移動コホートにおける機器間での機能的・構造的脳結合性の信頼性

脳スキャンを合わせることが重要な理由

現代の脳研究は多くの場合、複数の病院や研究機関からのデータを統合して行われます。しかし、たとえ同じ人を撮影しても、異なるメーカーのMRI装置が脳の配線や機能の描写をわずかに異ならせるとしたらどうでしょうか。本研究は、特に異なるメーカーの代表的な高磁場MRI装置二種が、脳の通信ネットワークに関して我々が観測するものをどれだけ変えてしまうのか、そして統計的手法でその違いを補正できるのかを問いかけます。

二つの装置、ひとつの被検者群

研究者らは健康な若年成人10名を募集し、同一大学の環境にある2台のMRI装置――Siemens Prisma 3TとPhilips Achieva 3.0T――の間を実際に移動して撮像してもらいました。各参加者は両装置で1週間以内に撮像されました。各スキャンからチームは二種類の“地図”を作成しました。一つは機能的結合性の地図で、被験者が安静にしている間に脳領域間の活動がどれほど同期して増減するかを捉えます。もう一つは構造的結合性の地図で、水の拡散を辿る拡散画像法によって神経繊維の束がどのように領域を結んでいるかという物理的な配線を描出します。

脳の配線図の構築

生データをネットワークに変換するため、脳は246の領域に分割されました。次に、あらゆる領域対について、その活動がどれほど同期しているか（機能的結合性）や、どれだけ多くの神経繊維がそれらを結んでいるように見えるか（構造的結合性）を評価しました。各領域間の結びつきは“エッジ”と呼ばれ、すべてのエッジを合わせるとコネクトーム――脳の全配線図――が得られます。研究者らはその後、統計的な信頼性指標を算出し、個人レベルおよび集団平均レベルで各エッジが二つの装置間でどれほど類似して測定されるかを評価しました。

これらの脳ネットワークはどれほど安定しているか？

個人レベルの結果は冷や水を浴びせるものでした。瞬間ごとの脳のダイナミクスを反映する機能的結合性は、装置間の一致が低く、同一人物でもエッジの強さが使用した装置によって大きく変わることがありました。白質経路というより安定した解剖学に基づく構造的結合性はより良好な結果を示しましたが、それでも装置間での信頼性は「公平」レベルにとどまりました。いずれの場合も、特に深部や情動関連の領域など、一部の脳領域は特に信頼性が低く、これはこれらの領域が撮像しにくく、各装置の技術的特徴に敏感であるためと考えられます。

装置差を解消するための処理

機器やソフトウェアを完全に標準化することはほとんど不可能であるため、研究チームはneuroComBatと呼ばれる統計的ハーモナイゼーション手法も試しました。画像そのものを修正する代わりに、neuroComBatは導出された数値に対して補正を行い、被験者間の実際の生物学的差異を保ちながら装置固有のバイアスを取り除くことを目指します。この手法を適用した後、集団レベルで接続性の分散のうち装置に起因する割合は劇的に低下しました。全エッジにわたる接続パターンを比較すると、特に構造的結合性に関しては二つの装置が生成する集団平均のコネクトームは著しく類似するようになりました。

大規模脳研究における含意

個人にとっての話は異なりました。ハーモナイゼーション後でも、個人の測定値の信頼性は大きく変わらず、特に機能的結合性では改善が乏しかったです。機能的変動の多くは装置の差だけでなく、揺らぐ脳状態やランダムノイズに由来するように見えます。本研究は、脳の物理的な配線図は装置間で本質的により安定している一方で、瞬間ごとの活動を示す機能的地図はそうではないと結論づけます。集団差に着目する大規模研究においては、neuroComBatのようなハーモナイゼーション手法を用い、解析で装置種別を慎重に扱うことでデータを結合することは可能です。しかし、微妙な病状の進行を追跡することや個人の“脳の指紋”を構築するといった精密な個人レベルの用途では注意が必要です。装置を切り替えることで描出が有意に変わることがあり、現在の事後補正法は万能の解決策には至っていません。

引用: Butry, L., Thomä, J., Forsting, J. et al. Cross-vendor reliability of functional and structural brain connectivity in a travelling cohort. Sci Rep 16, 12071 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47705-1

キーワード: 脳の結合性, MRIのハーモナイゼーション, マルチセンター画像, 機能的結合性, 構造的コネクトーム