脳が重要な感覚と重要でない感覚をどのように区別するか

あなたがギターを弾いていると想像してみてください。 あなたは座って、膝全体で楽器の重量を支えています。 片手でストラム; もう1つは、弦をギターのネックに押し付けてコードを演奏します。 視覚はページ上の楽譜を追跡し、聴覚は音を聞くことができます。 さらに、他の2つの感覚により、この楽器の演奏が可能になります。 そのうちの1つ、タッチは、ギターとの相互作用について説明します。 もう1つの固有受容感覚は、演奏中の腕と手の位置と動きについて教えてくれます。 一緒に、これらの2つの能力は、科学者が体性感覚、または体の知覚と呼ぶものに結合します。

私たちの皮膚と筋肉には、体性感覚に寄与する何百万ものセンサーがあります。 それでも、私たちの脳は、これらの入力の集中砲火に圧倒されることはありません。さらに言えば、他の感覚からも圧倒されることはありません。 演奏中に靴をつまんだり、ギターストラップを引っ張ったりすることに気を取られることはありません。 重要な感覚入力のみに焦点を合わせます。 脳はいくつかの信号を巧みに強化し、他の信号を除外して、気を散らすものを無視し、最も重要な詳細に集中できるようにします。

脳はこれらの焦点の偉業をどのように達成しますか？ ノースウェスタン大学、シカゴ大学、カリフォルニア州ラホヤにあるソーク生物研究所での最近の研究で、この質問に対する新しい答えが明らかになりました。 いくつかの研究を通じて、脳幹の最下部にある小さな、ほとんど無視されている構造が、脳の感覚信号の選択に重要な役割を果たしていることを発見しました。 この領域は楔状束核またはCNと呼ばれます。 CNに関する私たちの研究は、感覚処理の科学的理解を変えるだけでなく、怪我や病気の患者の感覚を回復するための医学的介入の基礎を築くかもしれません。

何が新しくなったのかを理解するには、体性感覚がどのように機能するかについてのいくつかの基本を確認する必要があります。 私たちが何かを動かしたり触れたりするたびに、皮膚や筋肉内の特殊な細胞が反応します。 それらの電気化学的信号は、神経線維に沿って脊髄と脳に伝わります。 脳はこれらのメッセージを使用して、体の姿勢と動き、およびオブジェクトと対話する場所、タイミング、力を追跡します。 実験により、私たちの体の意識的な経験とその物体との相互作用は、脳の最外層である大脳皮質に到達するこれらの信号に依存していることが明らかになりました。 科学者たちは長い間、この脳の領域が感覚信号の選択的な強化またはフィルタリングに関与する主要なプレーヤーの1つであると想定してきました。 一方、CNは、体から皮質まで信号を移動させる単なるパッシブリレーステーションであると彼らは信じていました。

しかし、私たちは懐疑的でした。 何らかの方法で信号を変更しない場合、CNが存在するのはなぜですか？ 私たちは、ニューロンの活動を観察して調べることにしました。 歴史的に課題は、CNが小さく、アクセスが非常に難しいことでした。 頭と首の非常に柔軟な接合部に位置しているため、動物の動きによって到達が困難になる可能性があります。 さらに悪いことに、楔状束核は脳幹に囲まれ、損傷すると死に至る可能性のある重要な脳領域に囲まれています。

幸いなことに、最新の神経科学ツールを使用すると、近くの領域に害を与えることなく、覚醒している動物のCNを安定して観察できます。 サルでは、個々の楔状束核ニューロンを監視するために使用した電極の小さなアレイを埋め込みました。 初めて、サルが動いたり物に触れたりしたときに、この領域の単一の脳細胞がどのように反応するかを研究することができました。 この方法により、CNの機能に関するいくつかの質問に答えることができました。 1つは、振動や点字のようなエンボスドットパターンなど、サルの皮膚をさまざまな刺激にさらすことで、これらのニューロンがタッチ信号にどのように反応するかを調べました。 次に、CNの応答を、この脳構造に供給される神経線維の活動と比較しました。 その領域が皮膚の感覚細胞によって収集された情報を通過したばかりの場合、CNの神経活動は本質的に神経線維の活動を反映します。 代わりに、CNニューロンは単に入力を渡すだけではないことがわかりました しかし、それらを変換します。 実際、クネエートニューロンは、神経線維のパターンよりも脳の大脳皮質ニューロンの活動パターンに類似した活動パターンを示しました。

しかし、CNと皮質の間の接続は一方通行ではありません。 感覚神経が上昇することに加えて、大脳皮質の感覚および運動領域から楔状束核に至る経路があります。 私たちは、CNが動物の計画された自発的な動きに基づく何らかの形の感覚フィルタリングに寄与するかどうか疑問に思いました。 そのために、サルがターゲットに到達したときのCNアクティビティを観察し、それらの信号を、ロボットがサルの腕を同様の方法で動かしたときに生成されたCN信号と比較しました。 cuneateニューロンの活動を発見しました 確かに変わった、動物が何をしていたか、そして動きが自発的か非自発的かによって異なります。 ほんの一例として、腕の筋肉からの信号は、動物が動きが計画どおりに進んでいることを判断するのに役立つことがわかっています。 この考えに沿って、CNでは、ロボットが腕を動かしたときと比較して、サルが自発的に腕を動かしたときに、腕の筋肉からの多くの信号が増強されることがわかりました。

これらの研究は、信号が楔状束核に到達したときに、私たちの体から来る信号の処理がすでに始まっていることを確立しました。 しかし、重要な信号のCNの選択的な強化と重要でない信号の抑制を可能にする脳細胞と経路は何ですか？ 3番目の研究では、遺伝子およびウイルス技術を利用して、マウスの神経系を調べました。 これらのツールを使用すると、特定の種類の細胞を操作し、レーザーを照射して細胞をオンまたはオフにすることができます。 これらの手法を行動課題と組み合わせました。報酬を得るために文字列を引っ張ったり、さまざまなテクスチャに反応したりするようにマウスをトレーニングすることで、特定のニューロンのアクティブ化または非アクティブ化がマウスの器用なタスクを実行する能力にどのように影響するかをテストしました。 このアプローチにより、最初にCN内の細胞の機能を調査し、脳に入るときにタッチ信号の通過を抑制または強化できる、CNを取り巻く特定のニューロンのセットを明らかにすることができました。 次に、同様の手法を適用して、他の高次脳領域がCNの活動にどのように影響するかを調べました。 発見しました 2つの異なる経路 皮質からCNに至るまで、Cuneateが通過できる情報の量を管理します。 言い換えれば、CNは身体からの情報だけでなく、皮質からのガイダンスも受け取り、特定の瞬間にどの信号が個人にとって最も関連性があるか、または重要であるかを判断するのに役立ちます。

明らかに、楔状束核は、それが認められているよりもはるかに興味深い脳領域です。 私たちの仕事は、その機能を明確にするのに役立ちます。知覚、運動制御、およびより高い認知機能に関与する脳領域にそれらを渡す前に、特定の信号を強調し、他の信号を抑制します。 その重要な役割は、CNがマウスや霊長類を含む多種多様な哺乳類に現れる理由を説明するのに役立つかもしれません。

私たちの仕事はまだ終わっていませんが、私たちの結果はすでにリハビリテーションに重要な意味を持っています。 私たちが研究できたアクティブな触覚と筋肉の信号を超えて、証拠は、CNが神経損傷からの回復に重要である可能性があるより多くの「休止」入力を受け取ることを示唆しています。 世界中の何百万人もの人々が、麻痺や感覚の喪失など、何らかの形の手足の機能障害に苦しんでいます。 感覚信号と運動信号がどのように動きをサポートするかをよりよく理解することで、医師は最終的にこれらの状態の診断と治療を改善することができます。 たとえば、埋め込まれた電極は、いつの日か、手足の感覚を失った人々の楔状束核を電気的に活性化し、身体を知覚する能力を回復させる可能性があります。

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