視覚オッドボールのような課題とP3m振幅の難易度を調整

神経内科学 基礎医学 精神医学 臨床心理学 生物物理学 医用画像学 生命科学 医学
視覚区別課題 P3m振幅 課題の難しさ 事象関連電位 EEG MEG

視覚Oddballタスク難度調節とP3m振幅

背景紹介

認知神経科学研究において、事象関連電位（Event-Related Potentials、ERP）および事象関連磁場（Event-Related Fields、ERF）は、脳の認知処理メカニズムを探る重要な手段の一つです。その中でも、P3成分（脳磁図ではP3mと呼ばれる）の研究は特に注目されています。P3は通常、刺激提示後300から600ミリ秒以内に現れ、大きな正の偏向を示します。その潜伏期と振幅は、タスクの難易度や刺激の確率など、異なるタスクパラメータに影響されます。また、P3の変化は注意欠陥多動性障害（ADHD）、アルツハイマー病、統合失調症、うつ病など、多くの神経および精神障害と密接に関連しています。したがって、P3はこれらの疾患を診断するための生理学的マーカーとして有望視されています。

既存の研究では、タスク難易度の増加は通常P3(m)振幅の減少をもたらすことが示されています。しかし、タスク難易度の変化によるP3調節が従来のP3生成源と同じ脳領域に由来するかどうかは明らかではありません。したがって、P3mの起源およびタスク難易度の変化によるP3m調節の起源を明確にすることは、非侵襲脳刺激（NIBS）などの介入手段の適用において重要な意味を持ちます。

研究背景と動機

上記の科学的問題を探求するため、本研究チームは新しいOddball視覚識別タスクを開発し、ほぼ同じ視覚刺激を使用しながらタスク難易度を変化させ、P3m成分の調節研究を行いました。研究の目的は、異なるタスク難易度で脳内でP3mを生成する領域およびタスク難易度の変化による調節を確認することです。

研究出典

この研究はCindy Boetzel、Heiko I. Stecher、Florian H. Kasten、Christoph S. Herrmannなどの学者によって実施され、著者はそれぞれ欧州医学院実験心理学研究室、Carl von Ossietzky Universityの神経画像ユニット、フランスのトゥールーズPaul Sabatier大学の脳と認知研究センターに所属しています。研究結果は2024年の《Scientific Reports》誌に発表され、記事番号14:1505、DOIはhttps://doi.org/10.1038/s41598-023-50857-zです。

研究デザインと方法

  1. 実験タスクデザイン 研究者はOddball視覚識別タスクをデザインし、このタスクには2つの難易度レベル（簡単と難しい）が含まれています。タスク難易度はGaborパッチの回転角度を調整することで実現され、刺激の他の物理属性は変わりません。回転角度が小さいほど、タスク難易度は高くなります。

  2. 実験参加者 計19名の参加者がMEG実験に参加し、最終的に15名の参加者（9名の女性）がデータ分析条件を満たしました。参加者はいずれも精神または神経障害がなく、右利きで、視力は正常または矯正後に正常です。

  3. MEGとデータ収集 MEG実験では、参加者はGaborストライプの回転方向を識別し、簡単または複雑な条件でタスクを完了します。神経磁気信号は306チャネル全頭MEGシステムで記録され、データは源分析が行われます。

  4. データ分析 FieldTripツールボックスと自作のMATLABスクリプトを使用してデータを処理し、CBPT法およびLCMVビームフォーマアルゴリズムを用いて、ERFの差異を統計分析し、難易度調節依存のP3m振幅とその脳由来を探ります。

研究結果

  1. 行動学結果 研究は、タスク難易度の増加（難しい条件）が顕著なD’（識別能力基準）の低下と反応時間（RT）の延長を引き起こすことを見出しました。これはタスク難易度の調節が成功したことを示しています。

  2. P3m振幅調節 MEGデータ分析結果は、難しい条件でターゲットと標準刺激のP3m振幅が顕著に減少し、これは主に刺激後約300-600ミリ秒の時間窓内に発生することを示しました。

  3. 源分析 P3m調節の源定位結果は、P3m振幅の減少が主に両側の中央-頭頂および側頭領域で発生することを示しました。これらの領域は先行研究で見つかったP3生成源と一致し、また一部の前中心および後中心回および下頭頂も含まれています。

討論

研究は、タスクの複雑さを調整することでP3mの振幅に顕著な影響を与え、またこの調節効果が主に従来のP3生成源領域から来ていることを示しています。結果は、脳リソースの分配と情報処理負荷がERP振幅に及ぼす重要性を支持しています。この発見は、今後NIBSなどの手段を使ったP3mへの介入に重要な指針となります。

研究意義

本研究は、脳の認知処理メカニズムをさらに探るための新しい方法とアイデアを提供するとともに、厳密な実験デザインとデータ分析を通じて、タスク難易度の変化に対するP3m調節の源域定位を明らかにし、脳電刺激などの介入手段の応用の土台を築きました。また、本研究は、ERP研究における多種のタスク調節手段と異なる刺激パラメータの応用を示唆し、今後の研究に新たな方向性を提供します。

結論

本研究は、タスク難易度がP3mの振幅調節に与える影響を研究するための信頼性の高い実験パラダイムを確立し、これらの調節作用の脳源領域を明確にしました。これらの発見は、今後の実験において、これらの知識を神経疾患の診断および介入研究に応用する助けとなるでしょう。