究は、20人の健康な大学生（女性10人、年齢範囲19-27歳）をインターネット広告で募集した。実験プロトコルは杭州師範大学附属病院倫理委員会の承認を受け、参加者全員がインフォームド・コンセント書に署名した。実験は3Tと1.5Tの異なるMRIスキャナーを使用して比較研究を行い、各参加者は同日に3Tと1.5Tのスキャンを受け、間隔は約3.87時間であった。

データ収集と前処理

各スキャンでは、最初に3回の静息状態fMRIスキャンを行い、その後3D-T1イメージング、最後に指タッピング課題fMRIスキャンを行った。具体的なスキャンパラメータは以下の通り： - 3Tスキャナー：多バンドGRE-EPIシーケンス、TR / TE = 700 / 30ms、FOV = 216mm、マトリックス = 72 × 72、厚さ / 間隙 = 3 / 0mm。 - 1.5Tスキャナー：単回照射GRE-EPI、TR / TE = 3000 / 40ms、FOV = 224mm、マトリックス = 64 × 64、厚さ / 間隙 = 3.5 / 0mm。

実験方法

指タッピング課題fMRI

参加者は自己発始（SI）と視覚誘導（VG）の条件下で指タッピング課題を行った。各課題は42秒のSI指タッピング課題とVG指タッピング課題が交互に進行し、課題の総所要時間は約10分であった。

データの前処理と分析

  • RS-fMRIデータはDPABI（V6.1）ツールボックスを使用して前処理され、スライスタイミング補正、モーション補正、頭動エフェクトの回帰、空間標準化などが行われた。
  • 指タッピング課題fMRIデータはSPM12で分析され、スライスタイム補正、モーション補正、空間標準化および空間平滑化を行った。
  • 一般線形モデル（GLM）を使用して個別の脳比較図を生成し、SIとVG条件のデータを分析した。

信頼性と感度の評価

研究はピーク活性化位置の一致性（内部個体距離を使用）および局所fMRI指標（低周波変動振幅（ALFF）、変動振幅割合（PerAF）、小波に基づく低周波変動振幅（Wavelet-ALFF）、地域同質性（ReHo）および度中心性（DC））のテスト-再テスト信頼性（内部相関係数（ICC）使用）を計算することでfMRI指標の信頼性を評価した。感度評価には眼を開けた状態と閉じた状態でfMRI指標の違いを比較し、ピーク活性化強度および機能的結合（FC）で定義したTMSターゲット位置の一致性も評価した。

データ処理と分析

ピーク活性化位置の一致性

ピーク活性化は運動関連脳領域（運動前回など）に位置した。3Tと1.5Tスキャンデータはこれらの領域のピーク活性化位置が非常に一致し、内部個体距離は15.8-19mmの範囲であった。

FCで定義したターゲット位置の一致性

研究はいくつかの深層脳領域を種子（ROI）として選び、前帯状皮質（ACC）、背側前頭前皮質（DLPFC）などを含む。ピアソン相関を通じて機能的結合を計算し、フィッシャーのr-to-z変換で正規化した結果、1.5Tと3TデータのピークFC位置の一致性は類似し、その内部個体距離は19.7-31.2mmの範囲であった。

局所fMRI指標の信頼性

  • ALFF、PerAF等の指標は1.5Tおよび3Tデータにおいて中等度から優れたテスト-再テスト信頼性を示した。
  • PerAFおよびWavelet-ALFFは感度が高く、特に1.5Tおよび3Tスキャナーでいずれも効果量が大きく、顕著な体素の数が多かった。

BOLD信号の信頼性

1.5Tおよび3TのBOLD信号強度は非常に優れたテスト-再テスト信頼性を示した。

結果

  • 指タッピング課題fMRIの活性化位置の一致性、FCで定義したターゲット位置の一致性および局所fMRI指標の信頼性は1.5Tおよび3Tスキャナーで同等であった。
  • 静息状態活動変化の検出感度において3Tスキャナーが1.5Tより優れていたが、全体的な傾向は一致しており、Wavelet-ALFFは5つの指標すべてで比較的高い感度を示した。

研究の意義

本研究は、感度において1.5Tが3Tに劣るものの、いくつかの重要な指標（ピーク活性化位置、FCターゲット位置および局所fMRI指標のテスト-再テスト信頼性）において1.5Tスキャナーの性能が3Tに匹敵することを示した。これにより、1.5Tスキャナーを使用して個別化fMRIによるTMSターゲット選択を行う可能性が示唆され、より多くの臨床シナリオでfMRIの応用が期待される。

結論

1.5Tと3Tは一部の性能指標で差異が見られるが、全体的なパフォーマンスは近似していることから、個別化fMRI指導のTMSターゲット選択における1.5Tの潜在的な応用価値が示唆された。今後の研究は、異なるタスクやより大規模なサンプルでこの方法の実行可能性を評価し、fMRI指導のTMSを臨床実践にさらに推進するべきだ。