The information in the brain is known to be transmitted through hierarchical structuresin the brain.For example, sensory information flows from primary uni-modal area to secondary uni-modal area and then to multi-modal areas such as theparalimbic and limbic areas. The concept of structural and functional hierarchy comes from various histological, electrophysiological and functional neuroimaging studies in Macaque monkey and the human brain. These studies show that each hierarchy has different cytoarchitectonic patterns and also different anatomical or functional connection patterns. Functional connectivity using resting state fMRI (functional magnetic resonance imaging) shows endogenous and anatomically based network by spontaneous fluctuation of BOLD signal. Also, the characteristics of the network can be seen specifically through the graph theory analysis. In this research, I hypothesize that the unimodal region has more inter-hemispheric connections and high clustering, the heteromodal region has less inter-hemispheric connections, has many long distance connections and low clustering. Finally,that the limbic system has more inter-hemispheric connections and high clustering.
I constructed the brain network using functional connectivity in resting state fMRI from 18 normal people and then the general characteristics of each hierarchical region in the network are identified by quantitatively comparing of graph theory parameters such as nodal strength, distance, betweenness centrality and clustering coefficient. I compared these measure among different hierarchy (unimodal, heteromodal, limbic, and subcortical) and different modalities (visual, auditory, somatosensory, and motor). Consequently, the results show thatunimodal region and limbic area have more inter-hemispheric connectionsthan heteromodal region, unimodal region has short-distant intra-hemispheric connections and heteromodal region has more and long-distant intra-hemispheric connections. Moreover, connections within unimodal region and within limbic area are more clustered than heteromodal region. With analysis of different modalities, auditory unimodal region has more and long-distant connections and motor unimodal region in left hemisphere is more likely to be a main hub. These results are consistent to the findings from previous research and function of each hierarchical region. In addition these results showed the new additional information by considering sensory modality and intra-/ inter-hemispheric connections.
I analyzed these features in Alzheimer’s disease patients and compared withage-matchednormal controls to see whether there are preferential involvementsin disease progression in terms of hierarchy or modality. The Alzheimer’s patients showed higher nodal strength than normal controls except for connectivity within limbic region,subcortical region and auditory unimodal region. This result comes from the increased connectivity with high correlation nodes without the total connectivity.
In conclusion, I found that the restingstate functional connectivity can reflectthe general characteristics according to the hierarchy and modality and can be used for clinical or developmental research purposes.
뇌로 들어오는 정보는 뇌의 계층적 구조를 통해 전달된다. 예를 들어, 감각 정보는 처음에 primary unimodal 영역에서 secondary unimodal 영역으로 이동되고 그 후에 heteromodal 영역, paralimbic 영역, limbic 영역으로 순차적으로 이동되면서 정보가 처리된다. 이러한 구조적, 기능적 계층적 구조의 개념은 Macaque monkey와 사람의 뇌에서의 조직학적, 전기생리학적, 기능적 신경 촬영법 등의 다양한 방법을 통해 알려져 있다. 이러한 연구들은 각 계층적 구조에 따라 다른 세포구조적 패턴과 다른 구조적 혹은 계층적 연결 패턴을 갖는다는 것을 보여준다. 이때 안정시 기능적 자기공명영상을 이용한 기능적 연결성은 BOLD 신호에 의해 내생적이며 구조를 기반으로 하는 망을 보여줄 수 있다. 또한 이러한 망의 특성들은 그래프 이론적 분석을 통해 더 구체적으로 보여질 수 있다.
필자는 unimodal 영역과 limbic system은 더 많은 반구 사이의 연결을 가지며 더 밀집되어 있고, heteromodal 영역은 더 적은 반구 사이의 연결과 더 긴 거리의 많은 연결을 가지며 더 적게 밀집되어 있다고 가정하였다. 이 연구에서는 18 명의 정상군의 안정시 기능적 자기공명영상에서의 기능적 연결성을 이용하여 신경망을 구축하였고, 이 망에서의 각 계층적 구조의 일반적인 특성을 nodal strength, distance, betweenness centrality, clustering coefficient와 같은 그래프 이론의 인수들을 양적으로 비교함으로써 확인하였다. 이 비교들은 unimodal, heteromodal, limbic, subcortical 영역을 포함하는 각각의 계층적 구조 사이에서, visual, auditory, somatosensory, motor영역을 포함하는 각각의 감각 영역 사이에서 이루어졌다. 결과적으로, 결과는 unimodal 영역과 limbic 영역의 경우 heteromodal 영역보다 더 많은 반구 사이의 연결을 가지며 unimodal 영역은 더 짧은 거리의 반구 내의 연결을 가지고 반면 heteromodal 영역의 경우 더 많고 긴 거리의 반구 내의 연결을 갖는다는 것을 확인하였으며, 또한 unimodal 영역내의 연결성과 limbic영역내의 연결성의 경우 heteromodal 영역보다 훨씬 더 밀집되어 있다는 것을 확인하였다. 또한 감각 영역 사이의 분석결과, auditory unimodal 영역은 다른 영역들에 비해 더 많고 더 긴 거리의 연결을 가지며, 왼쪽 반구의 motor unimodal 영역의 경우 main hub의 특성을 지님을 확인하였다. 이 결과는 이전연구의 결과와 각 계층적 영역의 기능의 특성과 일치하는 것을 보여주었고, 또한 감각 양상과, 반구 내와 반구 사이의 연결을 고려함으로써 추가적인 특성들을 보여줄 수 있었다.
뿐만 아니라, 필자는 알츠하이머병의 환자 군의 이러한 특성들을 분석한 뒤, 계층적 구조 혹은 감각양상에 따라 질병에 있어서의 선호적 연관관계가 있는지를 확인하기 위해 정상군과 비교하였다. 그 결과 알츠하이머 환자들은 차이가 없는 limbic 영역내의 연결, subcortical 영역내의 연결과 auditory unimodal 영역의 연결을 제외한 모든 연결성의 nodal strength가 정상군에 비해 매우 큰 결과를 보였다. 또한 이는 큰 상관성의 연결이 증가됨에 따른 결과이며 전체 연결의 수에는 변함이 없다는 것을 확인하였다.
결과적으로 필자는 안정시 기능적 연결성이 계층적 구조나 감각양상에 따른 일반적인 특성들을 보여줌을 확인 하였으며, 이는 임상연구나 발달연구의 목적으로 사용될 수 있음을 보였다.
