マルチモーダルMRIが人間の意識を維持する脳幹接続を明らかにする

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脳科学の重大な突破：多モダリティMRIが人間の意識覚醒を維持する脳幹接続を解明

背景紹介

意識と覚醒に関連する脳幹接続

意識は、覚醒（wakefulness）と認知（awareness）の二つの基本構成要素を含む。過去20年間、科学者たちは大脳皮質ネットワークに関する顕著な進展を遂げ、意識中の覚醒の神経解剖学的基盤をさらに理解してきたが、人間の覚醒状態に関連する皮質下ネットワーク（subcortical networks）についての理解は依然として非常に限られている。この認識の欠如は部分的に、従来の神経画像技術の空間分解能が不足しており、脳幹内の個々の覚醒核（arousal nuclei）を区別できず、脳幹と間脳、基底前脳および大脳皮質の間の複雑な軸索接続経路を描写するのが難しいためである。

研究の出典

意識と覚醒に関連する脳幹接続

この研究はBrian L. Edlowらによって執筆され、著者はマサチューセッツ総合病院（Massachusetts General Hospital）とハーバード医学校（Harvard Medical School）に所属し、異なる機関からの多くの科学者と協力して行われた。論文は2024年5月1日の《Science Translational Medicine》に掲載された。

研究プロセス

この研究は、人間の脳覚醒を維持する皮質下覚醒ネットワークの接続状況を描写することを目的とし、死亡後拡散磁気共鳴画像法（ex vivo diffusion MRI）と生体7-Tesla静止状態機能磁気共鳴画像法（in vivo 7-Tesla resting-state fMRI）データを総合的に使用することで、人間の意識覚醒を維持する脳幹接続を解明する。

研究の主な手順：

  1. 候補ノードの識別：研究はまず、既往の電生理学、遺伝子発現、損傷実験および刺激実験を通じて、脳幹、丘脳、下丘脳および基底前脳のいくつかの核を含む18の候補覚醒ネットワークノードを特定した。
  2. 拡散MRIデータの収集：正常な死亡者から得られた3つの脳を対象に拡散MRIスキャンを行い、拡散強調画像、表観拡散係数画像、および異方性分数画像を取得した。
  3. 脳部切片および免疫組織化学染色：特定の染色方法を用いてこれらの覚醒ノードの位置を識別し、マークした。
  4. 拡散MRI追跡分析：確定的および確率的繊維追跡分析を通じて、これらの覚醒ノード間の構造的接続を明らかにした。
  5. 機能的接続分析：Human Connectome Projectの7-Tesla静止状態機能MRIデータを組み合わせて、これらの覚醒ノード間の機能的接続を分析した。
  6. 構造と機能の結合：構造的接続データと機能的接続データを照合し、覚醒と意識の統合の解剖学的基盤を探求した。

主な発見

  1. 覚醒ネットワークの構造：

    • 脳幹、丘脳、下丘脳および基底前脳に存在する可能性のある覚醒神経ネットワークノード（DAAN）を識別。
    • これらのノード間の投射、連絡および連合経路を確認。
    • 特に、中脳のドーパミン能腹側被蓋野（VTA）が重要な接続ハブとして認識され、皮質覚醒ネットワーク（DMN）および皮質下覚醒ネットワーク（DAAN）の両方と接続していることが判明。

  2. 接続の具体的な詳細：

    • 拡散MRIによって、すべての候補脳幹ノードが少なくとも1つの下丘脳、丘脳または基底前脳ノードと接続していることが確定。
    • 確率的繊維追跡分析の接続確率（CP）を用いて脳幹ノードと間脳および前脳ノードの複数の主要な接続経路（DTTL、DTTMなど）を確認。

  3. 機能的接続：

    • 7-Tesla静止状態fMRIデータの分析に基づき、DMNとDAANノード間の広範かつ複雑な接続関係を明らかにした。
    • 特にドーパミン能VTAとDMNノードの機能的接続強度が極めて高く、これは覚醒状態の調節において重要な役割を果たしていると考えられる。

  4. 脳幹接続のタイプ：

    • 脳幹ノード間の豊富な連絡経路および連合経路を確認し、これらの連絡は単側脳幹内だけでなく、中線を越えて両側脳幹ノードを接続する経路も含んでいる。

  5. 臨床的意義：

    • 研究結果は、昏睡の病理機構および回復機構を理解するための助けとなり、人間の意識覚醒を維持するために必要な最小のノードと接続群を特定するのに役立つ可能性がある。

研究の意義

この研究は人間の脳幹覚醒ネットワークの詳細な接続地図を初めて体系的に描写し、死亡後拡散MRIと生体高磁場静止状態fMRIを組み合わせることで、意識状態における覚醒と意識の統合の神経解剖学的基盤を提供した。研究結果は将来の昏睡の病理機構と回復機構の解明に重要なデータ基盤を提供し、臨床におけるより具体的な治療戦略の開発にも貢献することが期待される。

方法と材料

研究は、3名の正常成年女性の死亡脳サンプル（53歳、60歳および61歳）を基に行い、4.7-Tおよび3-T MRI装置を用いて拡散画像を取得し、切片染色および電顕技術を組み合わせてノードの標定を行った。また、先端の画像解析ソフトウェアを用いてデータ処理と接続分析を行った。

こうした多モダリティ脳画像研究は、将来の認知神経科学研究に重要な解剖データを提供するだけでなく、臨床神経学の実践に新たな前衛的な視点を提供する。