人体感觉运动静息状态β事件及非周期活动表现出良好的测试重测可靠性

背景介绍

神経系統の疾患は、特に感覚及び運動機能に影響を与えるパーキンソン病などの疾患は、人々の日常生活に大きな影響を及ぼす。早期には顕著な脳の構造変化が見られないため、早期診断は非常に難しい。また、病気の進行や回復の軌道も予測が難しいため、これらの疾患の診断と治療を改善するための安定で信頼性の高い臨床機能バイオマーカーが急務である。

脳磁図（Magnetoencephalography, MEG）と脳電図（Electroencephalography, EEG）は非侵襲的な電気生理記録方法であり、脳皮質の神経活動を捉えることができる。これらの方法は、特に感覚運動系の機能と構造の変化を探る上で大きな可能性を示している。近年の研究では、感覚運動皮質のβリズム（14-30 Hz）が様々なタスクや疾患状態と密接に関連していることが示されている。例えば、高振幅のβイベントを介して、このリズムは行動パフォーマンスを予測でき、感覚運動系の疾患において一般的に見られる変化である。

出典紹介

この研究は、Amande M. Pauls、Pietari Nurmi、Heidi Ala-Salomäki、Hanna Renvall、Jan Kujala、Mia Liljeströmら6人の研究者によって行われた。著者は主にヘルシンキ大学病院、ヘルシンキ大学医学映像センター、フィンランドオウル大学などの機関から来ている。この論文は《clinical neurophysiology》誌に掲載され、「Human sensorimotor resting state beta events and aperiodic activity show good test–retest reliability」という題目で、2024年3月20日に発行された。

研究詳細プロセス

研究対象とデータ収集

本研究では、健康な成人50人（年齢範囲21-70歳）を対象に研究を行った。全ての被験者は事前に神経系の疾患や学習、言語障害を排除された。研究はヘルシンキ倫理指針に従い、オウル大学倫理委員会の承認を得た。被験者は2回のMEG記録中に静息状態で測定され、各測定は5分間続き、1〜2週間の間隔があった。

データ収集と処理

測定は磁気シールドルーム内で行われ、306チャンネルのベクトルビュー神経磁力計（Megin Oy、フィンランドヘルシンキ）を使用した。データは1 kHzのサンプリングレートで記録され、0.03-330 Hzのバンドパスフィルターを使用した。頭の位置の監視と行動制御評価を通じて、被験者の覚醒状態を保証した。

MEG信号処理とパラメータ抽出

MEGデータは時域信号空間分離（tSSS）方法で前処理され、外部ノイズを除去し、MaxFilterソフトウェアで個別の頭部移動補償を行った。データ処理はMNE-Pythonバージョン1.3ソフトウェアを使用して完了した。データは2-48 Hzのバンドパスフィルターとパワースペクトル密度（PSD）の計算を行い、周期および非周期成分をそれぞれ抽出した。

信号の安定性

ICC（クラス内相関係数）を使用して、異なるパラメータのテスト再テスト信頼性を評価した。信号には周期的なβイベントと非周期的な1/f活動成分の両方が含まれている。モーレット小波変換を用いて信号を解析し、ピークチャネルとβ周波数の選択（自動、手動及び両者の組み合わせ）によって関連性の高い結果を得た。

パラメータ抽出とイベント検出

2回の測定間隔に基づき、信号の1/f成分とβイベントは良好なテスト再テスト安定性を示した。周期成分（ICC 0.77-0.88）とβイベントの振幅（ICC 0.74-0.82）は非常に安定していたが、βイベントの持続時間の変動性は大きかった（ICC 0.55-0.7）。2-3分間の記録で安定した結果が得られ、信号解析の自動化成功率は86％であった。

主要結果

研究は、感覚運動皮質のβイベントと非周期成分が顕著なテスト再テスト安定性を示したことを発見し、特に左半球の信号がより明確であると分かった。異なるパラメータが安定性に与える影響は小さいが、特定のフィルタ帯域幅と振幅閾値が結果に一定の影響を与える（例えば、70-80％の百分位閾値が最も良好な結果を示した）。2分間の記録で安定したテスト結果が得られることが分かった。

まとめと意義

本研究は、静息状態でのMEGによって個人の安定した感覚運動βイベントと非周期活動特性を捉えることができ、これらの特性が神経性疾患の潜在的な臨床バイオマーカーとなり得ることを示した。この安定した「静息感覚運動表現型」は、臨床において早期診断や治療効果のモニタリングに利用できる可能性が高い。

研究ハイライト

1. 安定性の検証: ICCを使用して、静息状態の感覚運動システムのβイベントと1/f成分の高い安定性を実証した。
2. 短時間記録の有効性: わずか2-3分の記録時間で安定した結果が得られるため、臨床応用に便利である。
3. 自動化解析: 提案された自動化解析方法は大部分のケースで成功し、人工の介入を減らし解析の効率を向上させる。

今後の方向性

今後の研究では、これらのパラメータが臨床集団でどのように現れるかをさらに検証し、異なる患者群における測定の一致性を探る必要がある。また、心臓や運動アーティファクトとの関係や、これらの特性バイオマーカーの生物学的意義を詳しく理解することが重要である。

結論

本研究は、健康な被験者50名に対するMEG記録を通じて、静息状態の感覚運動システムにおけるβイベントと非周期活動のテスト再テスト信頼性を証明した。この研究結果は、静息感覚運動β表現型が神経系疾患の潜在的なバイオマーカーである可能性を支持し、臨床における早期診断や治療のモニタリングに新しいツールを提供する。