Simple Science

最先端の科学をわかりやすく解説

# 生物学 # 神経科学

脳が動作に備える方法

研究が指の動きを導く脳のプロセスについてのヒントを提供している。

Ian Greenhouse, C. G. Wadsley, T. Nguyen, C. Horton

― 1 分で読む


脳の動きの準備が明らかにさ 脳の動きの準備が明らかにさ れた 深める。 脳の信号に関する新しい洞察が運動の理解を
目次

人間は指を使って環境で行動するのが得意なんだよね。この能力は、動きをコントロールするための脳内の複雑なネットワークによって支えられてる。脳が動きをサポートする仕組みについてはかなり知識があるけど、行動を準備するところから実際にその行動をするまでの過程は完全には理解されてないんだ。いくつかの理論では、脳が筋肉に送る信号を管理するために特定のルールを使ってるって言われてる。でも、多くの研究は動きに直接関係しない脳の部分を調べてきたから、これらの考えが私たちの体の動きにどれほど当てはまるのか疑問が残るよね。

脳の信号と動き

行動を起こす準備をする時、特定の信号が関与する筋肉を誘導するのを助けるんだ。一つの考えは、脳が「抑制」っていうプロセスを使ってどの信号を筋肉に送るかをコントロールしてるってこと。抑制は一部の信号をブロックして、他の信号を筋肉に通すことができる。だけど、霊長類の研究ではこの抑制が動きとどう関連しているのかはさまざまな結果が出てきてる。

動きは単純じゃなくて、速度や位置など多くの異なる要素が関わる。だから、研究者たちは私たちが動く準備をする時と実際にその動きを行う時には、異なる脳のプロセスが働いてるかもしれないと思ってる。これらのプロセスをよりよく理解するためには、脳が動きの準備をする方法についての別の理論を探る必要があるんだ。

行動準備のプロセス

脳がどの行動をいつ取るかを決める方法は、他の脳の部分を支配する似たようなプロセスの影響を受けるかもしれない。これらのプロセスは、行動の準備中に脳から筋肉への信号の流れを形作る。提案されている一つのプロセスは「ゲイン調整」で、送られる信号の強さを調整することなんだ。

ゲイン調整は、脳が重要な信号に集中できるようにし、あまり関連性のない信号を無視できるようにしてくれる。もう一つの考えは「加算調整」で、信号の強さを直線的にシフトさせることを含む。これによって、必要ない時に神経細胞の活動を減らして安定させることができる。

ゲインと加算の調整が一緒に起こる可能性もある。これらの二つのプロセスをバランスよく行うことで、脳は重要な行動に対するフォーカスを高め、無関係な信号のバックグラウンドノイズを抑えられるんだ。これは私たちが感覚情報を処理する方法に似ていて、行動が明確で目的があるものになることを保証してくれる。

行動準備の研究

指の動きの準備をするために脳がどう働くかを調べるために、研究者たちは健康な大人を対象に実験を行った。研究の目的は、参加者が行動する準備をする中で脳から筋肉に送られる信号を測定することだった。特定の手の筋肉を活性化させる「経頭蓋磁気刺激(TMS)」という方法を使ったんだ。参加者は異なる合図に反応するよう求められ、研究者たちは異なるタイミングで脳から送られる信号の強さを測定した。

参加者は指を使って反応するタスクを実行した。タスクは、指が直接行動に関与する場合、選択肢として考えられるけど必須ではない場合、タスクとは全く関係のない場合に応じて異なる文脈を作るようにデザインされていた。これにより、各状況で必要に応じて脳が筋肉に送る信号がどう変わるかを研究者たちは見ることができた。

実験の結果

研究の結果、脳から筋肉への信号の強さはタスクの文脈に応じて変化することがわかった。指が行動のために選択された時や可能な選択肢である時、信号は指が全く関連していない時よりも強くなった。これは脳が使おうとしている筋肉への信号を増やすことを示してる。研究結果は、重要な信号を強化し、不要な信号を抑えるためのルールが存在することを示唆している。

さらに、これらの信号を調整する能力は、参加者が行動に反応する速さとも関連してた。関連する筋肉への脳の信号がより大きく増加した人は、行動を取る必要がある時により早く反応する傾向があった。これは脳が動きの準備をする方法と、その動きに基づいて行動する効率との直接的な関係を示しているよ。

異なる脳プロセス間の相互作用

結果は、脳が異なるプロセスを同時に使って、関連する行動を強化しつつ、無関係な信号のノイズを減らす必要をバランスよく保っていることを示唆してる。この相互作用は、深い脳の構造と皮質が一緒に働いていることに依存してる可能性が高い。以前の研究では、視覚や聴覚系など他の脳領域でも似たようなプロセスが起こることが示唆されていて、信号を調整する方法が異なる機能全体に共通のテーマになっているかもしれない。

実用的な影響

脳が動きの信号を調整する仕組みを理解することには重要な応用があるかもしれない。この研究の洞察は、脳卒中や他の運動コントロールに影響を与える状態から回復している人のリハビリテーション技術を改善するのに使えるかもしれない。また、脳の信号調整を改善するトレーニング方法を重点的に行うことで、アスリートのパフォーマンスを向上させる戦略にもつながるかもしれない。

さらに、この結果は臨床集団における脳機能を探る未来の研究にも情報を提供できて、運動関連の障害に対する潜在的な治療法を特定するのに役立つよ。行動準備と実行のメカニズムを明らかにすることで、これらの分野で困難に直面している人をどう支援できるかをよりよく理解できるんだ。

結論

要するに、人間の脳が動きの準備と実行をする能力は、関連する信号を強化しつつ無関係なものを抑える複雑なプロセスに依存してる。この研究の結果は、脳の調整能力を強調していて、状況に応じてどのように調整するかを示してる。さらなる研究がこれらのメカニズムの理解を深め、さまざまな集団における運動コントロールを改善するための潛在的な応用を明らかにするかもしれない。

脳が行動の準備をする方法についての知識を広げることで、臨床的およびアスリートの設定で効果的な介入やトレーニング戦略につながる貴重な洞察を得ることができるんだよ。最終的には、人間の動きについての理解を深めることになるんだ。

オリジナルソース

タイトル: Goal-directed action preparation in humans entails a mixture of corticospinal neural computations

概要: The seemingly effortless ability of humans to transition from thinking about actions to initiating them relies on sculpting corticospinal output from primary motor cortex. This study tested whether canonical additive and multiplicative neural computations, well-described in sensory systems, generalize to the corticospinal pathway during human action preparation. We used non-invasive brain stimulation to measure corticospinal input-output across varying action preparation contexts during instructed-delay finger response tasks. Goal-directed action preparation was marked by increased multiplicative gain of corticospinal projections to task-relevant muscles and additive suppression of corticospinal projections to non-selected and task-irrelevant muscles. Individuals who modulated corticospinal gain to a greater extent were faster to initiate prepared responses. Our findings provide physiological evidence of combined additive suppression and gain modulation in the human motor system. We propose these computations support action preparation by enhancing the contrast between selected motor representations and surrounding background activity to facilitate response selection and execution. Abstract figure O_FIG O_LINKSMALLFIG WIDTH=200 HEIGHT=106 SRC="FIGDIR/small/602530v3_ufig1.gif" ALT="Figure 1"> View larger version (24K): org.highwire.dtl.DTLVardef@16a3b91org.highwire.dtl.DTLVardef@16cdc80org.highwire.dtl.DTLVardef@8d92org.highwire.dtl.DTLVardef@4ea29c_HPS_FORMAT_FIGEXP M_FIG Abstract figure legend. Goal-directed action preparation shapes corticospinal output across selected, nonselected, and task-irrelevant motor representations. This study examined whether additive and multiplicative neural computations, common in sensory systems, occur within the corticospinal pathway during action preparation. We probed corticospinal input-output during the performance of various instructed-delay response tasks by applying a range of transcranial magnetic stimulation (TMS) intensities (input) over the primary motor cortex and measuring the resultant motor-evoked potentials (output) from the hand. We found that goal-directed action preparation increases corticospinal gain multiplicatively in task-relevant motor representations while additively suppressing nonselected and irrelevant representations. Greater gain modulation predicted faster responses, highlighting how these computations can enhance signal-to-noise (SNR) to enable efficient action selection and execution in the human motor system. C_FIG Key pointsO_LINeural computations determine what information is transmitted through brain circuits. C_LIO_LIWe investigated whether the motor system uses computations similar to those observed in sensory systems by noninvasively stimulating the corticospinal pathway in humans during goal-directed action preparation. C_LIO_LIWe discovered physiological evidence that corticospinal projections to behaviorally relevant muscles exhibit nonlinear gain computations, while projections to behaviorally irrelevant muscles exhibit linear suppression. C_LIO_LIOur findings suggest that certain computational principles generalize to the human motor system and serve to enhance the contrast between relevant and background neural activity. C_LIO_LIThese results indicate that neural computations during goal-directed action preparation may support motor control by increasing signal-to-noise within the corticospinal pathway. C_LI

著者: Ian Greenhouse, C. G. Wadsley, T. Nguyen, C. Horton

最終更新: Dec 20, 2024

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.08.602530

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.08.602530.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。

類似の記事

コンピュータビジョンとパターン認識 革新的なシミュレーターが動物の神経追跡を強化する

新しいシミュレーターが科学者たちに動いている動物の神経細胞を追跡するのを手助けしてるよ。

Raphael Reme, Alasdair Newson, Elsa Angelini

― 1 分で読む

神経科学 コルチコステロイドと神経アイデンティティ:MRのつながり

研究によると、ミネラルコルチコイド受容体がストレス反応における神経細胞の行動やアイデンティティに影響を与えることがわかった。

Erin P. Harris, Stephanie M. Jones, Georgia M. Alexander

― 1 分で読む