ROIs 間之網路結構變異探討

在此小節中，我們針對 ROIs 間五個網路結構量的改變來探討。計算各 ROIs 的網路結構量，且利用 T 檢定檢驗兩族群改變的可信賴度，並透過 FDR 調整顯 著水準，將整體偽陽率降至 0.05 以下。FDR 顯著水準調整的 p-value 閥值與 FDR 值之對應關係請見圖 3.2.1，FDR 調整後之顯著水準整理在表 3.2.4，其中在 10ROIs 模型中，因為沒有任何一個 ROI 之 betweenness 改變經 FDR 調整後顯示是統計 顯著的，所以其對應的 P-value 顯著水準門檻值為 0。具統計顯著改變網路結構 量的 ROIs 數量可見於圖 3.2.2，黑線 p=0.05*i/N 為 FDR 基準線，顯著水準需選 擇在對應之 FDR 位於基準線以下，則 P-value 小於顯著水準之 ROIs 為網路結構 量顯著改變的 ROIs。從圖 3.2.2 中可看出，不論哪一個 ROIs 模型均顯示 degree 改變的 ROIs 數量最多，而 betweenness 改變的 ROIs 最少。

表 3.2.4 各 ROIs 模型之網路結構量在 FDR 調整後之 P-value 顯著水準門檻值。

10ROIs 22ROIs 160ROIs

Degree(K) 0.0350 0.0264 0.0288

Clustering coefficient(CC) 0.0065 0.0082 0.0395

Betweenness(B) 0 0.0036 0.0030

Average shortest path length(D) 0.0284 0.0174 0.0279 Local efficiency(E) 0.0038 0.0047 0.0312

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圖 3.2.1 運用 FDR 調整網路結構度量顯著水準，以將偽陽率控制在 0.05 以內。(A), (B), (C)分別為 10ROIs、22ROIs 與 160ROIs 模型其 p-value 閥值與 FDR 值之對應 關係。黑線為 FDR 值為 0.05，將顯著水準門檻選擇在對應之 FDR 值最靠近卻又 不超過 0.05 之值。

(A)

(B)

(C)

圖 3.2.2i 表示選定某 P-value 閥值 p，大腦功能網路中網路結構量顯著改變之 ROIs 個數，其中 n 為 ROIs 個數，因此欲使得 FDR_i=n*Pi/i<0.05，其 ， 所以黑線為 0.05*i/n 之表示對應 FDR=0.05 之上限，選擇 FDR 在黑線以下之 P-value 閥值，代表整體偽陽率不超過百分之五。(A)為 10ROIs，(B)為 22ROIs，

(C)為 160ROIs。

(A)

(B)

(C)

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圖 3.2.3 至圖 3.2.5 的(A)圖表示 ROIs 模型中網路結構量顯著改變的 ROIs 及 其網路結構量改變大小，所有改變量的值皆經過正規化處理（除以所有改變量絕 對值的最大值，將之控制在 之間）。圖 3.2.3 至圖 3.2.5 的(B)圖為對應之 P-value 值，白色表示其 P-value 高於 FDR 調整後之顯著水準，所以此 ROI 之網路結構 量視為無變化，因此在圖 3.2.3 至圖 3.2.5 (A)中以白色表示其網路結構量無改變。

圖 3.2.3 10ROIs 的網路結構量的改變以及其檢定之 P-value。(A)網路結構量的改 變，藍色為增加，紅色為減少，若檢定結果為統計不顯著，顯示為白色，定義此 ROIs 節點沒有改變。(B) T 檢定結果之 P-value，color bar 以 FDR 後 P-value 閥值 的最大值為參考。若 K 之 P-value 大於 0.0350 則為統計不顯著，CC 之 P-value 大於 0.0065 則為統計不顯著，B 之 P-value 大於 0 則為統計不顯著，D 之 P-value 大於 0.0284 則為統計不顯著，E 之 P-value 大於 0.0038 則為統計不顯著，統計不 顯著者，皆顯示為白色。

在 10ROIs 模型中，由於所有 ROIs 的 betweenness 是沒有統計顯著性的改變，

大部分的 ROIs 是 degree 和 average shortest path length 的改變，但 clustering (A)

(B)

coefficient、betweenness 和 local efficiency 無顯著性的改變，所有的網路結構量 在局部區域(L=1)與遠距離端(L>1)皆有統計顯著的改變。於是觀察圖 3.2.3 (A)之 後，我們將重點放在 ROI 6 跟 ROI 7。ROI 6 的 degree 是沒有改變的，但其 average shortest path length 卻是增加的，代表 ROI 6 局部的連線並沒有改變，而是 ROI 6 較遠距離端(L>1)的功能連接減少，造成平均最短路徑長度增加，此 ROIs 位於 left angular gyrus，是大腦頂葉靠近顳葉的上緣，並參與了數字處理和空間認知、記 憶的提取，注意力和理論思維等功能處理，所以 ROI 6 出現錯誤的連結或是受創，

代表精神分裂症患者在語言與語義認知以及空間認知上會較容易出現障礙，記憶 力與注意力也會較弱；而 ROI 7 的 degree 與 clustering coefficient 減少，表示本身 的功能連接減少且其鄰居間的連線也是減少的，但其 average shortest path length 卻也是增加的，代表他外部連接的連線是減少的，造成其平均最短路徑長度增加，

也就是說其網路群聚度減少，且大腦區域間的溝通是較慢或是較無效率的，此區 域位在 right superior temporal（顳葉），屬於顳葉的右上部位，顳葉上回為聽覺 的中樞，若此區域與大腦其他區域的溝通較慢或無效，代表其聽覺功能是異常的，

也較易出現幻聽等症狀。

在 22ROIs 的網路結構量改變中，在觀察圖 3.2.4 (A)之後，我們較為感興趣 的是 ROI 1、ROI 4、ROI 8、ROI 18、ROI 21 跟 ROI 22。在五個網路結構量的改 變中，ROI 1 與 ROI 4 是分別只有一個網路結構量增加的，ROI 1 為只有 average shortest path length 增加，表示其本身的 degree 沒有改變，也就是非本身局域的 功 能 連 接改 變 造成 的影 響 ， 而是 遠 距區 域 (L>1) 外 部 的 改 變，而 clustering coefficient 沒有改變也是表示其鄰居間的連線沒有變異，其網路群聚度亦無變化，

但與其他 ROIs 的溝通效率卻降低了，此 ROI 1 為 left front parietal，是額葉的一 部份，額葉是負責推理、計畫、情緒控制和個性，此區域之溝通效率變差，較容 易出現情緒控制或個性的偏差等精神方面的症狀；ROI 4 為僅有 betweenness 增 加，亦代表其本身的 degree 沒有改變，也就是非本身局部功能連接改變造成的 影響，而是遠距區域外部的改變，此改變造成 ROI 4 的重要性被動性的增加，扮 演了大腦區域間溝通的重要角色，此 ROI 位在 right dorsolateral prefront cortex，

此區域負責大部分的認知能力，包括記憶力及注意力等，有研究發現，精神分裂 症 患 者 大 部 分 歸 因 於 此 部 分 的 活 動 較 少 或 是 退 化 [45,46] ； ROI 8 為 除 了 betweenness 之外其他皆有變化，除 average shortest path length 是增加外其他都是 減少的，表示不僅本身 degree 減少，其鄰居間的的功能連接也減少，網路群聚 度降低了，連接緊密度與通訊效率皆顯著的較低，此 ROI 為 right middle temporal gyrus，在前面 10ROIs 模型的討論中提過，顳葉主要處理語言及聽覺的中樞，此 區域與大腦其他區域的溝通較慢或無效，代表其較易出現幻聽等症狀；ROI 18 為所有的網路結構量都有變化，betweenness 與 average shortest path length 增加，

degree、clustering coefficient 和 local efficiency 減少，表示其本身與鄰居間的的連 線都減少，局部或與整個腦部區域的溝通效率或連接緊密度皆較弱，right caudate 為大腦基底核內的一個核，是學習與記憶系統的重要部位，此部位與其所有網路

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效能都減弱，表示精神分裂症患者本身較易出現學習與記憶的紊亂或障礙；ROI 21 與 ROI 22 為小腦的部分，小腦為負責人體平衡及肌肉活動的重要部位[47]，

此區域的 betweenness 雖未改變，但其本身的 degree 減少了，鄰居間的功能連接 亦是，local efficiency 減少表示其網路的連接緊密度跟溝通效率降低，這些所有 網路效能都變弱，表示此區域的穩健性、連接緊密度與通訊效率較弱，便代表精 神分裂症患者的身體協調性有可能會出問題。

圖 3.2.4 22ROIs 的網路結構量的改變以及其檢定之 P-value。(A)網路結構量的改 變，藍色為增加，紅色為減少，若檢定結果為統計不顯著，顯示為白色，定義此 ROIs 節點沒有改變。(B) T 檢定結果之 P-value，color bar 以 FDR 後 P-value 閥值 的最大值為參考。若 K 之 P-value 大於 0.0264 則為統計不顯著，CC 之 P-value 大於 0.0082 則為統計不顯著，B 之 P-value 大於 0.0036 則為統計不顯著，D 之 P-value 大於 0.0174 則為統計不顯著，E 之 P-value 大於 0.0047 則為統計不顯著，

統計不顯著者，皆顯示為白色。

(A)

(B)

圖 3.2.5 160ROIs 的網路結構量的改變以及其檢定之 P-value。(A)網路結構量的改 變。藍色為增加，紅色為減少，若檢定結果為統計不顯著，顯示為白色，定義此 ROIs 節點沒有改變。(B) T 檢定結果之 P-value，color bar 以 FDR 後 P-value 閥值 的最大值為參考。若 K 之 P-value 大於 0.0288 則為統計不顯著，CC 之 P-value 大於 0.0395 則為統計不顯著，B 之 P-value 大於 0.0030 則為統計不顯著，D 之 P-value 大於 0.0279 則為統計不顯著，E 之 P-value 大於 0.0312 則為統計不顯著，

統計不顯著者，皆顯示為白色。

我們觀察圖 3.2.5 (A)之後，將圖 3.2.5 (A)依網路結構量的改變方式從新排列 後為圖 3.2.6，我們發現 160ROIs 模型中 ROIs 網路結構量的變化有 12 種，將之 歸類表列於表 3.2.5，而在圖 3.2.7 的六種結構改變示意圖，是我們依 ROI 局部網 路結構改變(L=1)及遠距離端網路結構(L>1)改變分出六種形式的變化：

1. 為局部區域(L=1)的改變，如圖 3.2.7 (A)，只有 ROIs 本身對外的功能連 接有變化，而遠距離端(L>1)無顯著的改變，但在本論文探討的大腦 ROI 模型中，並無任何 ROI 網路結構量的變化為此類形式。

(A)

(B)

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2. 為局部區域(L=1)的改變，如圖 3.2.7 (B)，只有與 ROIs 有功能連接的鄰 居間有功能連接的變化，而遠距離端(L>1)無統計顯著的最短路徑之改 變，在表 3.2.5 中的第 9、11 種類型為此形式的變化。

3. 此形式為前兩種的結合，如圖 3.2.7 (C)，一樣為局部區域(L=1)的改變，

但為本身及鄰居間的功能連接皆有變化，遠距離端(L>1)無統計顯著的 最短路徑之改變，在表 3.2.5 中的第 8、10 種類型為此形式的變化。

4. 為遠距離端(L>1) 具有最短路徑顯著的改變，如圖 3.2.7 (D)， ROI 與 其鄰居 ROIs 間的功能連接與遠距離端(L>1)都有顯著的改變，在表 3.2.5 中的第 5、7 種類型為此形式的變化。

5. 為遠距離端(L>1) 具有最短路徑顯著的改變，如圖 3.2.7 (E)，與 ROI 有 功能連接的鄰居間與遠距離端(L>1)都有顯著的改變，在表 3.2.5 中的第 2、4 種類型為此形式的變化。

6. 為遠距離端(L>1) 具有最短路徑顯著的改變，如圖 3.2.7 (F)，ROI 本身、

與 ROI 有功能連接的鄰居間與遠距離端(L>1)通通都有顯著的改變，在 表 3.2.5 中的第 1、3、6 種類型為此形式的變化。

其中，表 3.2.5 中的第 12 類為所有網路結構量都不改變，所以我們並不討論。

圖 3.2.6 依照網路結構量的改變將圖 3.2.5 (A)歸類並從新排列，x 軸為網路結構改 變類型編號，y 軸為網路結構量。

表 3.2.5 依照網路結構量的改變歸類。 為沒有改變， 為增加， 則為減少。

類型 K CC B D E

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

最後，將 ROIs 的變化依六類形式的改變化成大腦區域的位置圖，如圖 3.2.8，

因第一種類的形式沒有在本論文 160ROIs 模型資料中發生，所以沒有在位置圖 中，且將所有圖表的對應關係整理至表 3.2.6，就能很清楚的看出各種類的改變 在大腦中的位置，在前腦的溝通效率變差，而頭頂後和小腦區域變得較為重要，

因為其遠端距離的長度沒變，但通過這些區域的最短路徑數量增加了。小腦中具 有協助協調運動的功能，也就是我們常說的平衡，在圖 3.2.8 中的紅色區域的 betweenness 增加，有可能代表小腦其他部位的 degree 減少了，在 22ROIs 模型的 討論中提過，小腦負責的是平衡與肌肉活動，若此區域的穩健性、連接緊密度與 通訊效率較弱，便代表精神分裂症患者的身體協調性有可能會出問題。頭頂後是 在大腦中新陳代謝較活躍的區域，它控制了情感與記憶，研究顯示，當在回憶有 關朋友或家人的相關事情時，此區域的活躍性是較高的，代表此區域也涉及情感 的控制，而且此區域也對阿茨海默症有高度相關的影響[48]；而 occipital(枕葉）

位於腦的後方，主要為負責處理視覺訊息，若此區域受到損害，則會出現幻視的 症狀，較容易會有幻覺出現[49]，這些區域變得較敏感，遭受到些微干擾便容易 出問題。我們發現，這些 betweenness 增加而 degree、average shortest path length 都沒有改變的 ROIs，大多與語言、記憶、感覺、情緒處理與行為控制相關，代 表 ROIs 間的溝通緊密性或訊息傳遞效率較低或有障礙，這些網路量的改變下，

就會容易出現行為失去控制、幻聽幻覺、語言障礙等的精神疾病症狀。這些相關 的 ROIs 重要性被非自主性的提高，整個大腦功能連接可運用的區域跟連線變少 了，精神分裂症患者的大腦只要受到些微干擾，便容易失去其穩定性而有其病狀 出現。

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圖 3.2.7 依網路結構量改變不同而分類型的各類型示意圖。紅色為有改變的連線，

黑色為沒有改變的連線。(A)為只有本身的功能連接有改變，遠距離端無顯著改 變。(B)為只有鄰居間的功能連接有改變，遠距離端無顯著改變。(C)為本身及鄰 居間的功能連接皆有改變，遠距離端無顯著改變。(D)為只有本身的功能連接有 改變，且遠距離端有顯著改變。(E)為只有鄰居間的功能連接有改變，而遠距離 端亦有顯著改變。(F)為本身、鄰居間及遠距離端皆有顯著改變。

(A) (D)

(B) (E)

(C) (F)

表 3.2.6 六種分類與各圖表之對應關係表。

表 3.2.5 圖 3.2.7 圖 3.2.8

第一類 A

第二類 9、11 B 綠

第三類 8、10 C 藍

第四類 5、7 D 黃

第五類(最短路徑長度改變) 2 E 紅

(最短路徑數量改變) 4 E 亮綠

第六類 1、3、6 F 粉藍

圖 3.2.8 將 ROIs 的變化依六類形式的改變化成大腦區域的位置圖。

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