心臓のリズムと脳の活動のつながり
この研究は、心臓のサイクルが動きのイメージをしている間に脳の活動にどう影響するかを調べてるよ。
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内受容は、私たちの体が内部で何が起こっているかを感じる能力で、心臓や他の臓器からの感覚のことだよ。この能力は、私たちが周りの世界を理解する手助けをして、思考や感情にも影響を与える。内臓と脳のつながりは双方向で、脳は体の中で何が起きているかの情報を受け取って、それに応じて体の機能を制御する信号を返すんだ。
心臓と脳の間での重要な相互作用があって、心臓が動くたびに2つの主要なフェーズを経る:リラックス(拡張期)と収縮(収縮期)。拡張期中に心臓は血液で満たされて、収縮期に血液を送り出す。心臓にある特別なセンサー、バロレセプターが、心臓がどれだけうまく機能しているかの情報を脳に送る。この情報は神経を通じて脳のさまざまな部分に届き、私たちの体の状態を理解するのに役立つ。
研究によると、心臓のサイクルのフェーズは、私たちが物事をどう感じるか、どう考えるか、さらには行動にも影響を与えることがわかってる。これは特にメンタルヘルスの理解に重要で、一部のメンタルヘルスの問題は脳と体の間のコミュニケーションが悪いために起こることがある。しかし、これらの洞察が神経疾患や運動に問題がある人々にどう役立つかを調査した研究は少ないんだ。
研究の一つの分野に、運動イメージ(MI)というものがあって、人が実際に動作を行わずに動きを視覚化することだ。これは、 mobility issues がある人々がデバイスを制御するのを助ける脳-コンピュータインターフェース(BCI)にとって重要な技術だ。MIは広く使われているけれど、心臓のサイクルがこのプロセスにどう影響するかははっきりしていない。心臓のリズムがMI中に脳とどう相互作用するかを理解することで、BCIやリハビリ方法がより良くなるかもしれない、特に脳卒中の生存者にとって。
研究の目的
この研究の目的は、心臓のサイクルのタイミングが運動イメージタスク中の脳活動にどのように影響するかを調べることだった。心臓のサイクルの異なるフェーズで動きを行ったり、想像したりすることが脳の反応に影響を与えるかどうかを探索した。心臓の活動的なフェーズ(収縮期)が、動きに関連する脳活動を助けるのか、妨げるのかの2つの主なアイデアを見ていった。
方法論
参加者
合計29人の健康なボランティアが研究に参加した。みんな右利きで、18歳から40歳までで、視力は正常または矯正されていた。参加者は、知られている神経の問題がないことを確認するために特定の基準に基づいて選ばれた。
実験タスク
参加者は、運動実行(ME)タスクと運動イメージ(MI)タスクの2つに参加した。MEタスクでは、画面に表示された矢印に応じて物理的に親指を動かした。MIタスクでは、動くことなく同じ動きを想像した。各タスクには明確な指示があり、動作中に感じた感覚に焦点を当てた。
データ収集
タスク中、研究者たちは脳活動を脳波計(EEG)で記録し、心臓の活動を心電図(ECG)で、筋肉の活動を筋電図(EMG)で計測した。EEGは神経活動を示す脳信号を測定し、ECGは心臓のリズムに関する情報を提供する。EMGは筋肉の反応を記録して、参加者がタスクにどれだけ関与しているかを把握するのを助けた。
データ分析
研究者たちはデータを分析して、タスクの反応や心臓のサイクルのタイミングによって脳活動がどう変化するかを見た。動きのキューが収縮期と拡張期のどちらで起こったかによる活動の違いを探った。異なる脳活動に関連する周波数帯域の変化を追跡し、特に運動や感覚処理に関連するアルファ波とベータ波に注目した。
結果
運動イメージ中の脳活動
参加者が動きを想像したとき、拡張期の方が収縮期よりも脳活動が大きく変化(特にアルファ波とベータ波の周波数が減少)した。これは、心臓がリラックスしている状態で脳が視覚的な動きのキューをより効果的に処理することを示唆している。一方、収縮期中は効果は最小限で短かった。
筋肉活動の向上
筋肉の記録から、拡張期に想像した動きの方が収縮期に比べて活動が高いことがわかった。この発見は、心臓のサイクルが想像した動きと実際の動作の実行とのつながりを強化できることを示唆している。
心拍のタイミング
分析から、心拍のタイミングが動きの視覚的なキューと完全には一致しないことがわかった。つまり、参加者はタスクの指示と心拍を意識的に同期させていなかった。しかし、より強い脳活動と筋肉の関与が見られた試行は、主に拡張期中の特定の時間帯に集中していた。
考察
治療と技術への影響
この研究の結果は、BCIを使用している人々のトレーニング方法を心臓のサイクルの拡張期に合わせて改善できることを示唆している。このタイミングは脳の関与を高め、BCIの効果を改善するかもしれない。さらに、これらの洞察は脳卒中の生存者への神経リハビリテーション技術に役立つかもしれない。患者に心臓が拡張期のときに動きを視覚化するよう促すことが、回復プロセスを向上させるかもしれない。
制限と今後の方向性
今回の研究は重要な洞察を提供しているが、制限もある。大きなポイントは、運動イメージ中の参加者の実際の感覚を測定しなかったことだ。今後の研究では、心臓のサイクルが想像した動きや感覚の鮮明さにどう影響するかをみるべきだ。また、これらの発見がBCIやリハビリテーションプログラムのリアルタイム設定でどう応用できるかを試すべきだ。
結論
全体として、この研究は心臓のサイクルが運動イメージタスク中の脳活動にどのように影響するかを強調している。身体の内部リズムに合わせたトレーニング方法がより効果的になりそうで、支援技術やリハビリ戦略の改善に期待が持てる。
タイトル: Cardiac Cycle Modulates Alpha and Beta Suppression during Motor Imagery.
概要: IntroductionThe baroreceptor hypothesis posits that baroreceptors, located on the cardiac walls, are most active during systole, translating cardiac contraction information to the brain. Studies within this context have suggested that the systolic phase, characterised by increased noise, may compromise the processing of sensory stimuli. Although the effect of systolic and diastolic cardiac cycle phases on cognition, perception, and action has been widely documented, there remains a gap in applying these interoceptive insights to enhance assistive technologies such as brain-computer interfaces (BCIs). In the context of BCIs, motor imagery (MI) --the mental rehearsal of movement--serves as a widely used control paradigm, yet its modulation through the cardiac cycle has not been empirically tested. Bridging this gap, this study examined how the cardiac cycle phases influence MI by assessing their effect on contralateral suppression of alpha (8-13 Hz) and beta (14-30 Hz) activity in primary sensorimotor cortices. Materials & MethodsTwenty-nine participants performed left/right thumb abductions based on the direction of an arrow presented on the screen to get familiarised with kinesthetic sensations. They then completed a MI task of the same movements. We recorded both electroencephalography (EEG) and electrocardiography (ECG), focusing our analysis on data epochs aligned with the experimental cue, based on whether it occurred during the systolic or diastolic phase of the cardiac cycle. Time-frequency analysis of source-reconstructed data assessed cue-induced changes in power spectral density (PSD) within the alpha and beta bands in the postcentral and precentral gyrus. ResultsWe found that alpha and beta suppression in the contralateral primary motor and somatosensory cortex was more pronounced when the cue fell during the diastolic phase of the cardiac cycle than during the systolic phase. Validating the main results, an analysis with circular statistics revealed that trials with particularly pronounced contralateral alpha and beta suppression featured cues with latencies clustering during diastole, the quietest time of the cardiac cycle. Accompanying the EEG effects, EMG activity on the side of the movement was enhanced during diastole. ConclusionThese findings provide evidence that MI performance can be enhanced by considering the cardiac cycle phases, offering promising implications for BCI-based applications. O_LIKey point 1: The phases of the cardiac cycle influence motor imagery performance. C_LIO_LIKey point 2: Alpha and beta contralateral suppression over sensorimotor cortices is more pronounced when movement direction is cued during diastole. C_LIO_LIKey point 3: Contralateral suppression is more likely to cluster during the quietest time of the diastolic phase: between the T-wave and the P-wave. C_LI
著者: Maria Herrojo Ruiz, G. Lai, D. Landi, C. Vidaurre, J. Bhattacharya
最終更新: 2024-04-05 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.03.587974
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.03.587974.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。
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