Brain disconnections link structural connectivity with function and behavior

Michel Thiebaut de Schotten, Chris Foulon, Parashkev Nachev. Nature Communication 2020;11(1):5094

인간의 뇌 기능, 지각, 감정, 기억, 주의 및 언어 기능 등은 서로 독립적인 영역에서 상호 연결된 개념으로 발전되었다. 어떠한 뇌 기능에 영향을 주는 뇌 영역은 손상된 뇌병소를 넘어 특정 영역과 상호 연결성이 손상된 먼 영역으로 개념이 변화하였다. 최근 연구에서는 뇌 병변 위치보다 백색질 분리가 뇌 기능 장애와 회복을 더 잘 예측한다는 것을 보여주었다. 뇌 표면의 해부학적, 기능적 분할에 대한 이해는 매우 발전하였지만, 뇌 영역간 단절과 기능 장애 사이의 관계, 백색질의 기능적 분할에 대한 이해는 여전히 제한적이다. Diffusion weighted imaging (DWI) tractography 기법을 이용해 뇌 병변으로 인한 disconnectome을 측정할 수 있다 (Fig 1a). 뇌 병변과 뇌 병변으로 의한 disconnectome을 동시에 이용하는 기법은 뇌 병변만을 이용하여 임상 양상을 설명하는 것보다 더 향상된 설명력을 갖는다. 그러나, 뇌 병변과 기능적 영상 결과 사이의 왜곡이 임상 관찰의 오류에 의한 것인지 백색질의 비확률적 연결에 의해 나타나는 것인지는 여전히 연구 단계에 있다. 이 논문에서는 1333명의 뇌졸중 환자 데이터를 이용하여 뇌졸중 병소에 의한 disconnectome을 측정하고 뇌 기능 변화와의 관계를 연구하였는데, 결과는 기능 영역이 백색질 연결뿐만 아니라 매우 정형화된 뇌 연결의 공간 분포에 의해 정의된다는 것을 나타내었다. 앞의 결과는 뇌 백색질에 590개의 기능을 지도화 할 수 있는 가능성을 시사하고, 뒤의 결과는 뇌 기능의 분류를 개정할 필요가 있음을 시사한다.

1. The biased distribution of ischaemic stroke

1333개의 실제 뇌졸중 병변 지도(Fig 1b. upper)와 병변과 같은 크기 및 측면화를 갖지만 위치는 무작위 분포되도록 만든 합성 병변 지도(synthetic lesion distribution) (Fig 1b. lower)를 만들었다. 합성 병변 지도를 만들기 위해 high-dimensional data non-linear embedding method (i.e. t-distributed stochastic neighbour embedding (t-SNE)) 기법을 사용하여 뇌 병변의 중복성(Fig 1c)과 이로 인한 disconnectome(Fig 1d)을 지도화했다. 실제 뇌졸중 병변은 피질에서 백색질로 가면서 손상 확률이 점차 증가하는 동심 분포를 나타내었다(Fig 1b. upper). 실제 뇌졸중 병변이 합성 병변보다 더 중복되고 군집을 더 많이 나타내었고(Fig 1c), 실제 뇌졸중 병변에 의한 disconnectome이 합성 병변에 의한 disconnectome보다 더 많은 군집화를 보였다(Fig 1d).

Disconnectome 양상을 요약하기 위해 피질하 영역과 다중피질 지도에서 파생된 영역에서 뇌졸중 병소로 인해 분리된 양상의 평균 단절 수준을 측정하였다. Varimax-rotated principal component analysis (PCA) 기법을 사용하여 만든 stroke disconnectome은 총 46개의 구성 요소 중 30개가 뇌졸중에 의해 분리된 영역의 90% 이상을 설명할 수 있었고, 이에 비해 합성 병변에서 만든 disconnectom (synthetic disconnectome) 및 실제 뇌졸중 병변은 30개 요소의 70-80%를 설명하였다(Fig 2a).

2. Main components of stroke disconnection and their functions

 

 뇌졸중으로 인한 단절과 뇌 기능 사이의 관계를 평가하기 위해, 각 구성 요소의 단절 확률과fMRI 메타 분석 결과를 비교하였다. 46개 구성 요소 중 40개는 특정 fMRI 메타 분석과 상관관계가 있는 뇌 영역을 분리하였다(Fig 2b). Disconnectome 요소와 fMRI에서 나타나는 활성화 사이의 대응 관계가 허혈성 뇌졸중의 편향된 분포에 의해 영향을 받는지 알려진 바 없다. 이 질문에 대한 대답을 위해 fMRI 메타 분석 지도와 stroke disconnectome, synthetic disconnectome, 실제 뇌졸중 병변 사이의 상관 관계를 비교하였고, stroke disconnectome, synthetic disconnectome, 실제 뇌졸중 병변 순으로 fMRI 활성화와 더 연관성이 있고, 각 연관성의 차이는 통계학적 의미가 있었다(Fig 2c). 따라서, disconnectome은 뇌 병변만을 연구하는 것보다 뇌 기능의 국소화를 연구하는 데 더 적절함을 알 수 있다. 반면에 이 연구의 결과는 뇌졸중의 비무작위적 분포가 fMRI 및 기타 뇌 매핑 방법에 사용되는 행동 패러다임을 뒷받침하는 뇌 기능의 분류를 왜곡했음을 시사한다.