光ポンプ磁力計ベースの脳磁図を用いたベータ帯振動の神経発達軌跡の追跡

2024-06-12 Wed
研究背景神経振動は脳機能の基本要素で、神経集団内およびその間の電気生理学的活動を調整し、認知と行動の実現に重要です。子供の成長過程におけるこれらの神経過程の発展は、重要な神経科学の問題であり、神経病理や精神障害の潜在的なメカニズムを明らかにすることができます。しかし、神経振動の発展軌跡を測定するには装置の制約があります。
論文の出典この論文は、Lukas Rier、Natalie Rhodes、Daisie O Pakenhamらによって執筆され、著者はそれぞれNottingham大学、TorontoのSick Kids Hospitalなどの機関から来ています。論文は2024年6月4日に《eLife》誌に掲載され、タイトルは「Tracking the neurodevelopmental trajectory of beta band oscillations with optically pumped magnetometer-based magnetoencephalography」です。
研究目的本研究の目的は、革新的なイメージングプラットフォームである光ポンプ磁力計（Optically Pumped Magnetometer、OPM）に基づく脳磁図（Magnetoencephalography、MEG）システムが、脳の発展過程における神経振動の研究に適しているかどうかを検証することです。研究では、異なる頭部サイズに適応し、被験者が移動しているときにもデータ収集の高忠実度を保持できる独自の192チャネルOPM-MEG装置を紹介しています。
研究方法a) 研究流程本文には複数の実験ステップが含まれます：
実験設計と装置：実験は192チャネルOPM-MEGシステムに依存しており、子供と大人を比較します。装置には3Dプリントの適応ヘルメットが含まれ、ヘルメットの重量は856gから906gで、内部温度制御システムを備え、快適さを確保します。
参加者：実験には2歳から13歳の27人の子供と21歳から34歳の26人の大人が参加し、被位者は右手の人差し指と小指がそれぞれ0.5秒ずつ刺激され、3.5秒ごとに42回繰り返される受動体感刺激タスクを受けます。
データ収集と前処理：データはまずノイズとアーティファクトの検出と削除を行い、次にバンドパスフィルタ（1-150Hz）処理、パワースペクトル推定、ICAアルゴリズムのデノイズ処理を行います。これらのデータは後続解析に使用され、時間-周波数スペクトログラムの構築および機能接続性行列の計算を行います。
アルゴリズムと分析ツール：LCMVビームフォーマ空間フィルタ、ピアソン統計法、振幅エンベロープ相関（Amplititude Envelope Correlation、AEC）、および隠れマルコフモデル（HMM）などが含まれます。
b) 主要結果β波調整と年齢の関係：研究により、年齢が上がるにつれて、β波の人差し指刺激および小指刺激下での調整振幅が顕著に増加することがわかりました。幼児期のβ波調整は弱く、大人の調整は非常に明らかです。
全脳機能接続性：大人の機能接続性は子供よりも明らかに強く、年齢が上がるにつれて接続性の強度が顕著に増加し、特に前頭葉と頭頂葉領域での変化が顕著です。視覚皮質の変化は最小です。
バーストモデルによるβ波の動的解釈：研究は、タスク誘発β波の調整がスペクトルバーストの出現確率によって実際に駆動されていることを示しています。年齢が上がるにつれて、このバースト期間の現象がますます明らかになります。さらに、異なる年齢層でのスペクトル特性も異なります。
c) 結論と研究意義研究は、特に精度と操作性の向上において、子供の神経発展研究における新しいプラットフォームとしてのOPM-MEGの優位性を提案しており、従来のMEGとEEGの制約を解決します。本論文のデータは、既存の研究結果との一致を検証するだけでなく、新たな神経科学の見解を展示し、β波振動の発展軌跡と機能接続性変化のメカニズムを明らかにしています。
d) 研究のハイライト革新的なイメージング技術：神経発展を研究するためにOPM-MEGシステムを大規模に使用した最初の研究であり、データの忠実度と適応性の面での利点を示しています。
詳細な年齢層分析：少年期だけでなく、乳幼児から青年期、大人までを含む完全な神経発展軌跡を示しています。
バースト活動に基づくβ波調整モデル：神経振動現象を説明する新しい視点を提供し、タスク誘発バースト活動の年齢に伴う変化を提案しています。
論文付加情報システム設計の優位性：さまざまなヘルメットサイズが異なる年齢層の参加者に適応し、測定誤差を著しく減少させます。
データの信頼性：高品質なデータ収集と前処理プロセスにより、実験結果の信頼性と再現性が確保されています。
未来の応用：自閉症やてんかんなどの子供の神経発展疾患の理解と介入のための新しい潜在的な検出手段を提供します。
この研究方法と実験設計を通じて、OPM-MEGが神経発展研究において大きな可能性を持ち、将来の子供の神経科学研究への応用に対する堅牢な基盤を提供していることが示されました。