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2024-06-07 02:55:00
ジャーナルに掲載された最近の研究では イーライフ、 研究者らは、脳の発達中の神経振動を監視するための光ポンプ式磁力計ベースの脳磁図（OPM-MEG）の実現可能性を評価しています。
勉強： 光ポンピング磁力計ベースの脳磁図法によるベータバンド振動の神経発達軌跡の追跡画像クレジット: peterschreiber.media / Shutterstock.com
神経振動とは何ですか?
神経振動、特にベータ振動は脳機能に不可欠であり、特に注意ネットワークなどの長距離接続において重要な役割を果たします。これらのプロセスを認識することは、神経疾患や精神疾患の原因を理解する上で非常に重要です。
ベータ振動とその変調により、自閉症、多発性硬化症、パーキンソン病、統合失調症などの異常を特定できます。ベータ振動の神経発達過程を研究することで、正常機能と異常機能に関する新たな知見が得られる可能性がありますが、技術的な制約により、これらの調査は制限されています。
研究について
本研究では、研究者らは 192 チャンネルの OPM-MEG プラットフォームを使用して、2 歳から 34 歳までの個人におけるベータ振動の発達軌跡とそれに伴う発達の変化を調査しました。
実験のセットアップと感覚課題中のベータ帯域の変調。(A) 光ポンピング磁力計ベースの脳磁図 (OPM-MEG) ヘルメットをかぶった 4 歳児 (公開の同意と許可を得ています)。(B) シールド室内のシステム全体の概略図。(C) 刺激タイミングの概略図と体性感覚刺激装置の写真。「点字」刺激装置はそれぞれ 8 本のピンで構成されており、それぞれ独立して制御できます。刺激を与えるために 8 本すべてが同時に使用されました。
年齢に関係なく誰でも実行できる受動的な体性感覚課題中に、高忠実度の電気生理学的データを取得し、感覚皮質のベータ波振動の刺激誘発変調と脳全体の接続性を評価しました。現在の研究には、2 歳から 13 歳の子供 27 人 (うち 17 人が女性) と、21 歳から 34 歳の成人 26 人 (うち 13 人が女性) が参加しました。
OPM-MEG には、3 つの直交平面にわたって磁場を検出する 64 個以上の OPM が搭載されていました。センサーは、さまざまなサイズの 3 次元設計のヘルメットに取り付けられており、参加者の頭部をカスタマイズできます。ヘルメットの重量は 856 ～ 906 グラムでした。
この技術は、アクティブ フィールド コントロールを備えた磁気シールド ルーム (MSR) に組み込まれ、センサーの動作を維持しながら、背景フィールドの低減とスキャン中の参加者の移動を可能にしました。
研究参加者全員は、2 つの刺激装置が右手の小指または人差し指に受動的な体性感覚刺激を連続して適用するタスクを完了しました。
各刺激は 0.5 秒間適用され、3.5 秒間隔で繰り返され、指先を 3 回叩く動作も含まれていました。この刺激パターンは両方の指で 42 回繰り返されました。比較のため、各グループ内および 24 人の被験者全体でデータを平均化しました。
刺激期間と刺激後期間のベータ帯域振幅の最大差を決定し、年齢に対してプロットしました。また、78 の皮質領域から収集された平均化されていないベータ帯域信号間の振幅エンベロープ相関 (AEC) も測定され、脳の機能的連結性を評価しました。最も高いベータ変調部位から得られた広帯域電気生理学的信号に対する単変量 3 状態隠れマルコフ モデル (HMM) を使用して、全スペクトル バーストを調べました。
1 人の参加者 (7 歳) のデータ。(A) 脳プロットは、左運動皮質のスライスと、ベータ変調の疑似 T 統計マップを示しています。青/緑のピークは、人差し指試行 (数字 2/D2) の刺激中に最大ベータ変調が発生した場所を示し、赤/黄色のピークは小指 (数字 5/D5) を示しています。(B) ピーク ベータ変調の場所 (左感覚運動皮質) から抽出したデータを使用して、両方の指の神経振動振幅変調 (2.5～3 秒のウィンドウで測定されたベースラインに対するスペクトル振幅の分数変化) を示す時間周波数スペクトル。垂直線は、最初の点字刺激の時間を示しています。予想どおり、刺激中にベータ振幅が減少していることに注意してください。
研究結果
感覚皮質および全脳接続における刺激誘発性のベータ振動の変調は、加齢とともに大きく変化します。電気生理学的活動の全スペクトルバーストは、加齢とともに増加するタスク誘発性のベータ変調と関連していました。
左感覚運動皮質領域で変調ピークが観察され、小指と人差し指の刺激間でベータ変調ピークの部位に有意差は見られませんでした。時間周波数スペクトログラム (TFS) では、すべてのグループで刺激中にベータ振幅が減少したことが示され、最も顕著な効果は成人で観察されました。
子どもの接続パターンは強度と空間特性が異なり、視覚ネットワークが最も高い接続性を示しています。前頭葉と頭頂葉は加齢とともに最も変化しますが、視覚皮質は最も影響が小さくなります。
バースト確率変調と年齢の間には正のピアソン相関が見られ、タスク関連のベータ変調の変化はバースト確率の変化によるものであることが示唆されました。刺激中のバーストは起こりにくく、若い人ほどその影響は顕著ではありませんでした。
成人の場合、周波数が増加するにつれてスペクトル パワーが減少し、アルファおよびベータ バンドのピークが追加されました。成人と比較して、子供では高周波数の減少と低周波数の上昇が観察されました。
年齢が上がるにつれて、低周波スペクトルの含有量が減少し、高周波スペクトルの含有量が増加することが観察されました。しかし、アルファ帯域内のスペクトル含有量は安定しており、年齢との相関は有意ではありませんでした。非バースト状態は、年齢に関連した周波数含有量の変化と同様のパターンと関連していました。
OPM-MEG は、複数のヘルメット サイズと、年齢による頭皮からセンサーまでの距離の有意な差がないという点で、生涯にわたるコンプライアンスに最適でした。カスタマイズ可能な OPM-MEG アレイはパフォーマンスが良好で、ヘルメットは快適でした。
センサーからの熱は対流と断熱材のカバーによって放散されます。アクティブな磁場管理によって磁場が最小限に抑えられ、3軸センサーによって空間エイリアシングが排除され、ノイズ除去が向上しました。
結論
OPM-MEG は、年齢を問わず脳の電気生理学を測定するための新しいプラットフォームです。この技術は、MEG のパフォーマンスと機能的近赤外線分光法 (fNIRS) または脳波記録法 (EEG) の利便性を組み合わせているため、小児科への応用に適しています。
OPM-MEG は、タスク誘発性ベータ変調と全脳機能接続を加齢とともに改善し、2 歳という早い年齢の子供でも自閉症やてんかんなどの病気を特定できます。このシステムは、協調的な脳活動と加齢に伴う成熟に関するデータも提供し、高齢者は体性感覚皮質のバーストを経験する可能性が低くなります。ただし、この方法には、ヘルメットの範囲の制限、重量の最適化、コイル技術の必要性など、いくつかの制限があります。
ジャーナル参照:
- リア、L、ロードス、N、パケナム、DO、 他。 (2024) 光ポンピング磁力計ベースの脳磁図法によるベータバンド振動の神経発達軌跡の追跡。 イーライフ 土井:10.7554/eLife.94561
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