気が散る情報を無視して動きを調整する脳の仕組み

気になる情報を無視して動きを調整する脳の仕組み 健康
©Salk Institute

画像:脳幹にある抑制性ニューロンの細胞体(赤)と、その軸索(緑)が触覚情報を伝える楔状細胞(青)に投射されている。この回路は、手の触覚受容器から伝達された情報が脳に入るのを制御する。

この最新の研究は、感覚障害の理解や、触ったものに応じて動きを微調整できる、より優れた義肢やロボットの構築につながるものです。

脳が気になる情報を無視して動きを調整する仕組み

この記事を読んでいるあなたの皮膚の触覚受容体は、あなたの環境を感知しています。

服やアクセサリー、座っている椅子、パソコンのキーボードやモバイル機器、そして無意識のうちに触れ合う指など、それぞれの感触が神経細胞の集合体を活性化させています。

しかし、特に予期しない刺激や、自分の動きを確認するために必要な刺激でない限り、脳はこれらの入力の多くを無視します。

今回、ソーク研究所の研究者らは、哺乳類の脳の小さな領域にある神経細胞が、特に手からの気が散るような信号や破壊的な信号をフィルタリングして、器用な動きを調整する仕組みを発見しました。

この研究成果は、2021年10月14日付の科学誌「Science」に掲載されましたが、脳が他の感覚情報をどのようにフィルタリングするかについての教訓となるかもしれません。

ソーク研究所分子神経生物学研究室の助教授のEiman Azim氏は、「今回の発見は、私たちの神経系が世界とどのように相互作用しているかをより深く理解するためだけでなく、より優れた義肢やロボットを作る方法や、病気や怪我の後に神経回路をより効果的に修復する方法を教えてくれるものです。」と述べています。

ボールを投げたり、楽器を演奏したりといった器用な動きをするためには、手からの入力が必要であることは以前から知られていました。

ある実験では、指先に麻酔をかけて麻痺させたボランティアが、マッチを拾って火をつけるのが非常に難しいことがわかりました。

Azim氏は、「脳が信号を送って、その通りに動けばよいという誤解があります。「しかし、実際には、脳は手足や指の状態に関するフィードバック情報を常に取り入れ、それに応じて出力を調整しているのです。」

もし、脳が身体からのすべての信号に反応していたら、すぐに圧倒されてしまいます。

これは、感覚処理障害の一部に見られる現象です。

Azim氏らは、健康な脳がどのようにして、物を操作するような器用な動きを調整するために、どの触覚信号を考慮すべきかを選択しているのかを正確に把握したいと考えました。

研究チームは、マウスを使って、手からの信号が脳に最初に入る楔状核と呼ばれる脳幹の小さな領域の細胞を研究しました。

感覚情報が楔状核を通過することは知られていましたが、研究チームは、この領域にある一連の神経細胞が、手からの情報が最終的に脳の他の部分にどれだけ伝わるかを実際に制御していることを発見しました。

これらの回路を操作して、触覚のフィードバックを多くしたり少なくしたりすることで、マウスが報酬を得るために行う器用な作業(ロープを引いたり、質感を識別することを覚えるなど)に影響を与えることができるのです。

今回の論文の筆頭著者であるJames Connerスタッフ研究員は、「楔状核は、情報がただ通過するだけのように、しばしば中継所と呼ばれます。しかし、この構造では、感覚情報が実際に調節されていることがわかったのです。」と述べています。

さらにConner氏とAzim氏は、より複雑で適応的な行動を司る大脳皮質のさまざまな部分が、楔状突起のニューロンを制御して、手からの感覚情報をどれだけ強くフィルタリングするかを決定していることを示しました。

現在、数十年にわたる研究にもかかわらず、ほとんどの義肢装具やロボットは、軽快な指さばきと小さく正確な手の動きを実現するのに苦労しています。

Azim氏とConner氏は、今回の研究成果は、人工指からの感覚情報をこれらの種類のシステムに統合し、器用さを向上させるためのより良いプロセスの設計に役立つだろうと述べています。

また、感覚処理障害の理解や、感覚情報の流れのバランスが崩れたときに脳内で何が起こっているのかのトラブルシューティングにも役立つ可能性があるといいます。

「感覚システムは、外部からの脅威に対する防御反応を最大限に高めるために、非常に高い感度を持つように進化してきました。しかし、私たち自身の行動がこれらの感覚システムを活性化させ、それによってフィードバック信号が生成され、私たちの意図した行動が阻害されることがあります。」とConner氏は言います。

「私たちは常に世界からの情報にさらされており、脳は何が伝わり、何が伝わらないかを判断する方法が必要です。触覚だけでなく、視覚、嗅覚、聴覚、温度、痛みなど、この回路について学んでいることは、脳がこれらの種類のフィードバックをどのように調節するかについても、一般的な方法で適用できる可能性があります。」とAzim氏は言います。

その他の著者は、ソーク研究所のAndrew Bohannon氏、五十嵐正和氏、James Taniguchi氏、Nicholas Baltar氏です。

Published by Salk Institute. James Conner et al, Modulation of tactile feedback for the execution of dexterous movement, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abh1123