側頭葉病変およびその外科的切除に関連するコネクトーム再編成

2024-05-22 Wed
側頭葉病変およびその外科的切除に関連するコネクトミクスの再構成学術的背景人間の脳の組織構造はネットワークの視点で概念化および分析されるようになり、この方法は健康と疾病の理解を大きく促進しました。近年、神経イメージング技術と複雑なデータ分析の進展のおかげで、これらの方法が広く応用されています。特に、拡散MRI（Diffusion MRI）技術の発展により、研究者たちは近似的に体内で脳の構造的接続（構造的接続図譜、コネクトーム）を描くことができるようになり、脳の機能ネットワークの組織原則をさらに明らかにするために脳の連結性を体系的に表現しています。
しかし、この分野で一定の進展があるものの、局所的な病変がどのように脳の機能ネットワークを調整するかについての理解は依然として限られています。薬物抵抗性側頭葉てんかん（Temporal Lobe Epilepsy、TLE）に対する前側頭葉切除術は、現在最も効果的な発作制御の治療法であり、このてんかん症候群は病変が脳のネットワークに与える影響を研究する理想的なモデルとなっています。
論文の出典本論文はSara Larivière等の研究チームにより完成され、チームメンバーは以下の複数の著名な研究機関に所属しています：モントリオール神経イメージングセンター（McConnell Brain Imaging Centre）、ハーバード大学ブリガム婦人病院（Brigham and Women’s Hospital）、韓国仁荷大学データ科学部（Department of Data Science, Inha University）および南京大学付属金陵病院（Jinling Hospital, Nanjing University School of Medicine）など。論文は2024年5月22日に《Brain》雑誌に発表され、オックスフォード大学出版社から出版されました。
研究方法研究プロセスの概説研究は以下の主要なステップを含みます：
1. 研究対象の確定：
- 薬物抵抗性TLEを患って前側頭葉切除術を受けた患者37名と年齢および性別をマッチさせた健康な対照者31名を含む。
- すべての患者に対して手術前と手術後に高分解能3T MRIイメージングを行い、T1加重イメージング（T1W）および拡散MRIイメージング（DWI）を含む。
データ処理と分析：
初めにMRIデータを前処理し、画像の傾斜修正、再方向付け、強度の正規化、頭蓋骨の削除などを行う。
FreeSurferおよびFSL FIRSTを使用して皮質および皮質下の構造を分割する。
MRtrix3ソフトウェアを使用して拡散MRIデータのファイバートラクトトラッキングを行い、個別の構造連結図譜を生成する。
手術腔のマッピング：
手術腔を自動分割し、手術前と手術後のT1加重画像をMNI152標準テンプレートに登録し、差分画像を計算して分割を行う。
構造連結図譜の生成：
解剖的に制約されたファイバートラクトトラッキング技術を使用して各参加者の全脳構造連結図譜を生成する。球面解法と強度の正規化を通じて4000万本のストリームラインを生成し、同等の大きさの400個の皮質エリアと14個の皮質下および海馬区域にマッピングし、個々の構造的連結性マトリックスを生成する。
連結図の勾配推定：
ブレインスペースツールキット（Brainspace）を使用して皮質および皮質下の構造連結図で勾配を生成し、非線形次元削減方法を通じて構造連結性の特徴を明らかにし、個別および群体の勾配を整列および比較する。
手術前後の勾配変化量の定量化：
線形混合効果モデルを使用して時間の経過を評価し、手術前後の連結図の変化を評価し、手術前後の顕著な多次元勾配変動領域を特定する。
研究結果手術前のTLE患者の連結図勾配変化：
健康な対照グループと比較して、手術前のTLE患者は両側の側頭頂領域および眼窩前頭皮質に顕著な勾配変化を示し、これは同側前側頭葉と脳の他の領域との分離の増加を反映しています。
勾配空間での位置変化を定量化した結果、TLE患者の同側内側側頭葉領域に顕著な変形が見られ、これらの領域での勾配空間での分離が増加していることが示されました。
手術による勾配変形の追跡：
手術前後の構造連結図の変化を比較した結果、手術後に切除部位に隣接する後側頭領域および対側の側頭頂皮質に顕著な多次元勾配変化が見られました。これらの領域は手術後により統合された位置に移行し、特に勾配1軸において顕著でした。
臨床変数との関連：
部分最小二乗分析（PLS）を使用して、手術による4D勾配変形パターンと海馬萎縮、発作頻度および二次全身発作などの臨床変数との関連を明らかにしました。
前後皮質領域での連結性統合の増加は、強い同側海馬萎縮および低い発作頻度と関連していることが示されました。
皮質形態および微細構造の変化：
灰白質および白質の評価において、手術後に対側の側頭頂および額頂領域で皮質の薄化が少なくなり、切除部位周辺の薄化の増加が見られました。白質の乱れは主に対側の側頭頂領域で発生し、手術後に観察された勾配変化と一致していました。
研究結論本研究は、薬物抵抗性側頭葉てんかん（TLE）患者の手術前後の構造的コネクトームデータに対する勾配マッピングを通じて、局所的な病変およびその外科的切除が脳の連結性ネットワークに与える深遠な影響を明らかにしました。手術前では、TLE患者の同側前側頭葉は脳の他の領域との分離が増加し、手術後にはこの領域に顕著な再構成が見られるだけでなく、対側の側頭頂皮質にも統合の増加に関連する連結性変化が見られました。従来のグラフ理論分析と比較して、勾配マッピング技術は低次元の視点を提供し、データ駆動型で脳の構造連結性の再構成を捉えることができ、神経系の組織原則をよりよく解明するのに役立ちます。これらの結果は、脳構造の理解を深めるだけでなく、個別化された患者ケアと治療の新しい可能性も提供します。
研究のハイライトと意義新しい方法とアプローチ：構造連結図勾配マッピング技術を利用し、低次元かつ連続的な座標系を提供することで、局所的な病変およびその外科的切除が脳の構造ネットワークに与える影響を全体として定量化する。
個別の臨床関連性分析：部分最小二乗分析（PLS）を通じて、コネクトームの再構成パターンと臨床変数との関連を明らかにし、臨床診断と治療の新しい視点を提供する。
広範な応用の前景：この研究は他の神経系疾患の研究に参考を提供し、特に局所的な病変およびその脳全体の機能ネットワークへの影響を探る際に重要な意義を持つ。
この研究は、脳が局所的な病変および外科的介入に対してどのように大規模に構造的再構成を行うかを探求し、後続の研究に新しい分析フレームワークを提供するとともに、個別化医療の実践に科学的根拠を提供します。