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脳が手を制御する仕組み「脳のどの領域が使用されているか」発見

人間が道具を使う時、脳が手を制御する仕組みについて、MRIデータを使って脳のどの領域が使用されているか発見がありました。この発見は、次世代の神経人工装具（脳のコントロールセンターを利用した義肢）の開発に寄与するものです。

Humans have used tools for millions of years, but this research is the first to show that actions such grasping a knife by its handle for cutting are represented by brain areas that also represent images of human hands, our primary ‘tool’ for interacting with the world.

参照元：https://www.uea.ac.uk/news/-/article/uea-team-reads-minds-to-understand-human-tool-use
– イースト・アングリア大学 University of East Anglia. 10th May 2021 –

イースト・アングリア大学の研究者たちは、人間の脳が手を制御する仕組みについて驚くべき発見をしました。

MRIデータを使って、ナイフなどの道具を扱うときに脳のどの部分が使われているかを調べました。

特定の脳領域からの信号を読み取り、参加者が道具を適切に扱っているかどうかを識別しようとしたのです。

人間は何百万年も前から道具を使用してきましたが、今回の研究で、ナイフの柄を握って切るなどの動作が、人間が世界と接する主要な「道具」である手のイメージを表す脳領域によって表現されていることが初めて明らかになりました。

この研究は、次世代の神経人工装具（脳のコントロールセンターを利用した義肢）の開発に道を開き、脳損傷により手足の機能を失った人のリハビリに役立つ可能性があります。

この研究は、UEAが主導し、ノーフォーク＆ノリッチ大学病院で行われました。

UEA心理学部の主任研究員ステファニー・ロシット博士は話します。

「手に持つ道具の出現は、人類と最も近い霊長類との間に大きな隔たりが生じたことを示すものであり、人類を特徴づけるものと考えられます。今回の発見は、ヒトが特異的に進化した脳の領域に光を当てることができるかもしれません。」

「私たちは、道具の画像を見ると、他の種類の物体、例えば椅子を見たときとは異なる脳の領域が活性化されることを知っていました。これまでは、脳がこのように視覚情報を分離して、道具に関連する動作の処理を最適化していると考えられていました。しかし、人間の脳がどのように手を制御して、道具のような3次元の物体を正しく把持しているのかはよくわかっていませんでした。」

「私たちは、人間の脳が、3Dオブジェクトをどのように把持して使用するかを自動的に処理しているかどうかを検証したかったのです。特に、脳の特定の部分からの信号を使って、人が道具を正しく扱っているかどうかを区別できるかどうかを調べたいと思いました。例えば、ナイフを刃ではなく柄の部分で掴んでいるかどうかなどです。」

研究チームは、被験者が3Dオブジェクトを操作する間、MRIスキャナーを使って脳の画像データを収集しました。

Rossit博士は話します。

「スキャナー内のスペースは非常に狭く、被験者はじっとしていなければならないため、この作業は非常に困難でした。そこで、3Dツールやその他のオブジェクトを提示するために、他に類を見ない “リアルアクション “のセットアップを使用しました。参加者は暗闇の中、特注のベッドに横たわり、腰の上に回転テーブルが取り付けられていました。そうすることで、私たちは3Dオブジェクトを見せ、参加者はそれをつかむことができました。私たちは、MRIで安全に使用できるように、非磁性体から3Dプリントされた日常的なキッチンツール（プラスチック製のナイフ、ピザカッター、スプーンなど）と、ツールではないアイテムを表現するために3Dプリントされた棒のグループを設計し、コントロールオブジェクトとして使用しました。」

Rossit博士の博士課程に在籍していたEthan Knights博士は、データ収集をコーディネートし、ノーフォーク・アンド・ノリッチ大学病院で20人のボランティアの脳をスキャンしました。

最初のセッションでは、特注の “リアルアクション “セットアップを使用して、参加者に3Dツールと3Dバーを正しく、または間違って把握するよう求めました。

2回目のセッションでは、同じ参加者がスキャナーに戻り、単に道具や手の写真を見てもらいました。

同じくUEA心理学部のフレイザー・スミス博士は話します。

「我々は、参加者が道具と手の絵を見たときの脳活動を調査し、脳の手の絵が表現されている脳のどの部分かを特定しました。そして、最先端の機械学習を用いて、人が実際に道具の柄を握っているかどうかを予測できるかどうかを調べました。道具をうまく使うためには、ナイフのような物体を刃でつかまないようにすることが重要なので、これは本当に重要なことです。」

Rossit博士は話します。

「多くの科学者が考えていたのとは対照的に、私たちは、道具の絵を見て反応する視覚野ではなく、手の絵を見て反応する脳野の信号から、道具を正しく把持したかどうかを予測することができました。重要なことは、手の視覚野からの信号は、道具を持つ手の動作の予測にのみ使用でき、対照の3D棒状物体を持つ手の動作は予測できなかったことです。」

「このことは、視覚的な手の領域が、道具を使った動作のために特別に調整されていることを示唆しています。今回の発見は、脳が手を制御する仕組みについての基本的な理解を変えるものであり、健康や社会に重要な影響を与える可能性があります。」

「例えば、脳の損傷によって手足の機能を失った人のために、より良い装置やリハビリテーションの開発に役立つかもしれません。また、手足のない人が頭を使って義肢を操作できるようになる可能性もあります。脳を使ったインターフェースと義肢装具の可能性は非常にエキサイティングです。」

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