Dongming Zhou, Catherine Lebel, Alan Evans, Christian Beaulieu

NeuroImage, Volume 83, December 2013

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 2

Contents

• Motivation

• Abstract & Keywords Contributions

• Participants & Imaging

• Pipeline

• Method

• Result

• Limitation

• Conclusion

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 3

Motivation

• T1* image vs T2* image vs Diffusion Tensor image

• Shape analysis vs Volume analysis

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 4

Abstract

• Asymmetry (비대칭성)

• 대뇌 피질의 비대칭은 인간의 언어와 인지 기능의성숙 (또는 변형)을 조절하는 역할을 할 수 있음.

• 이 가설에 대해서 전 나이영역대의 변화를 관찰한것은 없음.

• 청소년기전에는 medial occipital lobe (R>L) 와inferior frontal gyrus (R>L)에서 비대칭성이 일어남. Vision and Language relevant areas

• 나이가 들어감(청소년기 후)에 따라서 frontal (lateral R>L, medial L>R) and parietal lobe (lateral L>R, medial R>L)의 비대칭성이 일어남

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 5

Contribution

• 뇌 피질의 두께의 비대칭(asymmetry)을 수명의 전반적인 관점의 변화를 관찰한 논문은 없었음!

• 즉! 우리는 Neuroimage에 데이터로 승부함.

MRI 촬영비용이 고가임을 감안하면, 순수 정상인이MRI 촬영하는 것은 비용낭비에 가까움

특히 40대 미만의 순수 정상인의 데이터를 모으는 것은 더더욱 명분이 부족함

그래서 대부분의 뇌 논문의 특징은 뇌 질환을 중심으로 이루어져 있음

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 6

Participants & Imaging

• 274명의 건강한 사람

150 여자, 124 남자

나이분포 : 5~59

오른손 잡이 중심

정신 병력이 없으며, 뇌 손상이 전혀 없는 참석자

• 3D T1-weighted(T1*) image, 1.5T(지멘스)

TE = 4.38, TR = 1870m, TI = 1100ms, 4:29 min

1ⅹ1ⅹ1 mm3

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 7

Pipeline

• 뇌 MRI 처리 pipeline : CIVET 1.1.11

사이트 : https://cbrain.mcgill.ca

템플릿 모델 : MNI-152 사용

획득 데이터 : Volume(Whole brain, gray matter, white matter)

inner & outer surface(40,962 vertices)

최종 획득 값 : Thickness(두께 값)• 20mm FWHM smoothing

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 8

Tools

• 프로그래밍 : Matlab

• 가시화 : Matlab + Toolbox(SurfStat)

• 통계처리 : Matlab + Toolbox(SurfStat)

One-sample t-test• 대칭적인지? 비대칭적인지?

FDR Correction (0.05)

Covariate value : age, gender, brain-volume

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 9

Method

• 두께값(Thickness)

Distance between corresponding vertices of inner & outer

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 10

Method

• Asymmetry index(AI)

비대칭 정도

+ : Left thicker than right, Leftward

- : Right thicker than left, Rightward

𝐴𝐼𝑖 =(𝐿𝑒𝑓𝑡 𝑡ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠𝑖 − 𝑅𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑡ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠𝑖)

0.5 × (𝐿𝑒𝑓𝑡 𝑡ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠𝑖 + 𝑅𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑡ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠𝑖)

i = vertex index

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 11

Result(Movie)

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 12

Lobes

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 13

Axis

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 14

Result (Figure1)

그룹별 뇌 두께 변화 가시화

• 결과 : 나이에 따른 뇌의 두께 변화

• 그룹분할 방법

• 나이(age)의 순서에 따라서 사

람숫자(n)가 균등하게 분포

• 성별도 균등

• 특징

• 고령이 될 수록 뇌의 두께는

점차 얇아짐

• 뇌 두께의 패턴은 연령대 상관

없이 비슷한 패턴을 지님

• 가장 두꺼운 영역

• 가장 얇은 영역 :

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 15

Result (Figure2)

그룹별 뇌 두께 변화 통계적 분석

• 결과 : 전 나이대를 사용한 통계적 관점에서의 나이에 따른 뇌의 두께의 변화

및 변화 량

• 특징

• 고령이 될 수록 뇌의 두께는 점차 얇아짐. 두꺼워 지는 부분은 없음.

• 변화가 큰 부위

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 16

Result (Figure3)

그룹별 뇌 비 대칭성 변화 량(통계적) 가시화

• RED : 왼쪽이 상대적으로 두꺼움

• BLUE : 오른쪽이 더 두꺼움

• 특징

• 어릴수록 뇌가 대칭적임

• 전/후, 바깥/안쪽 부분이 대칭

적인 형태를 띰

• 본 특징은 기존에 잘 알려진

‘Yakovlevia torque’특징을 잘

나타냄

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 17

Yakovlevia torque

오른쪽 왼쪽

• 뇌가 오른쪽으로 치우치는 경향

• Paul Ivan Yakovlev (1894–1983)

가 명명함

• Russian-American

Neuroanatomist from

Harvard Medical School

• 언어, 운동신경, 인지능력과 관련

이 있을것임.

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 18

Result (Figure4)

전 나이대별 뇌 비 대칭성부위의 실측 값 가시화

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 19

Result

• 비대칭성(Asymmetry)

어린이를 대상으로 한 연구에서는 본 연구와 반대의

양상을 보임.

일부 연구는 비슷한 양상을 보임.

이유는 다른 그룹 군(나이범위, 오른손잡이, 사람수)

및 데이터 획득(MRI 스캔 파라메타) 및 pipeline(모델

링 접근 방법, 소프트웨어) 차이가 있음.

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 20

Result

• 피질 두께(Thickness)

기존 연구에서 대체적으로 감소함.

청소년기까지 상대적으로 두꺼워졌다가, 지속적으로

감소하는 경향을 가짐.

나이가 들면서 줄어드는 경향이 확대 됨.

다른 연구들에서도 기존연구와 비슷한 경향을 보임.

본 연구도 이전연구와 비슷한 경향을 보임.

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 21

Result

• 기타 결과

Gray matter volume• Asymmetry를 언급한 타 논문들은 인용함

• Volume 에서 비대칭적인 경향을 확인할 수 있음.

• 태어난 지 몇 주 안된 신생아에서는 아직 확인되지 않음.

성별에 따른 차이• 통계적으로 유의미한 차이를 발견할 수 없었음.

• 즉 뇌 발달에 따른 비대칭성은 남녀 차이가 없음.

• 성별에 따른 결과는 별도로 figure로 만들지는 않음.

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 22

Result

• 기타 결과

뇌 질환과의 관계• 아직은 명확하게 밝혀진 것은 없음

• ADHD, 정신분열병은 비대칭성 발생에 문제를 줄 수 있음.

• 자폐, 임신 중 알코올에 노출되었을 경우 gray matter의 비댕칭성에 문제가 있을 수 있음

• 유년기 육아 스타일에는 영향 받지 않음.

• 즉, 어린 시절의 발달과시기에 영향을 많이 받을 수 있음.

• 본인들이 만든 건강한 사람들의 결과를 기준으로 위험인자들과의 비교를 통해 기존의 분석을 더 잘 할 수 있음.

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 23

Limitation

• 오른손잡이만 분석한 데이터

왼손잡이는 제한함

• Longitudinal study보다는 통계적 의미가 낮음

• T1 image의 해상도가 높아진다면 좀 더 정확한 결과를 얻어낼 수 있음

본 논문의 T1 해상도(1.5T)

대부분 논문의 T1 해상도(3.0T → 7.0T)

JeongHun Kim | 2013/11/29 | # 24

Conclusion

• Asymmetry 데이터 값은 thickness 와 더불어 추가적인 해석을 위한 데이터로 사용 가능함.

• 어린이는 어른보다는 좀 더 대칭적인 형태를 보임.

즉 AI 값이 전반적으로 낮음

• 전 나이대에 걸친 뇌 피질의 비대칭성에 대한 본 연구 결과는 다른 연구의 기반을 제공할 수 있음.