Maturation of directed interregional connection in adolescent rat brain

Abstract

정상 뇌 성숙 과정에 대한 이해는 신경∙정신학적인 병적 상태를 규 정하기 위한 기준이 될 수 있다라는 점에서 그 중요성이 있다. 혈류 와 관련된 뇌 활동의 변화를 보여주는 fMRI 영상과 달리 FDG PET 영상은 비교적 안정되게 축적된 대사를 이용한 뇌 활동을 근거로 대사적 네트워크 분석이 가능하다. 퍼시스턴트 호몰로지는 임계 값 을 임의로 선택하는 기존의 방법의 한계를 보완하도록 가능한 모든 임계 값을 적용하여 뇌 네트워크를 구성하는 멀티스케일 방법론이다. 또한 볼륨엔트로피는 뇌 네트워크를 통해 방향성을 가지고 처리 되는 정보의 능률성을 확인하는 새롭게 제안된 분석법이다. 본 연구에서는 소동물 28마리의 5, 10, 15 주 3번의 연속된 FDG PET 뇌 영상을 얻어 퍼시스턴트 호몰로지와 볼륨엔트로피를 이용 한 정상발달에서의 대사적 네트워크 성숙과 효율성을 분석하였다. 퍼시스턴트 호몰로지 분석 결과는 10주 째 뇌의 전두엽 내, 특히 전측 대상피질과 내측 전두엽 피질, 즉 디폴트모드네트워크의 대사 적 연결성이 5주의 것에 비해 유의하게 강화된 것을 보여주었다. 10 주 째와 15주 째 뇌 대사연결성 비교에서는 15주 째의 우측 섬피 피질과 다른 뇌 영역간의 대사적 연결성이 강화됨이 확인되었다. 섬 피 피질과 전측 대상피질은 내∙외적 정보 또는 자극을 적절히 처리 하여 복잡하고 유연한 행동이 실행될 수 있도록 하는 중요한 뇌 영 역인 셀리언스 네트워크를 구성한다. 뇌 네트워크의 볼륨엔트로 피는 정상 발달 과정 동안 강화되는 경향을 보였고 15주 째의 볼륨 엔트로피는 5주 째의 볼륨 엔트로피에 비해 유의하게 강화되어 있 었다. 퍼시스턴트 호몰로지 분석 결과는 정상적 뇌 성숙 과정에서 청소 년기에 특정 의도한 사고, 행동이 이루어지지 않는 상태에서 활성화 되는 디폴트모드네트워크가 발달하며, 내∙외적 정보 또는 자극 을 적절히 처리하여 복잡하고 유연한 행동이 실행될 수 있도록 하는 중요한 뇌 영역인 셀리언스네트워크의 연결성 강화가 초기 성 인기에 이루어짐을 확인해 주었다. 뇌 네트워크내 정보처리의 효율 성을 분석하기 위해 새로이 제안된 볼륨 엔트로피 분석은 정상 뇌 성숙이 뇌 네트워크간의 정보처리 효율성이 높아 지는 방향으로 발 전함을 보여주었다. 또한 방향성을 가진 뇌 연결성 분석을 통해 청 소년기에 해당하는 시기의 동물모델 뇌에서 체감각과 시각피질에서 우측 전반 대뇌피질로의 정보이동이 강화됨을 확인하였다.

Understanding normal brain maturation is important because it can provide reference when disease-related abnormalities are characterized in neurological or psychiatric disorders. Unlike functional magnetic resonance imaging (fMRI) image which only shows changes of brain activity associated with blood flow, 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) positron emission tomography (PET) image can provide metabolic network of brain activity. Metabolic brain connectivity is the correlation among spatially distinct brain regions. The persistent homology is a novel multi-scale framework that generates all brain networks above all possible threshold compensating for the weakness that the existing method has no generally accepted criterion. Volume entropy is a new invariant of brain graphs methodology indicating the information processing on brain network with direction. In this study, a longitudinal FDG PET study of metabolic connectivity using persistent homology and volume entropy were performed in 5, 10, and 15week-old brain images of 28 rats. Persistent homology analysis showed that the metabolic brain connectivity was enhanced brain connectivity in bilateral frontal cortices of 10 week-old rat, especially between anterior cingulate cortex (ACC) and medial prefrontal cortex (mPFC) compared with 5 week- old rat brain, that are components of default mode network. In comparison of 10 and 15week-old, the metabolic connectivity between the right insular cortex and other ROIs was significantly enhanced in 15 week-old rat brain. The anterior insula and ACC form a salience network that serves to separate the most relevant parts of internal and external stimuli to induce certain behavior. Volume entropy analysis showed the increasing tendency of brain metabolic volume entropy over rat brain maturation (5-10-15 week). The metabolic volume entropy of 15 week-old rat brain was statistically higher than that of 5week-old. In the concept of directed network, node and edge capacity of ACC became larger during maturation. The result of persistent homology analysis confirmed that the metabolic brain connectivity of the regions controlling wakeful rest state of brain and leading complex and flexible behavior was enhanced during normal maturation. The volume entropy of metabolic brain connectivity tended to increase during normal rat brain maturation reflecting efficiency of directed information processing through brain network.