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# 生物学# 神経科学

パーキンソン病における動きの理解

ドーパミンと深部脳刺激がパーキンソン病患者の運動開始にどう影響するか。

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パーキンソン病におけるドーパーキンソン病におけるドーパミンとDBSパーキンソン病の運動問題の治療法を探る。
目次

動くことと行動することは、私たちの生活の中心だよね。動くことを決めると、脳がその決定を行動に変える重要な役割を果たすんだけど、パーキンソン病みたいな状態ではこのプロセスが乱れることがあるんだ。この記事では、脳の信号、特にドーパミンが私たちの動き出す能力にどのように影響するか、そして深部脳刺激療法がこの能力を取り戻すのにどう役立つかを探ってるよ。

動きと脳の活動

動くことを考えると、脳の中で動く前から活性化する神経細胞の複雑なネットワークがあるんだ。この活動は、高度な画像診断技術を使って観察できるんだ。これらの脳の信号が私たちの意図や行動にどのように関連しているかを理解することで、運動障害に関する洞察が得られるよ。

健康な人では、行動するという決定を示す信号が物理的に動く前に特定の脳活動を生み出すんだけど、パーキンソン病の人ではこのプロセスが損なわれることがあるんだ。研究によると、特定の脳の領域が動きを始めるのに効果が薄くなるんだ。

ドーパミンの役割

ドーパミンは脳の中で動き、モチベーション、報酬に重要な役割を果たす化学伝達物質だよ。パーキンソン病では、ドーパミンを生成する神経細胞が失われて、動きを始めるのが難しくなるんだ。この損失は、黒質と呼ばれる脳の部分に特に集中してる。

研究では、動くことを考えるとき、ドーパミン作動性神経細胞が実際の動きの前に活性化することが示されているんだ。簡単に言うと、ドーパミンが脳を行動のために「準備」させるみたい。ドーパミンが足りないと、脳は動きを始めるのに苦労して、アキネジアって呼ばれる状態になっちゃう。これがあると、動き始めるのが難しくなるんだよ。

パーキンソン病の影響

パーキンソン病は、安静時振戦、硬直、最も厄介な症状であるアキネジアなど、さまざまな運動症状によって特徴付けられるんだ。アキネジアは動きを始めることができない状態で、これがあると人生の質に大きく影響するんだ。患者は、歩き始めたり、日常的なタスクを助けなしで行うのが難しいことが多い。

パーキンソン病の従来の治療法は、主に脳内のドーパミンレベルを増加させることに焦点を当てているんだ。レボドパみたいな薬が、脳にドーパミンを生成するための材料を提供することで、症状を和らげるのに使われるよ。

深部脳刺激療法の治療法

薬に加えて、深部脳刺激療法(DBS)はパーキンソン病の外科的治療オプションなんだ。この手法では、脳の特定の部位に電極を植え込み、異常な脳活動を調整するために電気インパルスを送るんだ。研究では、DBSが薬だけでは効果が出ない患者の運動機能を大幅に改善できることが示されているよ。

DBSは、運動皮質と亜視床核の間の脳領域のコミュニケーションの仕方を変えるみたい。この相互作用が、動きの開始や全体的な運動コントロールを改善するのに重要な役割を果たすと考えられているんだ。

研究

最近の研究では、パーキンソン病患者における動きに関連する脳信号がドーパミンやDBSによってどう影響を受けるかを調べたんだ。研究者たちは、患者が自発的に動きを行うときの脳の活動を、薬を服用しているときと服用していないときの両方で記録したの。目的は、これらの治療が動くプロセスに与える影響をよりよく理解することなんだ。

参加者

この研究には、顕著な運動症状を持つパーキンソン病と診断された25人の患者が参加したんだ。この患者たちは専門のセンターから募集されて、薬とDBSの両方の治療を受けたよ。研究者たちは、自発的な動作中の脳活動をモニタリングするために高度な技術を使用して、異なる治療が動きの開始にどう影響するかを詳しく観察したんだ。

方法

研究者たちはデータ収集のために2つの主な方法を使ったよ:

  1. エレクトロコルチコグラフィ(ECoG): これは、脳の表面に電極を直接置いて、その電気活動を記録する方法なんだ。ECoGは高解像度のデータを提供し、動きに関連する脳信号の正確な測定を可能にするよ。

  2. 亜視床局所電位(STN-LFP): これは、運動調整に関与する脳の領域である亜視床核の神経活動を測定する技術なんだ。ECoGとSTN-LFPのデータを比較することで、研究者たちはこれらの脳領域の間のコミュニケーションについての洞察を得ようとしたんだ。

分析

研究者たちは、動きの準備と実行に関連するパターンを識別するために脳データを分析したんだ。動きの前に発生する脳信号、いわゆる準備ポテンシャルのタイミングと特徴に特に焦点を当てたよ。

彼らの目標は、患者が薬を服用しているときと服用していないときでこれらの信号がどう変化するか、そしてDBSがこれらの信号に与える影響を観察することだったんだ。

発見

ドーパミンとDBSが脳信号に与える影響

この研究では、ドーパミンとDBSが脳が動きを始める準備に大きな影響を与えることが分かったよ。患者がドーパミン薬を服用したりDBSを受けたりすると、動く意図を示す信号が治療を受けていないときに比べて早く、強く現れることが確認されたんだ。

  1. 短縮された待ち時間: 患者は、動く意図を示す脳信号から実際の動きまでの遅延が短くなったんだ。これは、両方の治療がメンタルな意図を物理的な行動に変えるプロセスを早めるのに役立つことを示唆しているよ。

  2. 脳活動のシフト: 研究者たちは、動きの準備中に発生する脳活動の種類に変化があったことに気づいたんだ。治療がない場合は、支配的な周波数が休息状態の維持に関連するベータ帯域だったけど、ドーパミンとDBSがあると脳活動が動きや行動に関連するシータ帯域にシフトしたんだ。

臨床的影響

これらの発見は、パーキンソン病の理解と治療に重要な意味を持つよ。この研究は、ドーパミン作動機能を強化し、DBSを使用することで、動きに関連するより正常な脳活動パターンを取り戻す助けになる可能性があることを示唆しているんだ。これらの治療が脳信号をどのように修正するかを理解することで、臨床医は患者の結果を改善するための治療戦略を強化できるかもしれない。

結論

この研究は、ドーパミン、DBS、およびパーキンソン病患者の動きを始める脳の能力との複雑な関係を浮き彫りにしているよ。証拠は、両方の治療法が動きに関与する神経プロセスを大幅に改善し、アキネジアや他の運動症状の効果的な管理への新しい道を提供する可能性があることを示唆してる。これらの基盤メカニズムを理解することで、今後の治療を個々のパーキンソン病患者の特定のニーズに合わせてより適切に調整できるかもしれないね。最終的には、彼らの動きを制御する能力を改善して、生活の質を向上させることができるんだ。

オリジナルソース

タイトル: Dopamine and DBS accelerate the neural dynamics of volitional action in Parkinson's disease

概要: The ability to initiate volitional action is fundamental to human behaviour. Loss of dopaminergic neurons in Parkinsons disease is associated with impaired action initiation, also termed akinesia. Both dopamine and subthalamic deep brain stimulation (DBS) can alleviate akinesia, but the underlying mechanisms are unknown. An important question is whether dopamine and DBS facilitate de novo build-up of neural dynamics for motor execution or accelerate existing cortical movement initiation signals through shared modulatory circuit effects. Answering these questions can provide the foundation for new closed-loop neurotherapies with adaptive DBS, but the objectification of neural processing delays prior to performance of volitional action remains a significant challenge. To overcome this challenge, we studied readiness potentials and trained brain signal decoders on invasive neurophysiology signals in 25 DBS patients (12 female) with Parkinsons disease during performance of self-initiated movements. Combined sensorimotor cortex electrocorticography (ECoG) and subthalamic local field potential (LFP) recordings were performed OFF therapy (N=22), ON dopaminergic medication (N=18) and ON subthalamic deep brain stimulation (N=8). This allowed us to compare their therapeutic effects on neural latencies between the earliest cortical representation of movement intention as decoded by linear discriminant analysis classifiers and onset of muscle activation recorded with electromyography (EMG). In the hypodopaminergic OFF state, we observed long latencies between motor intention and motor execution for readiness potentials and machine learning classifications. Both, dopamine and DBS significantly shortened these latencies, hinting towards a shared therapeutic mechanism for alleviation of akinesia. To investigate this further, we analysed directional cortico-subthalamic oscillatory communication with multivariate granger causality. Strikingly, we found that both therapies independently shifted cortico-subthalamic oscillatory information flow from antikinetic beta (13-35 Hz) to prokinetic theta (4-10 Hz) rhythms, which was correlated with latencies in motor execution. Our study reveals a shared brain network modulation pattern of dopamine and DBS that may underlie the acceleration of neural dynamics for augmentation of movement initiation in Parkinsons disease. Instead of producing or increasing preparatory brain signals, both therapies modulate oscillatory communication. These insights provide a link between the pathophysiology of akinesia and its therapeutic alleviation with oscillatory network changes in other non-motor and motor domains, e.g. related to hyperkinesia or effort and reward perception. In the future, our study may inspire the development of clinical brain computer interfaces based on brain signal decoders to provide temporally precise support for action initiation in patients with brain disorders.

著者: Wolf-Julian Neumann, R. M. Köhler, T. S. Binns, T. Merk, G. Zhu, Z. Yin, B. Zhao, M. Chikermane, J. Vanhoecke, J. L. Busch, J. G. V. Habets, K. Faust, G.-H. Schneider, A. Cavallo, S. Haufe, J. Zhang, A. A. Kühn, J.-D. Haynes

最終更新: 2024-02-08 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.30.564700

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.30.564700.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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