運動皮質が線条体の運動力学および熟練および未熟練行動の実行に果たす役割

2024-11-11 Mon
運動皮質の基底神経節と運動ダイナミック制御における重要な役割の探究
研究背景と動機運動皮質（Motor Cortex, M1）は、運動生成と調整における役割が神経科学の重要な課題となっています。M1と線条体（Striatum）の相互作用は、目的性動作の選択と実行において重要な役割を果たしています。しかし、これらの機能がどのように協調されるのかはまだ明らかではありません。運動皮質が運動指令の生成の唯一の源であるのか、あるいは運動調整においてのみ機能するのかについては、未だに議論があります。近年、一部の研究は基底神経節が動作の選択と実行の核心領域である可能性を提起していますが、M1の機能についての理解の分岐をさらに深める発見もあります。運動皮質が運動生成において確定的な役割を果たしているのかを明らかにするために、NicholasとYttriのチーム（2024）は、マウスのM1に両側損傷を与え、その線条体活動と運動パフォーマンスを記録しました。これにより、運動皮質が異なるタイプの運動の生成と調整に不可欠であるかどうかを示しています。
研究の出所と発表状況本論文は、Carnegie Mellon University生物科学系のMark A. NicholasとEric A. Yttriらによって完成され、2024年10月23日のNeuron誌（巻112、ページ3486–3501）に発表されました。本論文はElsevier社の著作権を有し、テキストデータマイニング、AI訓練など関連する権利を含んでいます。
研究設計と方法本研究は、両側M1損傷モデルのマウスを用いて、その運動パフォーマンスと線条体活動の変化を観察しました。研究対象は、2種の運動タスク（自主的ステップタスクとキュータスク）の訓練を完了した実験マウスです。M1損傷は吸引法（Aspiration Lesion）を使用し、この方法はM1のすべてのレベルから線条体への入力を切断するだけでなく、神経変性疾患の効果に近いモデル化を可能にします。行動と神経活動を毎日モニターし、損傷によって直接引き起こされた即時効果を正確に記録し、損傷後の行動と神経回復の軌跡を多次元に分析しました。
実験手順マウスの運動タスク訓練：まず、実験マウスは自主ステップと光キューの運動タスクを完了するために訓練を受けます。このタスクでは、マウスは特定の方向にレバーを伸ばす動作を行い、報酬を獲得します。タスク遂行と同時に、研究者は線条体の神経活動を記録しました。
損傷モデルの確立：両側のM1領域に吸引損傷を行い、M1から線条体へのすべての投射を切断しました。損傷後直ちにマウスの神経行動のモニタリングを行い、損傷が行動と線条体活動に及ぼす直接的な影響を観察しました。
行動と神経活動データの収集：研究チームは、マウスの運動パフォーマンスと線条体神経活動を連続して毎日記録し、特に損傷前後の異なる時期の差異に注目しました。実験チームは豊富なデータ分析手法を使用し、線条体単位活動分析と行動軌跡の時間ダイナミックデコードを行いました。
研究結果運動パフォーマンスの顕著な低下：M1損傷後の最初の日々において、マウスは深刻な運動障害を示し、伸手タスクの遂行能力が急激に低下しました。損傷後最初の週では、マウスの有効な伸手の回数は顕著に減少し、1分あたりの伸手回数は9.0回から0.23に急落しました。損傷から約10日後、行動パフォーマンスは徐々に回復しましたが、損傷前のレベルには達せず、運動軌道は引き続き著しい変形と不規則性を示しました。
線条体神経活動の喪失：損傷により線条体運動関連ニューロン（SPNsとFSIs）の活動が消失しました。損傷前は、82％のSPNsが顕著な運動関連活動をしていましたが、損傷後、この割合は顕著に低下し、損傷2日目には10％未満のSPNsが運動関連活動を維持できました。さらに、SPNsの運動振幅に対する調節特性も損傷によって消去され、たとえ行動が後期に徐々に回復しても、神経活動は損傷前の運動動力学特性を持ちませんでした。
自発行動中の歩行凍結現象：未訓練のT型迷路実験中、マウスは基本的な歩行動作はできましたが、十字路で方向を変える必要がある場合に「歩行凍結」現象が見られました。マウスは交差点で長時間停滞し（68.89秒に達することもあります）、継続的に中歩をしながら、この現象は臨床的な「歩行凍結」（FOG）症状に似ています。
線条体の動的デコード能力の喪失：デコード実験によって、研究者は損傷前の線条体活動がマウスのハンドルの即時位置を確実に予測できることを発見しました（平均二乗誤差0.018）が、M1損傷後、このデコード能力は完全に失われました。これは、線条体単独では運動指令の生成機能を担うのが難しいことを示しています。
非標的皮質への損傷影響が顕著でない：対照群として、研究者は別のマウス群の頭頂葉皮質（PPC）に類似の損傷処理を行いました。結果は、PPC損傷が行動パフォーマンスや線条体神経活動に明らかに影響しないことを示し、M1が運動生成においてより中心的な役割を持つことを支持しました。
結論本研究は、M1が目的性運動の選択と生成において不可欠な役割を持つことを示し、M1損傷が引き起こす運動障害と線条体の動的喪失がこれをさらに裏付けるものです。行動は損傷から10日後に徐々に回復しましたが、この回復は脳の他の領域の代償メカニズムによるものであり、元の神経ダイナミクスには回復していませんでした。線条体の運動調整機能は、M1が提供する運動指令に依存しており、独立して運動を生成するのではありません。M1の関与がない場合、線条体の単一活動は、完全な目的性運動のパフォーマンスを維持するのに不十分です。さらに、M1の歩行調整の役割は、人間のFOG症状の神経基盤に類似しており、臨床治療に潜在的な神経刺激ターゲットを提供します。
研究の科学的意義と応用価値本研究は、精緻な実験設計と高密度なデータ収集により、運動皮質の運動生成と動的制御における中心的な役割を深く解明し、特にその線条体活動に対する支配的な影響を示しました。本研究の結果は、運動皮質と基底神経節の運動制御における層次関係を理解するための新しい視点を提供し、さらに歩行凍結などの運動障害の神経メカニズムに直接的な証拠を提供するものでもあります。これには重要な臨床的参考価値があり、運動障害の代償メカニズムを探るための将来的な研究方向を提供しました。