fMRIにおけるコンテキスト調整機能接続性を検出するための統計的方法の比較

多くの認知および臨床神経科学の研究研究では、文脈的要因が認知プロセスをどのように調節するかを決定しようとしています。fMRIでは、コンテキスト領域AとB間の機能的接続性をタスク条件XとYの関数を比較することにより、コンテキスト条件XとYの関数を比較することにより、コンテキストが分布した情報処理パターンをどのように調節するかについての仮説があります。コンテキスト調整FCをテストするための2つの探索的統計的アプローチが存在します：ベータシリーズ法と精神生理学的相互作用（PPI）分析方法。これらのアプローチは一般的に使用されていますが、特に実際の実験パラメーター（たとえば、刺激の繰り返しの数、裁判間インターバル、刺激期間など）に関して、コンテキスト調整FCを検出するための相対的な力は不明です。ここでは、シミュレーションを使用して、標準のPPI製剤（SPPI）、一般化PPI定式化（GPPI）、およびベータ系列メソッドの間のコンテキスト変調FCを検出するためのパワーを比較します。シミュレーション結果は、GPPIおよびベータシリーズの方法が一般にSPPIよりも強力であることを示しています。GPPIまたはベータシリーズの方法がより強力に実行されたかどうかは実験パラメーターに依存していました。ブロックデザインはGPPIを支持しますが、ベータシリーズ方法は、より多くの試行繰り返しを持つ設計に対してより強力であり、血行動態応答機能の変動性の条件下でより多くのパワーを保持しました。思春期の少女の実際のデータセットでは、ブロック設計を使用するときにタスク変調FCを検出する際にPPIメソッドがより高い感度を持っているように見え、ベータシリーズメソッドは、多くの試行の繰り返しでイベント関連のデザインを使用すると、より高い感度があるように見えました。これらのパフォーマンス結果の意味について説明します。

Many cognitive and clinical neuroscience research studies seek to determine how contextual factors modulate cognitive processes. In fMRI, hypotheses about how context modulates distributed patterns of information processing are often tested by comparing functional connectivity between neural regions A and B as a function of task conditions X and Y, which is termed context-modulated functional connectivity (FC). There exist two exploratory statistical approaches to testing context-modulated FC: the beta-series method and psychophysiological interaction (PPI) analysis methods. While these approaches are commonly used, their relative power for detecting context-modulated FC is unknown, especially with respect to real-world experimental parameters (e.g., number of stimulus repetitions, inter-trial-interval, stimulus duration). Here, we use simulations to compare power for detecting context-modulated FC between the standard PPI formulation (sPPI), generalized PPI formulation (gPPI), and beta series methods. Simulation results demonstrate that gPPI and beta series methods are generally more powerful than sPPI. Whether gPPI or beta series methods performed more powerfully depended on experiment parameters: block designs favor the gPPI, whereas the beta series method was more powerful for designs with more trial repetitions and it also retained more power under conditions of hemodynamic response function variability. On a real dataset of adolescent girls, the PPI methods appeared to have greater sensitivity in detecting task-modulated FC when using a block design and the beta series method appeared to have greater sensitivity when using an event-related design with many trial repetitions. Implications of these performance results are discussed.