典型発達児童の体性感覚皮質ネットワークの時空間動態

研究背景

触覚は、外界の物体との相互作用および手の動作の精密なコントロールにおいて極めて重要な役割を果たしています。人間の皮膚感覚情報処理メカニズムに関する多くの研究が存在する一方で、この過程に参与する脳領域間の動的な相互作用については未だ不明瞭です。これまでの研究は皮膚感覚情報フローの時間動態を探る際に一貫しない結果を報告していました。したがって、本研究は磁源イメージングと皮質－皮質結合動態分析を用いて、典型発達児童の皮膚感覚処理の時空間動態を探ることを目的としています。

論文出典

本論文はYanlong Song、Sadra Shahdadian他多数の著者によって共同執筆され、著者らはFort WorthのNeuroscience Research Center, Jane and John Justin Institute for Mind Health, Cook Children’s Health Care System、University of Texas at ArlingtonのDepartment of Bioengineering、さらにはUniversity of Texas Southwestern Medical CenterのDepartments of Physical Medicine and RehabilitationおよびRadiologyに所属しています。本論文は2024年6月4日に《Cerebral Cortex》に掲載されました。

研究フロー

参加者とグループ分け

研究には35名の典型発達児童（TD児童）が参加し、既知の神経系損傷や疾患はなく、認知機能は正常でした。参加者全員がデータ収集前にインフォームドコンセントに署名しました。脳磁図（MEG）記録を完了しなかった、またはデータにアーティファクトがあった5名の参加者は除外され、最終的に29名の児童のデータが分析に用いられました。

磁気共鳴イメージング(MRI)の取得

全参加者に対してT1重み付け構造的MRIスキャンが実施され、Siemens Skyra 3T MR Scannerおよび10チャンネルのヘッドコイルを使用しました。

MEGデータの取得

参加者は1層の磁気シールドルーム内に座り、Neuromag® Triux 306センサシステムを使用してMEG信号を記録しました。記録中、研究者は頭部位置インジケータ（HPI）コイルの位置、頭部マーカー、および追加の頭皮ポイントをデジタル化し、MEGセンサ位置と参加者の構造MRIのコア位置を整えました。各手指の中指それぞれに400回の圧縮空気刺激を与え、20Hzのサンプリングレートでデータを記録しました。

データ処理と分析

初期MEGデータはSignal-Space Separationの時空間拡張を使用してフィルタリングされ、環境ノイズを低減し頭部の動きも補正しました。その後、生データは前処理され、Independent Component Analysis（ICA）を通じて心拍および瞬きのアーティファクトを除去しました。各皮膚感覚誘発場（SEFs）の生データは、イベントロックされた700ミリ秒の試行に分割されました。動的統計パラメータマッピング（dSPM）法を使用して、参加者の構造脳MRIから個々の標準表面を作成し、MEG信号と標準表面を共軛しました。

皮質時空間活性化解析

再構築されたソースSEFsを個別およびグループレベルで分析しました。MATLAB関数envelopを使用して各皮質頂点のソースSEFsの上包絡および下包絡を決定し、findpeaksを使用して個々のソースSEFsのピークおよび谷を検出しました。グループレベルでは、対サンプル置換t検定および部分的結合分析を使用して統計分析を行いました。

Granger因果関係分析

いくつかの一般的に顕著に活性化した皮質領域をGranger因果関係分析の興味領域として選択しました。これらの領域に対してソース波形を推定し、Granger因果関係分析に用いました。

研究結果

皮質活性化およびソース位置

個体レベルでは、ソース局在データにより、触覚刺激後60ミリ秒内に主に対側の初級体性感覚区（BA3）が活性化していることが一致して示されました。この発見は先行研究結果と一致し、対側皮質活性化が典型発達児童での安定性を示しています。しかし、その後のSEFsピーク/谷の数、潜時および位置には顕著な個人差が見られました。

グループレベルでは、左/右中指刺激後の0から400ミリ秒の時間窓内で、対側初級（S1）および次級体性感覚領域（S2）で顕著かつ一貫した皮質活性化が見られました。また、対側初級運動皮質（M1）、頭頂-側頭-後頭接合部（PTO）および補足運動野（SMA）が触覚刺激後に顕著に活性化していました。しかし、両側初級体性感覚区（IS1）の活性化は弱く不一貫で、ごく少数の参加者でのみ顕著な結果が観察されました。

発達の変化

発達の変化に関しては、参加者の年齢と個々のソースSEFs第1ピークの活性化振幅に有意な正の相関が見られ、5歳から18歳の児童期に初級体性感覚区の発達が完全には成熟していないことを示唆しています。第2および第3のピーク潜時と年齢の間には有意な関連は見られませんでした。しかし、第3のピークにおける最大活性化振幅は右手刺激においてのみ年齢と有意な正の相関を示し、体性感覚情報処理のさらなる成熟に関連していると考えられます。

GC分析は初期の直列体性感覚処理モデルを検証

GC分析の結果、気動刺激開始後0から60ミリ秒の間に主要な情報フローが対側初級体性感覚区（CS1）から順次対側頭頂葉辺縁区（CSG）、対側初級運動区（CM1）および対側次級体性感覚区（CS2）へ伝達されることが示されました。これらの結果は初期の直列体性感覚加工モデルを支持します。このモデルは丘脳からの体性感覚入力が最初にCS1に届いた後、CS2に転送されることを提唱しています。異なるGC方法の計算結果を比較すると、これらの結果は人間および非人霊長類を対象とした脳内記録研究と一致しています（例：Allison等、1991）。

研究結論

本研究はMEGを用いて典型発達児童における一側の気動刺激による時空間皮質活性化を明らかにしました。対側の主要な体性感覚区S1、次級体性感覚区S2、初級運動皮質M1、頭頂葉辺縁区SGにおいて顕著かつ一貫した活性化が観察されました。Ipsilateral皮質の活性化は比較的弱く不一貫でした。GC分析は初期の直列情報フローを明らかにし、一貫した活性化が対側皮質領域間で動的な並列情報フローが生じることを示しました。これらの発見は、将来の体性感覚障害を抱える児童患者を対象とした脳刺激研究および応用の参考となるものです。

本研究は典型発達児童における体性感覚情報処理メカニズムの理解に貴重な洞察を提供しただけでなく、早期の体性感覚加工過程における対側皮質の重要な役割を説明する新しい証拠を提供しました。今後の研究では、このメカニズムが臨床応用においてどのように活かされるかをさらに探ることができます。