内側前頭前野と眼窩前頭皮質が、待機という行動を制御している

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内側前頭前野と眼窩前頭皮質が、待機という行動を制御している

幸せ物質セロトニンが放出される脳の領域と、忍耐の相関性が、沖縄科学技術大学院大学の研究結果により明らかになりました。領域を特定できるという事は、脳の作用の的を絞った治療が可能になるかもしれない、という事を意味しています。

We’ve all been there. Whether we’re waiting for a bus that is stuck in traffic, or eagerly anticipating the release of a new book, film or album, there are times when we need to be patient. Learning to suppress the impulse for instant gratification is often vital for future success, but how patience is regulated in the brain remains poorly understood.

参照元:https://www.oist.jp/news-center/press-releases/scientists-reveal-regions-brain-where-serotonin-promotes-patience
– 沖縄科学技術大学院大学(OIST)大学院大学 –

マウスに関する研究では、科学者はセロトニンの作用を通じて忍耐を個別に促進する脳の特定の領域を特定します。

私たちは皆そこにいました。

長い一日の終わりに渋滞に巻き込まれたり、新しい本、映画、アルバムのリリースを熱心に期待したりする場合でも、辛抱強く待つ必要がある場合があります。

即座の満足のための衝動を抑制することを学ぶことは、将来の成功のためにしばしば不可欠ですが、忍耐が脳でどのように調節されているかはよくわかっていません。

現在、沖縄科学技術大学院大学(OIST)の神経計算ユニットが実施したマウスに関する研究では、著者である宮崎勝彦博士と宮崎加代子博士が、個々に忍耐を促進する脳の特定の領域を特定しています。

宮崎勝彦博士は話します。

「セロトニンは行動の最も有名な神経調節物質の1つであり、気分、睡眠と覚醒のサイクル、食欲の調節に役立ちます。私たちの研究によると、この化学メッセンジャーの放出は忍耐を促進する上でも重要な役割を果たし、マウスが餌の報酬を待つ時間を増やします。」

彼らの最新の研究は、ユニットが光遺伝学と呼ばれる強力な技術(光を使用して脳内の特定のニューロンを刺激する)を使用して、セロトニンと忍耐の間の因果関係を確立した以前の研究に大きく依存しています。

科学者たちは、光感受性タンパク質を発現するセロトニン放出ニューロンを持った遺伝子操作されたマウスを飼育しました。

これは、研究者が脳に埋め込まれた光ファイバーを使用して、光を当てることにより、これらのニューロンを刺激して正確な時間にセロトニンを放出できることを意味しました。

研究者らは、マウスが餌を待っている間にこれらのニューロンを刺激すると、待ち時間が長くなり、報酬を受け取る可能性が高いが報酬のタイミングが不確かなときに最大の効果が見られることを発見しました。

宮崎博士は話します。

「言い換えれば、セロトニンが忍耐力を促進するためには、マウスは報酬が来ることを確信していなければなりませんでしたが、それがいつ到着するかについては不確かでした。」

以前の研究では、科学者たちは、セロトニン放出ニューロンの中心的なハブである背側縫線核と呼ばれる脳の領域に焦点を当てていました。

背側縫線核からのニューロンは前脳の他の領域に到達し、彼らの最新の研究では、科学者はこれらの他の脳領域のどれが忍耐の調節に貢献したかを具体的に調査しました。

チームは、損傷したときに衝動的な行動を増加させることが示された3つの脳領域、側坐核と呼ばれる深部脳構造、および眼窩前頭皮質と内側前頭前野と呼ばれる前頭葉の2つの部分に焦点を当てました。

宮崎博士は説明します。

「衝動行動は本質的に忍耐力に関連している-個人が衝動的であるほど、患者は少ない-したがって、これらの脳領域は主要な候補でした。」

この研究では、科学者は光ファイバを背側縫線核と、側坐核、眼窩前頭皮質、または内側前頭前野のいずれかに移植しました。

研究者たちは、餌のペレットが届けられるまで、「ノーズポーク」と呼ばれる、マウスが鼻を穴の中に保持する待機タスクを実行するようにマウスを訓練しました。

科学者たちは、75%の試験でマウスに報酬を与えました。

一部のテスト条件では、マウスが鼻を突くようになってから6秒または10秒後に報酬のタイミングが固定され、他のテスト条件では、報酬のタイミングが変化しました。

省略試験と呼ばれる残りの25%の試験では、科学者はマウスに餌の報酬を提供しませんでした。

彼らは、セロトニン放出ニューロンが刺激されたときと刺激されなかったときの、省略試験中にマウスがどれだけ長く鼻を突くのを続けたか、言い換えれば、彼らがどれだけ患者であったかを測定しました。

研究者が側坐核に到達したセロトニン放出神経線維を刺激したとき、彼らは待ち時間の増加を発見しませんでした。

これは、脳のこの領域のセロトニンが忍耐を調節する役割を持たないことを示唆しています。

しかし、科学者がマウスが鼻を突っ込んでいる間に眼窩前頭皮質と内側前頭前野でセロトニン放出を刺激したとき、彼らはマウスがより長く待つことを発見しましたが、いくつかの決定的な違いがありました。

眼窩前頭皮質では、セロトニンの放出は、背側縫線核でのセロトニン活性化と同じくらい効果的に忍耐を促進しました。

報酬のタイミングが固定されている場合と報酬のタイミングが不確実な場合の両方で、後者の方が効果が強かったのです。

しかし、内側前頭前野では、科学者は報酬のタイミングを変えたときに忍耐力の増加を見ただけで、タイミングを固定したときに効果は観察されませんでした。

宮崎博士は説明します。

「脳の各領域がセロトニンにどのように反応するかに見られる違いは、各脳領域が別々の方法でマウスの全体的な待機行動に寄与することを示唆している。」

これをさらに調査するために、科学者はマウスの待機行動を説明するための計算モデルを構築しました。

このモデルは、マウスが報酬の配信のタイミングの内部モデルを持っていることを前提としており、報酬が配信される確率を推定し続けます。

したがって、彼らは時間の経過とともに、彼らが報酬または非報酬の裁判にあるかどうかを判断し、待ち続けるかどうかを決定することができます。

このモデルはまた、眼窩前頭皮質と内側前頭前野が報酬タイミングの異なる内部モデルを使用し、後者はタイミングの変動に対してより敏感であり、報酬確率を個別に計算することを前提としています。

研究者らは、セロトニン刺激下で期待される報酬確率を75%から94%に増やすことにより、モデルが待機時間の実験データに最もよく適合することを発見しました。

もっと簡単に言えば、セロトニンは彼らが報酬試験にあるというマウスの信念を高めたので、彼らはより長く待ちました。

重要なことに、モデルは、背側縫線核の刺激が眼窩前頭皮質と内側前頭前野の両方で確率を75%から94%に増加させたのに対し、脳領域の刺激はその特定の領域でのみ確率を増加させたことを示しました。

宮崎博士は説明します。

「これにより、これら2つの脳領域が互いに独立して報酬の確率を計算し、これらの独立した計算を組み合わせて、最終的にマウスが待機する時間を決定するという考えが確認されました。この種の補完システムにより、動物は変化する環境に対してより柔軟に行動することができます。」

最終的に、脳のさまざまな領域がセロトニンによって多かれ少なかれ影響を受ける方法についての知識を増やすことは、将来の医薬品開発に重大な影響を与える可能性があります。

たとえば、選択的セロトニン再取り込み阻害薬(SSRI)は、脳内のセロトニンレベルを高める薬であり、うつ病の治療に使用されます。

宮崎博士は説明しました。

「これは、マウスのうつ病モデルを使用して、将来的に探求したい分野です。特定の遺伝的または環境的条件下で、これらの特定された脳領域の一部が機能を変化させていることがわかる場合があります。これらの領域を特定することにより、脳全体ではなく、脳の特定の領域に作用するより的を絞った治療を提供する道が開かれる可能性があります。 」

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