運動皮質は運動イメージの間に神経動態を保持し再指向する

2024-05-22 Wed
学術ニュース報告背景紹介運動皮質（motor cortex）は長い間、運動制御研究の中心であり、主にその自発的運動遂行における役割が研究されてきました。しかし、人間が運動イメージ（motor imagery）を行う際、実際の運動出力がないにもかかわらず、運動皮質が活性化します。過去の行動学や画像学の研究により、この現象が確認されていますが、運動皮質の潜在的運動イメージ中の特定の活動パターンと実際の運動遂行におけるそれらのパターンや時間的動態がどのように関連しているかは依然として謎となっています。本論文では、著者は2名の脊髄損傷患者が等尺の手関節伸展運動を実行および想像する際の皮質内電気活動を記録し、この問題を探求しました。
論文出典この論文は2024年4月に《Nature Human Behaviour》誌に掲載され、タイトルは《Motor cortex retains and reorients neural dynamics during motor imagery》です。著者にはBrian M. Dekleva、Raeed H. Chowdhury、Aaron P. Batista、Steven M. Chase、Byron M. Yu、Michael L. Boninger、Jennifer L. Collingerが含まれ、それぞれUniversity of Pittsburgh、Carnegie Mellon Universityなどの機関に所属しています。
研究の詳細研究フロー運動皮質における実際の運動と運動イメージの活動の違いを探求するため、研究チームは等尺の手関節伸展タスクを設計しました。参加者は実験で固定フレーム内で実際と想像の手関節伸展を行う必要がありました。実験のフローは以下のステップからなります：
実験設置：参加者は手を力センサーを備えた固定装置に置き、ターゲット力を示す横棒を観察します。参加者は指示に従って試験中に相応の力を生み出す必要があります。
データ収集：実際の運動と運動イメージの試験をそれぞれ行い、各試験には36回の動作と36回の想像が含まれ、運動皮質の特定の領域の電気活動を収集します。
神経活動処理：初歩的な主成分分析（PCA）により、記録された神経活動データを次元削減し、顕著な神経活動サブスペースを抽出します。
主な結果研究結果は、運動皮質の集団活動が三つの直交サブスペースに分解できることを示しました：
共有サブスペース：実際の運動と運動イメージの両方で活性化。
動作限定サブスペース：実際の運動でのみ活性化。
想像限定サブスペース：運動イメージでのみ活性化。
これらのサブスペース内の神経動態特徴には顕著な類似性があり、特に動作限定と想像限定サブスペースの間で顕著です。運動イメージ過程では、運動皮質は実際の遂行に似た全体的な集団動態を維持しますが、出力に関連する成分を特別な出力無視（output-null）サブスペースに再定向します。これはつまり、運動イメージ時に運動皮質内の運動制御やフィードバックに用いられる動態特徴が、実際の出力を生じさせない独特な空間に再定向されることを意味しています。
主な結論研究結果は、運動皮質が運動イメージ期間中に実際の遂行期間と同じ神経動態構造を維持できることを示し、運動システムに有益なシミュレーション練習ツールを提供します。この全体的な神経動態構造を保持する特徴は、運動皮質が運動イメージ中の活動を実際の出力を生成しない直交次元に再定向したためである可能性があります。
研究のハイライト革新的手法：本研究では、集団神経活動を次元削減し、三つの直交サブスペースに分解することで、運動イメージと実際の運動中の独特な神経成分を分離することに成功しました。
データ支持：実験証拠により、運動イメージ中に運動皮質が運動遂行時の総体的な神経動態を維持することを示し、運動皮質が運動制御に与える新たな視点を提供します。
応用の前景：これらの発見は運動リハビリテーションや脳-機械インターフェース技術に重要な意味を持ち、運動イメージを通じて実際の運動トレーニングに類似した効果を実現できることを示し、運動機能の改善に新たな可能性を提供します。
その他の情報研究の詳細やデータについてさらに知りたい読者は、論文のオンラインバージョンや付加情報を参照することができます。また、著者が公開しているソースコードやデータリポジトリ（たとえばGitHub）から関連資料を入手することもできます。
結論と価値この論文は、運動皮質が運動イメージ期間中に、実際の運動遂行期間と同じ神経動態構造を保持し、運動イメージ中の活動が実際の出力を生じさせない空間に再定向されることを明らかにしました。これにより、運動皮質の機能に対する理解が深まり、リハビリテーションや脳-機械インターフェース技術の進展に新たな可能性を提供しました。研究結果は、運動イメージと実際の運動が一部の神経機構を共有していることを示し、運動イメージが実際の運動トレーニングの代替や補完として使用できることを意味し、実際の運動に障害がある人々にとって重要な応用価値を持つことを示しました。