到達行動と把握行動で異なる活動パターンを発見

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到達行動と把握行動で異なる活動パターンを発見

腕を伸ばす、手で掴む。同じように見える筋肉の動きですが、実はまったく異なる活動パターンであることがシカゴ大学の研究により判明しました。腕を伸ばすのはある程度オートに、いくつもの筋肉が順番にタイミングよく連なって動いています。

手で掴むのは、一つ一つの動作を把握して次の実行をこちらが指示するという活動をします。

A new study from researchers at the University of Chicago has found that neuronal population dynamics in the motor cortex are very different during reaching and grasping behavior, challenging a popular theory that indicated intrinsic, dynamic patterns control motor behaviors.
参照元：https://www.uchicagomedicine.org/forefront/biological-sciences-articles/motor-neural-population
– シカゴ大学医療センター –

シカゴ大学の研究者による新しい研究では、運動皮質のニューロン集団のダイナミクスは、行動に到達して把握する際に大きく異なり、固有の動的パターンが運動行動を制御することを示す一般的な理論に挑戦していることがわかりました。

マカクサルの運動皮質における神経集団のダイナミクスを調べた以前の研究は、腕を使った到達運動の計画と実行中に、ニューロンの集団が回転ダイナミクスを示したことを示しました

この人口レベルの行動は、運動皮質が筋肉を動かして動きを引き起こすパターンジェネレーターとして機能することを示していると解釈されています。

シカゴ大学の生物生物学および解剖学の助教授である共著者のマシューカウフマン博士は話します。

「到達に関する以前の研究で、私の同僚と私は、動きを制御する脳領域が筋肉コマンドを生成するための小さな機械のように機能することを示しました。つまり、アクティビティは、オルゴールのように機能する数学的な「ルール」に従って、各筋肉のコマンドを他の筋肉と比較して正しくタイミングを合わせます。」

研究者たちは、これらの活動パターンは運動皮質内の神経活動の一般的な原理を表しており、これらのエレガントなダイナミクスは神経回路の特性であると示唆しました。

シカゴ大学のジェームズ・アンド・カレン・フランク家の生物生物学および解剖学教授である上級著者のスリマン・ベンスマイア博士は説明します。

「活動パターンはドミノ効果に少し似ています。動作が始まると、最初のドミノを倒すようなもので、残りはすべて順番に落ちます。元に戻すと、同じシーケンスが再び実行されます。」

しかし、この新しい研究では、腕を伸ばす行動ではなく手でつかむ行動に注目しましたが、そのようなきちんとしたパターンは見られませんでした。

11月17日にE-Lifeで発表されたこの研究では、運動皮質の神経活動を調べました。

ベンスマイア研究所の元大学院生である共同筆頭著者のアニシャ・スレッシュ博士は話します。

「非常に異なるエフェクターが関与し、非常に異なる動きを生み出す手の動きの間に同じタイプの神経ダイナミクスが存在するかどうかを知りたかったのです。サルが到達タスクと把握タスクを実行して2つの運動のダイナミクスを比較するときに、サルの運動皮質の神経活動を記録しました。」

過去の結果とは対照的に、研究者は、行動を把握することで、人口レベルでの神経活動パターンの秩序が低下し、到達運動で見られる回転ダイナミクスの証拠がほとんどないことを発見しました。

共同筆頭著者のジェームズ・グッドマン博士（現在はドイツ霊長類のポスドク）は説明します。

「このネットワークのニューロンは、ターゲットに向かって腕を動かすと考えられているような、整然とした予測可能なシーケンスで活性化されると期待していました。代わりに、把握中に見た活動のパターンははるかに複雑で混沌としており、いくつかの点で、手の動き中の触覚と固有受容感覚にとって特に重要な役割を示唆しています。」

これらの結果は、到達動作と把持動作の違いの文脈で意味があります。

共著者であるシカゴ大学の生物生物学および解剖学と神経学の教授であるニコラス・ハトソポラス博士は話します。

「概念的には、腕と手が行う仕事は異なります。腕は手を動かし、手を振ったり、カップに手を伸ばしたりするなどのアクションのために手をさまざまな場所に移動します。一方、手は通常、物をつかんだり、キーボードで入力したりするなどのオブジェクトの操作に関与します。」

この研究は、なぜこのエレガントな活動パターンが動きに到達するために存在するが把握するためには存在しないのか、他のタイプの動きパターンにも同様のパターンが存在するのかなど、新しい疑問を提起します。

ベンスマイア氏は話します。

「脳はこの種のパターンを到達に使用します。これは、脳が他の動きにも使用することを意味し、おそらくこのパターンは他のシステムにも当てはまります。しかし、このパターンがどこでも一般化されているわけではないことを示しました。問題は、実際にはどの程度一般的かということです。」

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