単回クロスフリ​​ーケンスデュアルフォーカスtACSによる若年健常者と脳卒中患者の視覚運動ネットワーク活動の調節に関する研究報告

学術背景と研究の意義

神経科学研究において、神経振動は脳領域内および脳領域間の通信を調整する上で重要な役割を果たしています。長距離の位相同期は領域間通信の基盤を提供し、認知要求に適応するための情報処理フローの調整にも重要な役割を果たします。例えば、α周波数帯（8-13 Hz）は視覚および触覚統合タスクのパフォーマンス向上と関連しており、高α周波数の同期は反応時間を短縮する可能性があることが示されています（Lobier、Palva & Palva、2018）。この現象は視覚システムにおいて特に顕著であり、α（8-13 Hz）およびɣ（>40 Hz）振動の動的結合、すなわち位相振幅結合（PAC）が効果的な神経処理を促進する上で重要な役割を果たします（Canolty et al.、2006; van Kerkoerle et al.、2014）。これに基づき、クロスフリーケンス（アルファ-ガンマ）のデュアルフォーカス経頭蓋交流電流刺激（tACS）は低周波と高周波の信号を同期させることで視覚運動経路上の情報フローを干渉することができると考えられます。

しかし、クロスフリーケンスtACSが脳領域間の通信フローを変えることが実証されているにも関わらず、その行動パフォーマンスへの具体的な影響、例えば視覚運動識別タスクでのパフォーマンスについての研究はまだ十分ではありません。本研究の目的は、単回クロスフリーケンスデュアルフォーカスtACSが若年健常者および脳卒中患者における視覚運動ネットワーク内のV1およびMT領域間の位相振幅結合（PAC）および方向識別タスクのパフォーマンスを調整するかどうかを検証することです。

研究の出典と著者情報

本研究はMichele Bevilacqua、Sarah Feroldi、Fabienne Windel、Pauline Menoud、Roberto F. Salamanca-Giron、Sarah B. Zandvliet、Lisa Fleury、Friedhelm C. Hummel、およびEstelle Raffinらの協力により行われ、以下の機関に所属しています：École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Neuro-X Institute、Clinique Romande de Réadaptation (EPFL Valais)およびUniversity of Milano-Bicocca School of Medicine and Surgery。この論文は2024年の《Brain Stimulation》誌に掲載されました。

研究の流れ

被験者と方法

研究には45名の若年健常者（年齢範囲18-40歳、平均24.6歳、55％が女性）が参加し、視覚障害を経験した16名の脳卒中患者（年齢範囲34-74歳、平均59.93歳、18.75％が女性）も含まれています。健常者はランダムに3つのグループに分けられ、順方向tACS (V1α-MTγ)、逆方向tACS (MTα-V1γ)、または擬似刺激（sham tACS）を受けました。脳卒中患者グループはクロスオーバーデザインで2つのグループに分けられ、異なる時間に順方向および逆方向tACSを受けました。

実験中、被験者は方向識別および統合タスク（CDDI）を実行し、ランダムドット刺激を観察して点の方向を報告しました。患者がテスト中に視覚刺激を盲点と健視野の境界に設定するために、事前に心理物理的マッピングを行いました。

デュアルフォーカスtACSの介入

tACSには2つのカスタムセンタリング電極が使用され、2つのNeuroConn DC Plus刺激装置に接続されました。これらの刺激装置は同期して作動し、α波がɣ波をトリガーするように設定されました。各tACSは約15分（健常者）から25分（脳卒中患者）持続し、電流強度は3 mA、周波数は事前に定義された個別化α周波数（8-12 Hz）およびɣ周波数（30-45 Hz）です。

EEGの記録と分析

64チャネルシステムを使用して安静時EEGおよびタスク中のEEG活動を記録しました。EEGデータの前処理にはカスタムMatlabスクリプトおよびMNE-Pythonツールを使用し、フィルタリング、リサンプリング、独立成分分析（ICA）による生理的アーティファクトの除去などを行いました。

研究結果

健常者のPAC変化

順方向tACSは刺激後100-150 msの早期にV1α-相位-MTɣ-振幅PACの増加を成功に調節しましたが、逆方向tACSおよび擬似治療では顕著な変化は引き起こしませんでした。グレンジャー因果分析（Granger Causality）では、順方向tACSグループでV1からMT方向への入力がα/β周波数帯で顕著に増加していることが示されました。

脳卒中患者のPAC変化

健常者の結果と類似して、順方向tACSは早期にV1α-相位-MTɣ-振幅PACを顕著に増加させましたが、後期（250 msおよび350 ms）には減少しました。逆方向tACSは早期（100 ms後）にPACを減弱させました。

方向識別タスクのパフォーマンス変化

健常者はタスクの繰り返しによりパフォーマンスが顕著に改善しましたが（tACS条件とは無関係に）、脳卒中患者グループでは時間点間およびtACS条件間で顕著な差異は示されませんでした。これにより、患者にとって行動改善を観察するにはさらなる訓練が必要であることが示されました。本研究でのtACSによる誘発された電気生理学的変化は顕著な行動変化にはつながりませんでした。

結論と意義

本研究は、単回クロスフリーケンスデュアルフォーカスtACSが早期に健常者および脳卒中患者の脳領域間同期を調節できることを示しましたが、これらの変化は行動レベルで顕著な差異に転換されませんでした。効率を向上させるためには、長期にわたる訓練やtACSのタイミングと用量の精密な調整が必要であり、脳内の内因性振動活動に適応することで行動パフォーマンスをより効果的に改善できる可能性があります。これにより、将来のtACS応用の最適化や脳領域間振動の動態研究に新たな洞察と方向性を提供します。

臨床応用において、本研究は視覚トレーニングと同期フィードバック電気刺激を組み合わせたリハビリテーショントレーニングの初期的な根拠を提供し、特に視覚障害の回復と向上において潜在的な応用価値を持っています。