奪われたヘビースモーカーに対する喫煙補充における機能的かつ効果的な接続の変化：安静状態のfMRI研究

以前の研究では、fMRIの助けを借りて喫煙によって引き起こされる機能的接続性の変化を調査していました。この研究では、独立したコンポーネント分析（ICA）とグレンジャー因果分析（GCA）を組み合わせた新しい分析フレームワークを使用して、機能的な接続性だけでなく、脳ネットワークと脳領域の両方に関する効果的な接続性も考慮しています。休憩状態のfMRI実験を実施しました。この実験では、21人のヘビー喫煙者が異なる条件の2つのセッションでスキャンされました。喫煙禁欲と喫煙満腹です。私たちのフレームワークでは、グループICAが最初に採用され、デフォルトモードネットワーク（DMN）、エグゼクティブコントロールネットワーク（ECN）、およびSalienceネットワーク（SN）の空間パターンを取得しました。関連する時間コースはGCAを使用して分析され、SNからDMNへの効果的な接続性が低下し、ECN/DMNからSNまでの補充後に強化されたことが示されました。ICAの空間パターンに関するペアのt検定により、島、パラホイポキャンパス、前部、前帯状皮質、補助運動領域、および腹内側/背側前頭前頭前頭前野などの領域の機能的接続性の変動が明らかになりました。これらの領域は、後に関心のある領域（ROI）として選択され、その後GCAを使用してそれらの効果的な接続性を調査しました。喫煙禁止では、島は他のROIとの効果的な接続性の増加を示しました。喫煙中に、パラホイポキャンパスは、エリア間効果的な接続性を高めました。これらの結果は、奪われたヘビースモーカーにとって、喫煙補充が機能的および効果的な接続性の両方に有効になるという私たちの仮説を示しています。さらに、分析フレームワークは、さまざまな神経科学研究に適用できます。

Previous researches have explored the changes of functional connectivity caused by smoking with the aid of fMRI. This study considers not only functional connectivity but also effective connectivity regarding both brain networks and brain regions by using a novel analysis framework that combines independent component analysis (ICA) and Granger causality analysis (GCA). We conducted a resting-state fMRI experiment in which twenty-one heavy smokers were scanned in two sessions of different conditions: smoking abstinence followed by smoking satiety. In our framework, group ICA was firstly adopted to obtain the spatial patterns of the default-mode network (DMN), executive-control network (ECN), and salience network (SN). Their associated time courses were analyzed using GCA, showing that the effective connectivity from SN to DMN was reduced and that from ECN/DMN to SN was enhanced after smoking replenishment. A paired t-test on ICA spatial patterns revealed functional connectivity variation in regions such as the insula, parahippocampus, precuneus, anterior cingulate cortex, supplementary motor area, and ventromedial/dorsolateral prefrontal cortex. These regions were later selected as the regions of interest (ROIs), and their effective connectivity was investigated subsequently using GCA. In smoking abstinence, the insula showed the increased effective connectivity with the other ROIs; while in smoking satiety, the parahippocampus had the enhanced inter-area effective connectivity. These results demonstrate our hypothesis that for deprived heavy smokers, smoking replenishment takes effect on both functional and effective connectivity. Moreover, our analysis framework could be applied in a range of neuroscience studies.