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# 生物学# 神経科学

経頭蓋磁気刺激研究の進展

TMSを使って脳の機能を理解する可能性と限界を探る。

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TMSリサーチ:TMSリサーチ:ブレイクスルーと課題る。神経科学におけるTMSの複雑さと未来を探
目次

経頭蓋磁気刺激(TMS)は、脳内の神経細胞を刺激するために磁場を使う方法なんだ。これは非侵襲的な技術だから、手術や体内への挿入が必要ないんだよ。TMSは脳の特定の領域を活性化させて、脳がどう機能するかを研究するのに使われるし、さまざまな精神的・神経的な状態の治療にも役立つんだ。研究者たちは、TMSを使ってさまざまな状態の診断マーカーを集めることにも興味を持っている。

でも、TMSの方法や応用の進展は遅れているのが現状なんだ。これは主に、TMS中にどの部分の脳が活性化されるのか、またその刺激が脳内のつながりや初めに刺激された領域を超えてどのように影響を与えるのかが不確かなためなんだ。

皮質反応の理解

TMSの後に脳内の電気活動パターンを分析する方法の一つは、脳から脊髄に向かう下行信号を調べることだ。TMSが行われると、皮質脊髄波と呼ばれる電気信号の波が脊髄で検出されるんだ。この波は、層5の錐体神経(PTNs)と呼ばれる特定のタイプの神経細胞から生じていて、長い軸索を持って脊髄に接続しているんだ。

この文脈で考慮される主な波には、直接波(D波)と間接波(I波)の2種類があるんだ。D波は、TMS後のPTNsの即時的な活性化を示すと考えられている。I波はD波に続いて起こり、初期の活性化が他の神経細胞に影響を与えてさらなる反応を引き起こす連鎖反応から生じる可能性があるんだ。

これらの波を研究することで、科学者たちは異なる神経細胞とそのつながりがTMSにどう反応するかを理解しようとしているんだ。

I波の調査

現在のI波に関する研究では、脊髄からの記録とさまざまな薬剤を組み合わせて、波の生成に関与する受容体を探っているんだ。これらの実験からは、波がどのように生成されるかについて重要な理論が得られ、相互接続された神経細胞のネットワークから生じるか、神経細胞自身の内因性の特性によるものだということが示唆されているんだ。

ネットワークモデルは、皮質間接続を通じた初期の活性化が他の神経細胞の集団に連鎖反応を引き起こすことを示唆している一方で、内因性モデルはPTNs自体が初期の刺激後に反復的な活動を示すことを示唆しているんだ。

計算モデルの構築

これらのメカニズムをよりよく理解するために、研究者たちはTMSによって引き起こされる皮質脊髄波がどのように発生するかをシミュレートする神経ネットワークの計算モデルを開発したんだ。一つのモデルは運動皮質の異なる層を表現し、波がどのように形成されるかを模倣するために単純化された神経細胞の表現を使用しているんだ。

このモデルを使うことで、研究者たちはTMSを受ける被験者から記録されたD波とI波の特徴を再現できるんだ。さまざまなパラメーターを最適化して、実際のTMS実験からのデータに基づいてモデルができるだけ正確であるように多くの注意が払われているんだよ。

パラメーターの最適化

モデリングプロセスでは、研究者たちは粒子群最適化という技術を利用してモデル内のパラメーターを微調整したんだ。この方法は、実験データに一致する出力をもたらす最適なパラメーター値を見つけるのに役立つんだ。

最適化の複数の実行を経て、研究者たちはD波の有無にかかわらず観察された皮質脊髄波の活動を良好に推定できる結果を達成したんだ。これは、モデルがパラメーターの変化に基づいて異なるタイプの神経応答に適応できることを示していて重要なんだ。

感度の分析

皮質脊髄波の生成にどのように異なるパラメーターが影響するかを探るために、感度分析が行われたんだ。この分析は、特定のパラメーターの変化が出力波にどのように影響するかを評価するもので、特にPTNsの活性化とその接続に注目したんだ。

研究者たちは、PTNsを直接刺激することがD波の生成に大きな影響を与える一方で、入ってくる信号(アファレンツ)の影響がI波の生成には重要であることを発見したんだ。この感度分析によって、TMSによって引き起こされるさまざまな波の生成に最も重要な接続と神経細胞のタイプが明らかになったんだ。

好ましい経路の探求

モデルの構造分析は、I波の生成に影響を与える要因の共通の特徴を見つけることを目的としていたんだ。モデル内の異なる神経細胞の位置や接続確率を評価することで、研究者は波に対する影響に基づいて特徴を分類できたんだ。

彼らは、PTNsへの接続経路が非常に密接な神経細胞が波の生成により大きな影響を与えることを発見したんだ。重要なのは、信号がこれらの接続を通じて伝達されるのにかかる遅延も重要な要因として特定されたことだ。

神経振動の理解

もう一つの研究分野は、PTNsの発火パターンが発振器の特性に似ているかどうかに焦点を当てているんだ。つまり、特定の周波数で繰り返しスパイクを生成できるかということだ。これは神経発振器の証拠のように思えるけど、分析によるとI波の生成はむしろ個々の神経細胞の行動よりも集団レベルの効果に起因する可能性が高いんだ。

実験結果との比較

研究者たちは、モデルからの発見を特定の実験研究の結果と比較しているんだ。主に皮質内微小刺激(ICMS)に関する研究が中心だ。TMSとICMSは脳を刺激する方法が違うけど、ICMS研究は神経活動がどのように組織されているか、異なる刺激パターンがどのように反応を引き起こすかに関する洞察を明らかにしているんだ。

たとえば、ICMSはTMSで観察される反応に似た活動を生成できる。しかし、磁場が神経活性化に与える影響の違いが、ICMSではTMSによって引き起こされる反応をどの程度解明できるかを制限しているんだ。

重要なアファレンツの特定

モデルは、I波の生成に重要なさまざまな外部入力、すなわちアファレンツを特定したんだ。これらのアファレンツは異なる脳の領域から生じ、主に運動皮質の特定の層に接続しているんだ。

たとえば、第二運動野(M2)は初期のI波(I1波)に大きな影響を与えているようだし、一次体性感覚野からの接続もI2波に寄与するかもしれないんだ。

モデルの限界

期待される発見にもかかわらず、モデルには限界があるんだ。計算の効率性のために行った簡略化により、一部の生物学的な詳細が見落とされる可能性があるんだ。たとえば、モデルは現在、樹状突起のプロセスの複雑さや異なる神経細胞のタイプ間の相互作用を完全には表現していないんだ。

さらに、モデルは運動皮質の特定の層を含んでいないから、I波の生成において影響を与える可能性もあるんだ。これが、モデリングアプローチのさらなる開発と洗練が必要な理由だね。

今後の方向性

今後は、最近の研究で特定されたより多くの神経細胞タイプや層をモデルに組み込むことが有益だろうね。より多くの被験者からのデータを取り入れることで、発見が強化され、TMSが患者の個々の違いとどのように相互作用するかについての広範な洞察を提供できると思うんだ。

神経細胞とその接続の空間構造を正確に表現するより複雑なモデルが、刺激後の神経活性化のメカニズムについての深い洞察を提供するかもしれないね。

さらに、TMSがペアパルスや反復パルスパラダイムなどのさまざまな刺激形式とどのように相互作用するかに注目することが、異なるタイプの電気入力に対する脳の反応を理解するのに役立つだろう。

結論

経頭蓋磁気刺激は、脳の活動を理解するための強力なツールで、治療的応用の可能性を秘めているよ。研究は、TMSが皮質構造をどのように活性化し、脊髄で測定できる電気信号を生成するかについて多くを明らかにしているんだ。計算モデルの開発、感度分析、実験結果との比較を通じて、研究者たちはTMS応答に関与する複雑な接続や経路のマッピングを進めているんだ。

でも、これらのモデルを洗練させたり、TMSの広範な影響を理解したりするためには、さらなる研究が必要だね。特に、異なる集団に対する影響や、神経的・精神的疾患の治療におけるさまざまな応用の可能性について調査することが重要なんだ。

オリジナルソース

タイトル: Circuits and mechanisms for TMS-induced corticospinal waves: Connecting sensitivityanalysis to the network graph

概要: Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive, FDA-cleared treatment for neuropsychiatric disorders with broad potential for new applications, but the neural circuits that are engaged during TMS are still poorly understood. Recordings of neural activity from the corticospinal tract provide a direct readout of the response of motor cortex to TMS, and therefore a new opportunity to model neural circuit dynamics. The study goal was to use epidural recordings from the cervical spine of human subjects to develop a computational model of a motor cortical macrocolumn through which the mechanisms underlying the response to TMS, including direct and indirect waves, could be investigated. An in-depth sensitivity analysis was conducted to identify important pathways, and machine learning was used to identify common circuit features among these pathways. Sensitivity analysis identified neuron types that preferentially contributed to single corticospinal waves. Single wave preference could be predicted using the average connection probability of all possible paths between the activated neuron type and L5 pyramidal tract neurons (PTNs). For these activations, the total conduction delay of the shortest path to L5 PTNs determined the latency of the corticospinal wave. Finally, there were multiple neuron type activations that could preferentially modulate a particular corticospinal wave. The results support the hypothesis that different pathways of circuit activation contribute to different corticospinal waves with participation of both excitatory and inhibitory neurons. Moreover, activation of both afferents to the motor cortex as well as specific neuron types within the motor cortex initiated different I-waves, and the results were interpreted to propose the cortical origins of afferents that may give rise to certain I-waves. The methodology provides a workflow for performing computationally tractable sensitivity analyses on complex models and relating the results to the network structure to both identify and understand mechanisms underlying the response to acute stimulation. AUTHOR SUMMARYUnderstanding circuit mechanisms underlying the response to transcranial magnetic stimulation remains a significant challenge for translational and clinical research. Computational models can reconstruct network activity in response to stimulation, but basic sensitivity analyses are insufficient to identify the fundamental circuit properties that underly an evoked response. We developed a data-driven neuronal network model of motor cortex, constrained with human recordings, that reproduced the corticospinal response to magnetic stimulation. The model supported several hypotheses, e.g., the importance of stimulating incoming fibers as well as neurons within the cortical column and the relevance of both excitatory and inhibitory neurons. Following a sensitivity analysis, we conducted a secondary structural analysis that linked the results of the sensitivity analysis to the network using machine learning. The structural analysis pointed to anatomical mechanisms that contributed to specific peaks in the response. Generally, given the anatomy and circuit of a neural region, identifying strongly connected paths in the network and the conduction delays of these paths can screen for important contributors to response peaks. This work supports and expands on hypotheses explaining the response to transcranial magnetic stimulation and adds a novel method for identifying generalizable neural circuit mechanisms.

著者: Gene Jong Yu, F. Ranieri, V. Di Lazzaro, M. A. Sommer, A. V. Peterchev, W. M. Grill

最終更新: 2024-03-11 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.05.583549

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.05.583549.full.pdf

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