作業時および安静時の fMRI 信号に対するサージカルマスクの影響

Communications Biology volume 5、記事番号: 1004 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の感染拡大を抑えるにはマスクの着用が不可欠となっており、ほとんどの研究機関でfMRIデータを収集する際にもマスクの着用が義務付けられている。ここでは、n = 37 人の健康な参加者を対象に、サージカルマスクの着用が fMRI データに及ぼす影響を調査します。指のタッピング、感情的な顔の一致、作業記憶タスク、および休息中の活性化が検査されました。予備的な fMRI 分析では、マスクの状態が異なるにもかかわらず、静止状態の信号とタスクの活性化が比較的類似していることが示されました。静止状態の機能的接続性は、マスクオフと比較してマスクオンでは無視できる減衰パターンを示しました。タスクベースの ROI 分析でも、調査した各コントラストの下で 2 つのマスク状態の間に有意な差がないことが実証されました。全体的には重要ではない影響にもかかわらず、これらの結果は、fMRI中のフェイスマスクの着用が安静状態と課題の活性化にほとんどまたはまったく有意な影響を及ぼさないことを示しています。

2019 年末に発生した新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の発生は、2020 年 3 月に世界保健機関 (WHO)1 によって世界的なパンデミックであると宣言されました。WHO は、ウイルスの感染率を制御するための重要な予防措置の 1 つとして、フェイスマスクを着用することを推奨しました。フェイスマスクを着用すると感染のリスクが大幅に軽減され、人から人への感染の可能性が減少します2。この勧告は、世界中の国で激しい議論を巻き起こしました。懸念としては、マスクの着用が不快で不便で日常生活に支障をきたす可能性があることや、マスクの長時間使用による影響についての疑問などが挙げられます3,4。

MRI (および fMRI) イメージング研究施設が徐々にスキャンを再開する中、ほとんどの施設では被験者にフェイスマスクの使用を義務付けています。 MRIスキャン中のマスク着用の潜在的な懸念以前には、フェイスマスク着用の生理学的および認知的影響を調査した研究はほとんどありませんでした。 Roberge らは、ゆっくりとしたペースで歩くなど、通常の活動条件 (N95 マスクを着用した状態) での根本的な生理機能を研究しました 5,6。著者らは、吸入中に抵抗が 3% 増加することを発見したが、これは空気/酸素 (O2) の需要が高まっていることを示しており、それは根底にある生理学的プロセスに大きな影響を与えないと結論付けた。彼らは、標準的なサージカルマスクなどの比較的軽いマスクでは、呼吸能力と酸素飽和度（血液中の総ヘモグロビンに対する酸素飽和ヘモグロビンの比率）にほとんど差が生じない可能性があることを示唆しました。上記の研究は O2 の違いに焦点を当てていますが、空気需要と空気組成は呼気終末二酸化炭素 (EtCO2) の測定によって検査されることが最も多く、これは通常、吸気 O2 (体積が減少している) と肺から吐き出される空気 (CO2 の蓄積が増加している) の両方が測定されるためです。再呼吸中）は、ぴったりとフィットしたマスクを着用すると混合されます。しかし、これらの研究は、フェイスマスク着用中の生理学的変化は最小限であることを示唆していますが、脳の信号と活動に対する潜在的な影響はまだ十分に調査されていません。さらに、動脈血は主に時間の経過とともに増加する CO2 (O2 の減少に続く) で構成され、特に灰白質の動脈血管容積に影響を与える可能性があることは注目に値しますが、より重要なのは、空気組成による BOLD fMRI 信号の変化が最も優れていることです。静脈から取得され、血中酸素濃度 (BOLD) に直接対応することが知られています。

BOLD fMRI は主に脳機能の研究に使用されます。課題チャレンジと安静状態の両方で、BOLD 信号は酸素のベースラインレベルと変動、および酸素消費に影響を与える条件に依存します。脳の酸素化の変化を研究する 1 つの方法は、ガスと空気の混合物を使用することです7。もう一つの方法は、息を止めることです8。息止め研究では、参加者に一定の短時間息を止めるよう求められますが、この作業により血液中、特に肺に酸素が減少し、CO2が蓄積することが予想され、これにより高炭酸ガス血症が引き起こされます9,10。

最初の研究とごく最近の研究では、フェイスマスクの着用が fMRI 測定に影響を与えるかどうかという問題が取り上げられました。 Lawらによるこの最近の研究は、 (2021) は、fMRI 中にフェイスマスクを着用すると、BOLD 信号に影響を与える可能性があるが、タスクの活性化には最小限の影響を与える CO2 レベルの上昇を誘発することを示しました。この研究は、マスク着用が fMRI の活性化に及ぼす影響の可能性に関する懸念に対処した最初の研究の 1 つです。しかし、比較的小さいサンプルサイズ（n = 8）と感覚運動課題に焦点を当てているため、研究の結論は限定的であり、頻繁に使用される認知状態、感情状態、安静状態の fMRI パラダイムに対するフェイスマスクの着用の影響はまだ明らかではありません。決定した。

この現在の研究では、マスク着用の影響が無視できることを示した最近の神経画像研究11に基づいて、安静状態と一般的なタスクパラダイムの両方についてマスク状態（マスクオンとマスクオフ）のfMRIデータをさらに調査しようとしました。 n = 35 人の健康な被験者のより大きなサンプルにおける被験者内デザイン。

データに頭部の動きの除外基準（平行移動 < = 2 mm および回転 < = 2o）を適用し、その後劣化した画像を除去した後、35 人の右利きの健康な参加者（男性 15 人、女性 20 人、男性の平均年齢 = 23.8 ± 1.13 歳、女性の平均年齢 = 23.4 ± 1.04 歳）、すべてのさらなる分析について、表 1。SPO2 と HR に関して、対応のある t 検定により、一般にマスクオフの方が高いにもかかわらず、マスクオフの方が有意な差がないことが明らかになりました。マスク状態間のスキャン O2 とポストスキャン O2。また、マスクオンとマスクオフの両方で、スキャン前 HR とスキャン後 HR の間に違いは見つかりませんでした。すべての結果を表 2 にまとめます。

調べたインデックス全体で、マスクオンとマスクオフの両方で比較的類似した ALFF と fALFF が観察されました。どちらの状態でも、信号は広範囲のネットワーク、特にデフォルトモード領域 (PCC および dLPFC) と顕著なネットワーク (島嶼) に渡ります。図 1a ～図 1d。マスクオンとマスクオフの間の対応のある t 検定では、有意性は示されませんでした (閾値は p < 0.05、FDR 補正)。 ReHo（図1e、f）に関しては、デフォルトモードネットワークと、マスクオンとマスクオフの両方のビジュアルネットワークで相関関係が観察されます。2つのマスク状態の間に有意な差はなく、すべて未補正のペアtです。 -テストマップを補足図1に示します。

(a、b)、(c、d)、および (e、f) は、それぞれマスクオンおよびマスクオフ状態での ALFF、fALFF、および ReHo に対して計算された 1 サンプル t 検定を表し、結果は p でのしきい値です。 < 0.05、FDR は修正されました。

rsFC (図 2a、b) の場合、各マスク状態内で計算された 1 サンプルの t 検定は、116 個の ROI すべてにわたってほぼ同様の接続パターンを示しました。各州は地域接続性の増加と増加の両方を示しましたが、マスクオフ状態はマスクオン状態と比較してわずかに高かったです。対応のある t 検定では、2 つのマスク状態間に有意差は示されませんでした (p < 0.05、FDR、補正済み)。

a、b 両方のマスク状態のすべての被験者にわたる AAL テンプレートから抽出された 116 個の ROI の FC マトリックス。カラーバーは、1 サンプル t 検定を使用して計算された Z 値の強度に対応します (p < 0.05、FDR 補正)。

指のタッピングに対応する脳全体のピーク活性化は、各マスク状態内で強力な活性化を示しました。マスクオン状態とマスクオフ状態の両方で、重要な活性化は補足運動野（SMA）と中心後回、視覚ネットワークの紡錘形およびカルカリン、小脳、尾状核、およびいくつかの側頭領域に位置しています。図3a 、ｂ．マスクタスクのアクティブ化とマスクなしタスクのアクティブ化の差は有意ではありませんでした (対応のある t 検定、p < 0.05)。

a マスクオン状態中の指タッピングタスクに関連付けられた領域。 b マスクオフ状態中に活性化された領域。示されたすべての領域は、p < 0.05 で閾値処理され、FDR 補正され、各マスク状態内で 1 サンプルの t 検定を使用して計算されました。 L 左半球、R 右半球、> より大きい。

このタスクでは、最初に、マスクオンとマスクオフの間で注意力と感情処理の効果を示す脳領域を特定しました。両方の状態の感情課題では、活性化領域は視床、中/前帯状回、前頭前皮質、および海馬にあります。幸せな写真と中立的な写真の両方と対照的に、怒りによって引き起こされる活性化は、マスクオン状態と比較してマスクオフ中の帯状皮質と海馬で一般に大きかった（図4a〜d）。幸せな顔と中立的な顔のコントラストは、運動、中帯状回、後帯状回、海馬全体にわたって比較的同様の領域活性化を共有しました、図4e、f。

(a、b: 怒った顔 > 幸せな顔)、(c、d: 怒った顔 > 無表情な顔)、および (e、f: 幸せな顔 > 無表情な顔) は、2 つのマスク状態の間に提示された感情刺激に対して計算されたコントラストを示します。それぞれ。計算された活性化は、視覚、海馬、中部/前帯状皮質、および前頭前皮質で最も多く発生します (p < 0.05 のクラスター補正閾値)。 L 左半球、R 右半球、> より大きい。

このタスクには、作業メモリの負荷が異なる 3 つの条件 (0-バック、1-バック、2-バック) が含まれています。 0-back をベースラインのメモリ負荷として使用しました。同様の活性化パターンが、マスクオンとマスクオフの両方および各記憶負荷において、背外側前頭前野 (dLPFC) で発生しました。活性化された領域は、マスクオン状態とマスクオフ状態の間で比較的類似しています（図5a〜f）。マスクオン状態とマスクオフ状態の間には、活性化に大きな違いはありませんでした。

(a、b: 最初のメモリロード > ベースライン)、(c、d: 2 番目のメモリロード > ベースライン)、(e、f: 2 番目のメモリロード > 最初のメモリロード) は、各マスク状態内の各メモリロードコントラストのアクティブ化パターンを示します。。活性化のパターンは両方の条件で同一です (活性化クラスター補正閾値 p < 0.05)。 L 左半球、R 右半球、> より大きい。

ROI 分析は 3 つの独立したタスクに対して実行されました (ROI は「方法」を参照)。マスクオン状態とマスクオフ状態の ROI の抽出されたパラメータ推定値に基づいて、対応のある t 検定 (しきい値 p < 0.05) が計算されました。指タッピングタスクでは、Vermis_6とSMAのそれぞれでマスクオンとマスクオフの間に有意な差は示されませんでした（図6a、b）。感情的な顔の照合実験では、扁桃体で調べたコントラスト（怒り>幸せ、怒り>中立、幸せ>中立、図7a〜c）のいずれについても、2つのマスク状態の間に有意な差はありませんでした（図7d）。。同様に、作業記憶タスクでは、2つの領域のROI（図8a〜c）から得られた1-back > 0-backおよび2-back > 1-backのコントラストに有意な差はありませんでした（図8d））。

aは、（b：SMA（x = 10、y = −4、z = 58）およびvermis_6（x = 6、−70、z = −16））の2つのROIから導出されたすべての被験者について抽出されたベータ重みを示します。マスクオンとマスクオフ。 ROI で計算された 2 つのマスク状態間の差異は、対応のある t 検定によって計算されました (p < 0.05)。エラーバーは標準誤差を示し、ns は重要ではありません。 L 左半球、R 右半球、> 以上、SMA 補足運動野。

(a: 怒った顔 > 幸せな顔、b: 怒った顔 > 無表情な顔、c: 幸せな顔 > 無表情な顔) は、(d: 左扁桃体 (x = −24、マスクオン状態とマスクオフ状態の間の、y = −2、z = −32) と右扁桃体 (x = 26、y = −6、z = −28) ROI で計算された 2 つの条件の差は、対応のある t 検定による (p < 0.05、ボンフェローニ補正) エラーバーは標準誤差を示し、ns は有意ではありません. L 左半球、R 右半球、> より大きい、扁桃体。

(a: 怒った顔 > 幸せな顔、b: 怒った顔 > 無表情な顔、c: 幸せな顔 > 無表情な顔) は、(d: 上前頭回、内側 (x = 2、y = 54、z = 20）および後帯状皮質（PCC; x = 2、−44、z = −28））。 2 つの条件間の差異は、対応のある t 検定によって検査されました (p < 0.05、ボンフェローニ補正)。エラーバーは標準誤差、ns は有意ではない、L 左半球、R 右半球、> より大きいことを示します。

私たちは、安静状態およびタスクベースのアプローチを採用して、サージカルマスクの着用がスキャン中に fMRI 信号に影響を与える可能性があるかどうかを調べました。一般に、2 つのマスク状態間で一貫した休止状態信号とタスクの起動が観察されました。 (1) 全脳レベルでは、マスクオンとマスクオフの間に rsFC の有意な差はありませんでした (2) 課題実験の全体的な結果は、マスクオンとマスクオフの両方の状態で比較的類似した活性化パターンを示しました。活性化に大きな違いはありません。したがって、私たちの結果は、マスク着用が11で観察された活性化パターンに影響を及ぼさないことを確認し、その発見を安静状態のfMRIだけでなく追加の認知的および感情的タスクにも拡張します。

rs 信号分析では、ReHo における ALFF、fALFF、および接続性の変動が比較的類似していることが実証されました。マスクオフでは、マスクオンと比較して 3 つの測定値すべてに有意差がないことが示され、統計的差異（未補正、補足図 1）は、空気混合物に微妙な変動が存在することを示唆しています（おそらくマスクオン中に、同様に説明したように CO2 蓄積による） in11) 2 つのマスク状態間でわずかな活性化変化が生じますが、その効果は重要ではなく、rs-fMRI 中の基礎となる信号の違いを反映しません。

rsFC は 2 つのマスク状態間に大きな違いを示さなかったが、実証された全体的な接続パターンは同等であり、マスクオンはマスクオフと比較して比較的重要ではない低い接続強度を示しました。これは、混合気中の CO2 の増加が原因である可能性があります。。一般に、3 つの安静状態の測定値と FC の両方で、マスクオンの方がマスクオフと比較してわずかに低いことが示されました。この観察は、静脈 O2 の純増加とは対照的に、脳灌流の増加が動脈 SPO2 の減少を引き起こした結果である可能性があります。

タスク分析では、指でタッピングするタスクは、特に SMA、大脳基底核、小脳領域で、マスクオンとマスクオフの両方で同様のパターンを示しました。これまでの研究では、SMA が基本的な随意運動や両手調整などのさまざまな形の運動活動に関与していることが明らかになりました 12,13。また、連続的かつ反復的な動きは、大脳基底核の活性化と関連している14,15。したがって、これらの活性化パターンはマスクオン状態とマスクオフ状態の両方で明らかになることが予想されました。私たちの結果は 11 と一致しており、感覚運動課題における活性化の違いも見つかりませんでした。

ベースラインとして中立的な顔を使用した感情的な顔照合タスクの検査により、怒った顔は両方の条件で前頭前野に関与し、中帯状回、視床、視覚野、海馬、およびdLPFCで違いが発生することが明らかになりました。さらに、怒り顔条件と幸せ顔条件の両方で、中立顔条件と比較して、各マスク状態で同一の活性化が現れました。 ROI 解析では、計算されたすべてのさまざまなコントラストについて、マスクオン条件の BOLD 信号がマスクオフ条件に比べて低かった。

作業記憶課題では、dLPFC、視覚野、SMA中/前帯状回、視床、PCCなどの領域で強力な活性化が示され、これらは2つのマスクオフ状態で予想されました。実験では、同様の活性化パターンが、対応する認知反応と行動反応を暗示することが示されました。 2 つのマスク状態の間の活性化は脳全体で一般的に類似しており、メモリ負荷全体にわたる一般的なタスク活性化反応にマスクの影響がなかったことを示しています。これは、各記憶負荷に対して同様の神経活動が存在することも示唆しており、人間の作業記憶の維持を調査した研究と一致しています16。どちらのマスク状態でもこれらの活性化パターンは影響を受けませんが、いくつかの研究では低酸素条件下で同様の効果が示されています17。作業記憶のパフォーマンスは、タスクの習熟度の向上に対応する BOLD 信号へのより多くの反応を反映します。つまり、タスクの難易度が上がると、脳の反応が大きくなります。 PCC はメモリ負荷の増加に関与しており、これは私たちの結果と一致しています。ただし、その効果が根底にある認知プロセスによるものかどうかを明らかにするには、さらなる調査が必要となるでしょう。

この調査結果は限界を考慮して考慮する必要があることに言及することは注目に値します。まず、スキャン前およびスキャン後の SPO2 を測定できましたが、これは、EtCO2 が測定され、空気流がスキャナ内で制御された場合と比較して、真の BOLD fMRI 信号の変化を反映していない可能性があります 11,19。第二に、実験セッション中のマスクのプリスキャン装着は短時間でした。また、マスクオンとマスクオフの両方の状態で最小限かつ便利なタスクの実行を可能にするために、より短いタスク期間、より長い装着期間を含めるよう実験を修正しました。したがって、マスクの事前スキャンと事後スキャンにより、タスクの応答が向上します。今後の研究では、マスクを長時間着用することと、タスクを別々に行うことの影響を調べる必要があります。また、動脈血酸素飽和度 – SaO2 の推定値としての末梢 SPO2 の減少は、灰白質の変化に対応している可能性があり、依然として推測の域を出ません。

全体として、私たちの結果は、安静状態とタスクのアクティブ化を含むすべての測定にわたって、マスクオン状態とマスクオフ状態の両方が同様のパターンを示したことを示しました。これは、サージカルマスクの着用による fMRI 信号への影響が無視できるかまったくないことを反映している可能性があります。本質的に、これらの結果は、fMRI で最も使用されるパラダイムを反映するデータサイズと有用な実験を拡張することにより、11 の結果を裏付け、補完します。

37 人の右利きの健康な若者（平均年齢 = 23.6、範囲 = 21 ～ 27）は、2 回の fMRI 取得セッションのうち 1 回でサージカルフェイスマスクを着用する必要がありました。参加者は全員キャンパス環境から集められ、少なくとも 14 年間の教育訓練を受けたフルタイムの学部または大学院レベルの学生であり、賞賛に値する IQ レベルを持っていると考えられていました。すべての参加者は、実験前に中国電子科学技術大学（UESTC）病院で肺活量（呼吸筋力低下のレベル、肺容積、呼吸数）の徹底的な検査を受け、スキャンを受けました。病理学的関連レベルで高レベルのうつ病または不安を抱える被験者を除外するために、参加者は2つの尺度（中国のベックうつ病インベントリ、C-BDI20、状態特性不安インベントリ、STAI21）を用いてスクリーニングされた。

スキャンの前に、すべての被験者はタスクを練習しました。すべての研究手順は、UESTC の地域倫理委員会によって承認されました。すべての被験者は、この研究に参加することについて書面による同意を提供した。同意の一部には、スキャン手順と心理的評価に関する正確な情報が含まれていました。この研究は成都脳科学研究所（CBSI）臨床病院の倫理委員会によって承認され、ヘルシンキ宣言の最新改訂版に準拠した。

MRI データは、MRI スキャナー (3.0 T、Discovery MR750、GE、米国) を使用して収集されました。機能画像は、グラディエントエコーエコープラナーイメージングシーケンスを使用して収集されました。スキャンパラメータは次のとおりです。TR/TE = 2000 ms/30 ms。視野 = 240 × 240 mm2; フリップ角 = 90°; マトリックスのサイズ = 64 × 64、厚さ = 4 mm。軸方向スライス数 = 42、スライス厚 = 3 mm、ギャップ = 0。マスクオン状態とマスクオフ状態の両方について、安静時と課題 fMRI の両方でデータを収集しました。静止状態の fMRI データは、240 の画像ボリュームを含む 8 分間の 1 回の実行で取得されました。静止スキャンの最初の 5 ボリュームは、定常状態の縦磁化を確保するために破棄されました。安静状態でのスキャン中、参加者には目を閉じたままにし、特に何も考えないよう指示されました。

すべての生理学的および心理的検査は、MRI スキャンセッションの前に実行されました。最初のステップでは、心拍数を下げるために参加者に 5 分間休んでもらいます。スキャンセクションには 2 つの評価が含まれており、参加者はマスクを着用している (マスクオン) とマスクを着用していない (マスクオフ) にランダムに割り当てられました。つまり、被験者は 2 回スキャンされ、被験者がマスクを付けた状態でスキャナーに入った場合、マスクなしで再度スキャンされ、それに応じて SPO2 飽和度が測定されます。参加者がマスクを着用する前に、フェイスマスクの上部から金属ストリップを取り外しました。金属ストリップの除去による影響を軽減するために、気密性を維持するために金属ストリップを除去した各マスクに両面粘着テープを貼り付けました。マスク着用状態については、参加者は次の心理テストを完了しました：状態特性不安インベントリ、テスト不安インベントリ、およびベックうつ病インベントリ II。参加者もマスクを外さずに３つの課題を練習した。心理テストの後、パルスオキシメータを人差し指に 3 分間置き、SPO2 飽和度と心拍数を測定しました (以下、プレスキャン O2 と呼びます)。その後、参加者はスキャナーに入りました。 MRI スキャンが完了した後、O2 飽和度と心拍数が再度測定されました (以後、スキャン後 O2 と呼ばれます)。生理学的測定の結果は、t 検定を使用して MRI セッションの前後で各マスク状態内で比較され、統計的有意性は p < 0.05 で閾値処理されました。 t 検定を使用してマスク状態内の差異を検定し、対応のある t 検定をマスクオンとマスクオフの間で使用し、統計的有意性を p < 0.05 で閾値処理しました。

すべての画像は、DPARSF1 (http://rfmri.org/DPARSF) を使用して次の手順を適用して前処理されました。スライス間の画像取得は時間補正され、画像は起こり得る動きアーティファクトを除去するために再調整され、画像は標準 EPI テンプレートに正規化されました。各被験者画像は、Montreal Neurological Institute (MNI) テンプレートを使用して 3 × 3 × 3 mm の解像度で標準空間にワープされ、最後に 8 mm の半値全幅 (FWHM) ガウスカーネルで画像が平滑化されました。負の相関が導入され、分析対象の実際の信号が減少すると想定されたため、グローバル信号の回帰は行いませんでした。頭部の動きのパラメーターは、Friston 24 パラメーターモデル 22 を使用して、各軸の角回転 (ピッチ、ロール、ヨー) とともに 3 方向 (x、y、z) で推定されました。極端な頭部の動きを避けるために、運動の閾値を平行移動 < 2 mm、回転 < 2° に設定し、閾値を超える値を持つ被験者はさらなる分析から除外しました。フレーム方向の変位 (FD)23 は、次の式を使用して各被験者について評価されました。

ここで、 t は fMRI のタイムポイントの数です。 \({x}_{i}^{1}/{x}_{i}^{2}\),\({y}_{i}^{1}/{y}_{i}^ {2}\) と \({z}_{i}^{1}/{z}_{i}^{2}\) は、t 番目の時点での 3 方向すべて (x、y、および ) の平行移動と回転です。 z) と \(\triangle {d}_{{x}_{i}^{1}}={x}_{i}^{1}-{x}_{i-1}^{1} \)(式2)。平均変位閾値を FD < = 0.5 として設定します。

すべてのデータ分析は、spm12 ソフトウェア (https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/) およびバッチ計算用の spm12 依存スクリプトを使用して行われました。

低周波変動の振幅（ALFF）、部分ALFF（fALFF）、および局所均一性（ReHo）を含む安静状態信号測定値が、両方の条件のすべての被験者について計算されました。ボクセル単位の ALFF 測定値は、選択した周波数ウィンドウ内のパワーの平均平方根です。 fALFF は、指定された周波数範囲全体にわたる信号差に対する、選択された低周波数範囲の発振の相対的な寄与を指定します。この計算では、特定のボクセルの時系列とその 27 個の最近傍の時系列の類似性がボクセルごとに測定され、ケンダルの一致係数 (KCC) 値が各中心ボクセルに与えられました。すべての ALFF 画像は、高速フーリエ変換を通じてパワースペクトルを抽出し、低周波数帯域 (0.01 ～ 0.08 Hz) 内の振幅の合計を計算することによって推定されました。 fALFF も、0.01 ～ 0.1 Hz の全周波数範囲にわたる合計振幅に対する、ALFF と同じ周波数範囲内の振幅の比として計算されました。 KCC を使用して ReHo を計算しました。 ReHo マップは、6 × 6 × 6 mm FWHM ガウスカーネルを使用して空間的に平滑化されました。

我々は、116 個の ROI を含む AAL 全脳アトラス 24 を使用して、DPARSF 経由で FC を計算しました。平均時間経過が 116 個の ROI すべてから取得され、ボクセルごとの相関分析が実行されて FC マップが作成されました。次に、相関係数マップは、正規性を向上させるためにフィッシャーの r-to-z 変換によって az マップに変換されました。さらに、各マスク状態の相関行列を抽出し、マスクオンとマスクオフの間で一対のテストを実行しました。

前処理手順は、安静状態データの場合と同じでした。私たちはマスクオンとマスクオフの条件に対して、指のタッピング、感情的な顔の一致タスク、作業記憶を含む 3 つの異なるタスクを実施しました。これらの実験は、2 つの条件の影響を評価するために使用できる基本的な運動、認知、感情のプロセスを表します。各被験者に対して、128 秒に設定されたハイパスフィルターを適用することによって第 1 レベルの統計分析が実行され、各マスク状態 (マスクオンおよびマスクオフ) が実験のブロック設計の標準血行力学関数を使用してモデル化されました。。条件内アクティベーションを検出するために、各タスクで第 2 レベルの統計計算が実行されました。コントラストは、すべてのタスクの各条件内で計算されました。

一部の研究では、軽度の低酸素症と同様の比較的低い O2 レベルへの曝露は、全体的な認知機能や一部の重要な運動能力には影響を及ぼさない可能性があると示唆されています 25,26 が、軽度の低酸素症が記憶力、注意力、注意力などの複雑な認知能力に影響を与える可能性があることを示す報告もあります。これらの報告に基づいて、我々は、fMRI タスクとして広く使用されている 3 つ、すなわち指タッピング 29,30、感情面照合 31、および n-back 作業記憶 32 を選択しました。 2 つの条件間の対応のある t 検定 (p < 0.05) を計算しました。

我々は、そのシンプルさと微妙な皮質運動の完全性を測定し、fMRIを使用して観察できる対応する運動活性化を提供できる能力のため、今回の研究では指タッピングタスクを採用しました。また、BOLD 変動に応じた O2 変調は運動動作中によく保存され 33,34 、O2 レベルの低下下でのニューロン活動の推定が可能になります。この課題では、十字と文章が交互に提示されました。課題が開始されると、注視が提示されて 34 秒継続し、次に課題文でもある指示 (「指を動かしてください」) が提示されて 24 秒継続し、このパターンが繰り返されました。最初の注視を除き、残りの注視と指導は 24 秒間続きました。総タスク時間は 226 秒でした。

この実験では、扁桃体などの感情に関連する領域で怒り顔に対する反応を決定することが示されているブロックデザイン fMRI パラダイムを使用しました。タスクを 2 つの実行で構成されるように変更し、各実行は 6 ブロックの顔面刺激と 2 ブロックの非顔面刺激で構成されました。アジア人の表情データベース 37 から取得したアジア人の顔刺激を利用しました。顔処理ブロック中に、状態固有 (幸せな表情、怒りの表情、または無表情な表情) の 3 つの顔刺激が画面上に表示されました。参加者は 2 つの写真 (下) から選択し、どれがターゲットの写真 (上) と同一であるかを特定するように求められ、その後、キー押下反応が実行されて結果が記録されました。各ブロックは、性別のバランスをとった 4 つの条件別試験で構成されていました。顔以外のブロックでは、3 つの単純な幾何学的形状 (円と楕円) がスクリーン上に表示されました。同様に、参加者は、ターゲットの形状 (上) に一致する 2 つの形状 (下) から 1 つを選択する必要がありました。すべてのブロックは、2 秒間の短い指示 (「顔の一致」または「形状の一致」) から始まりました。各ブロック内で、各トライアルは 1 ～ 3 秒 (平均 2 秒) の刺激間間隔 (ISI) で 4 秒間提示されました。総タスク時間は 336 秒でした。

参加者は、関連する作業記憶情報の維持と継続的な更新を必要とする手紙で構成される n-back タスク 38 を実行しました。 n-back タスクには 2 つの異なるレベルの複雑さがあり、負荷の持続と精神的操作を目的とした 1-back タスクと 2-back タスクがありました。参加者はまた、事前に指定された文字 (つまり、「X」) を識別するように求められるコントロールタスク (0-back) も実行しました。 1-back タスク中、参加者は、画面上に表示された文字 (「ターゲット」刺激) が、以前に画面上に提示された文字 (「キュー」刺激) と一致するかどうかを識別する必要がありました。同様に、2バックタスク中、参加者は、画面上に表示された文字（「ターゲット」刺激）が、画面上に以前に表示された文字（「キュー」刺激）の前のものと一致するかどうかを比較するように求められました。参加者は、ターゲットがキューと同一である場合、または異なる場合に、それぞれボタン 2 または 3 を押して応答するように求められました。視覚的および音韻的戦略を軽減するために、大文字と小文字を含む音韻的に閉じた文字を使用しました。したがって、次の文字が提示されました: b、B、d、D、g、G、p、P、t、T、v、V。参加者には、これらの文字の大文字と小文字を無視するように指示されました。文字は 1500 ミリ秒の固定刺激間隔で 500 ミリ秒提示されました。 4 つの実行があり、各実行には 3 つのブロック (0-1-または 2 ブロック) があり、各ブロックには 12 のターゲットを含む 36 のトライアルがありました。各タスクブロックの前に、指示画面 (0、1-、または 2-back) が 2000 ミリ秒間表示されました。最初の文字の開始から指示を区切るには 4000 ミリ秒の空白の画面がありました。タスクブロックは 8000 ミリ秒の固定クロスによって分離されました。総タスク時間は 270 秒でした。

より高感度な分析を可能にするために、関心領域 (ROI) 分析を追加しました。 ROI は、SPM に実装された MarsBar ツールボックス 39 を使用して作成されました (半径 6 mm)。タスクのそれぞれに対して解剖学的マスクを定義しました: 指のタッピング (SMA; x = 10、y = −4、z = 58、虫食い; x = 6、y = −70、z = −16)、感情的な顔のマッチング (左)扁桃体; x = −24、y = −2、z = −32、右扁桃体; x = 26、y = −6、z = −28）および作業記憶（上前頭回、内側; x = 2、y = 54、z = 20および後帯状皮質; x = 2、y = −44、z = 28）。これらの ROI は、Neurosynth データベース (https://neurosynth.org/) から得られたメタ分析の脳領域に基づいています。すべての ROI ラベリングは、MNI 空間の自動解剖学的ラベリング (AAL) アトラス 24 に基づいていました。分析の前に、重回帰を計算して活性化マップを取得し、ROI を使用してパラメーター推定値を取得しました。対応のある t 検定を使用して、2 つの条件の値間の差異を評価しました (有意な閾値は p < 0.05 に設定)。

統計的な単純さと結果の再現性を確保するために、2 段階のアプローチを採用しました。スキャン前後の各被験者のマスク状態 (マスクオンとマスクオフ) をランダムに決定しました。各被験者から収集されたデータは、最初にスキャン前とスキャン後のデータにグループ化され、各マスク条件の結果が後に n = 35 人の被験者全員について結合されました。安静状態実験と課題実験の両方から得られた t マップを比較しました。それぞれのマップは、脳全体におけるマスク内状態の効果に対する 1 サンプルの t 検定とマスク状態間の効果に対する対応のある t 検定で構成されています (脳の外側のボクセルは除きます）。

研究デザインの詳細については、この記事にリンクされている Nature Research レポートの概要をご覧ください。

すべてのデータは中国電子科学技術大学から入手しました。データは、この原稿の受諾と合理的な要求があれば、対応する著者から入手できます。図 1 と 2 の ROI 分析の統計プロットを生成するために使用されるすべてのデータポイント。図6、7、8は補足データ1に記載されています。

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中国国家自然科学財団 (NSFC、番号 0561871420) がこの研究を支援しました。

成都脳科学研究所臨床病院、MOE 神経情報重点実験室、中国電子科学技術大学生命理工学院医学情報センター、西高新区西源大道 2006 号、成都、四川省、611731、中国

ベンジャミン・クルーガ＝ブラウン、ユエ・ユー、ペン・フー、エリヤ・アゴアリクム、コンコン・リュー、シーチン・リュー、シー・ヤン、イーシュウ・ゼン、シンチー・チョウ、ベンジャミン・ベッカー、バーラト・ビスワル

マルチモスイメージングセンター、ハーバード大学医学部、チャールズタウン、マサチューセッツ州、02129、米国

シン・ユ

テキサス大学ダラス校行動脳科学大学院、GR41800 W. Campbell Road、Richardson、TX、75080-302、米国

バート・リプマ

デューク脳科学研究所、デューク大学、ダーラム、ノースカロライナ州、米国

アンドリュー・M・マイケル

米国ニュージャージー州ニューアーク、ニュージャージー工科大学生物医工学部

シャオボ・リー＆バーラト・ビスワル

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構想：BK-B。および B. ビスワル。方法論、データ分析、およびオリジナルの草稿原稿の作成: BK-B.; データ収集と分析 - fMRI: YY、PH、EA; 実験計画とプロトコル: CL、X. Liu、X. Yang、YZ、XZ、および B.Becker。執筆、レビューおよび編集: X. Yu、BR、AMM、X.Li、B. Becker、および B. Biswal。

ベンジャミン・クルーガ＝ブラウンまたはバーラト・ビスワルとの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Communications Biology は、この研究の査読に貢献してくれた Michael Germuska と他の匿名の査読者に感謝します。主な担当編集者: Jeanette Mumford、Karli Montague-Cardoso、Joao Manual de Sousa Valente、George Inglis。

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転載と許可

Klugah-Brown、B.、Yu、Y.、Hu、P. 他。作業中および休息中の fMRI 信号に対するサージカルマスクの影響。 Commun Biol 5、1004 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s42003-022-03908-6

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受信日: 2021 年 8 月 12 日

受理日: 2022 年 8 月 29 日

公開日: 2022 年 9 月 21 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-022-03908-6

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