Overview
ソース: ジョナス ・ t. カプラン サラ I. ギンベル所-南カリフォルニア大学
脳組織の 1 つの原則は、情報の地形のマッピングです。感覚と運動野を中心に脳の隣接領域を脳の表面に表される体のマップで得られた体の隣接する部分から情報を表現する傾向があります。脳の感覚と運動のプライマリ マップ中央の溝として知られている顕著な溝を囲みます。中心溝皮質は中心前回として知られているし、一次運動野には皮質中心溝の後方、側頭葉として知られている、一次感覚野 (図 1) が含まれていますが含まれています。
図 1: 中心溝の周りの感覚と運動のマップ。体のエフェクタのモーター地図が含まれています、一次運動皮質は前頭葉の中心前回で、中心溝です。体の外部の部分からタッチ、痛み、温度情報を受け取ると、一次体性感覚野 (感覚の) 野は頭頂葉の側頭葉に中心溝の後方にあります。
この実験では、脳機能イメージングを使用して、前回のモーター地図をデモンストレーションします。このマップと呼ばれますモーターのホムンクルスであるラテン語「小さな男」の 1 つの人の脳のこの部分で表される自己のほとんどのバージョンがあるようです。このマップの 1 つの興味深いプロパティは、皮質領域よりは、手と口は、皮質におけるこれらの肢の不均衡な表現の結果などの細かい制御を必要とする体の部分に専念です。また、モーター システムの解剖学のため体の右側をコントロールする神経細胞が、左の一次運動野です。したがって、実験の参加者は、自分の右手や足を移動するように求めている、自分の左の前回の増加活性化が期待されます。
この実験では、参加者は、脳の活動を fMRI で測定しながら交互に手と左と右の側面の足を移動する求められます。FMRI の信号が参加者の運動期間、動きと比較して低速である血液酸素濃度の変化に依存しているためには互いから、安静時のベースラインから、様々 な条件を識別できるように静けさの期間を区切られます。動きの正確なタイミングを達成するために参加者は開始および各動作を視覚を終了するときに指示されます。このビデオ内のメソッドは、一次運動野の somatotopy を示しているいくつかの fMRI の研究で使用されるものに似ています。1, 2
Procedure
1. 20 人の参加者を募集します。
- 参加者に神経学的または精神的な障害の歴史がないことを確認します。
- 参加者はすべて右利き利き手アンケートを使用してを確認します。
- 参加者は視覚的な合図を正しく見ることができる、ように彼らが正常または正常な視力を修正。
- 参加者は、自分の体でない金属を持っていることを確認します。これ高磁場 fMRI の関与のための重要な安全要件です。
- FMRI は、スキャナーの小さなスペースで横になっている穴を必要とするので、参加者が閉所恐怖症に苦しんではありませんを確認します。
2. 事前スキャン手順
- スキャン前書類を記入します。
- 参加者は、fMRI スキャンのために来るとき、それら最初彼らは MRI、放射線科医とリスクと研究の利点について詳述した同意書で見られる彼らのスキャンのために同意を与える偶発的所見フォーム、カウンター表示がない確認する金属スクリーン フォーム記入があります。
- スキャナーに行くための準備 (ベルト、財布、携帯電話、ヘアー クリップ、コイン、すべての宝石を含む) 自分の体からすべての金属を削除しました。
3 参加者の指示を提供します。
- 彼らは画面に手を参照してください、彼らは、視覚的な手掛かりが消えるまで手を移動を開始するを参加者に伝えます。順序と逆の順序でこれを繰り返しの同じ手の各指に親指に触れる手の動きを含む参加者に通知します。キューは、画面の左側に表示されたら、彼ら彼らの左手を移動する、キューは、画面の右側に表示されたら、手を右に移動します。
- 彼らは画面上の足を参照してください、彼らは自分の足を移動を開始し、視覚的な手掛かりが消えるまでそうし続ける、参加者に伝えます。足の動きを繰り返し、足を押すと含むの架空のペダルを踏むかのように、その参加者に通知します。キューは、画面の左側に表示されたら、彼らの左の足に移動する、キューは、画面の右側に表示されたら、自分の右の足を移動します。
- 参加者を自分の手や足を移動している間にも、まだ、自分の頭を維持の重要性を強調します。
4. スキャナーに参加者をガイドします。
- (スキャナーの騒音から耳を守る) に参加者の耳栓やイヤホン (スキャン中に実験者を聞くことができますので、着用) を与えるし、コイルで自分の頭をベッドに横になることがあります。
- 参加者緊急スクイズ ボールを与えるし、スキャン中に緊急の場合それを圧迫するように指示します。
- スキャン中に過剰な運動を避けるために、最小の動きもぼかし画像のまままだ可能な限り、スキャン中に非常に重要である参加者を思い出させる泡パッドとコイルで参加者の頭を保護します。
5. データの収集
- 高解像度の解剖学的なスキャンを収集します。
- 機能をスキャンを開始します。
- スキャナーの開始と刺激提示の開始を同期します。
- プロジェクターに接続されているラップトップを介して視覚的な手掛かりを提示します。参加者は、スキャナーの後ろにある画面の穴を反映して彼らの目の上にミラーが必要です。
- 12 の各視覚的な手掛かりを提示 12 続いて s 基準の休息の s。左手、右手、左足、右足を交互。
- 6.5 分の合計のための各の条件の 4 つの繰り返しを繰り返します。
6. スキャン後の手順
- スキャナーから参加者をもたらします。
- 参加者の感想を聞きます。
- 参加者に支払います。
7. データ解析
- データの前処理を行います。
- 動きの人工物を減らすために動き補正を実行します。
- 信号ドリフトを削除する時間フィルタ リングを実行します。
- 信号対雑音比を増加するデータを滑らかに。
- 各参加者のデータをモデルします。
- 血行動態の予期された応答の各タスクの状態のモデルを作成します。
- 各ボクセルの値が、タスク条件に関与していたそのボクセルする程度を表す統計マップの結果、このモデルにデータをフィットします。
- 参加者間でデータを結合するために標準的なアトラスを参加者の脳を登録します。
- 科目グループ レベルのデータの解析のための統計地図を組み合わせてください。
モーター情報は、一次運動皮質は、脳で地形図を作成する格言に従って構成されます。
前回に位置する、体の皮質表現モーター ホムンクルスに編成されています、「小さな男」-つま先を制御する領域は内側の壁にある、舌は外側溝の近くにあるように、逆の方法で配置されます。
手とその関連付けられている数字などの細かい自主的なモータ制御を必要とする体の部分がこのような精密な操作を必要としない解剖学的特徴と比較して皮質の大きい表現を持つまた、-股関節のように。
ホムンクルスはまた偏側、左の一次運動野のニューロン-ここに示す-体の右側の制御とその逆。従って、個人が自分の右股関節から離すと、離散領域内の左の前回の増加皮質の活性化があります。
このビデオの詳細を収集し、参加者が自分の手や足を移動するとき、脳の活動を分析する方法を含むヒト一次運動野の体にマップされた組織を示すモダンな脳機能イメージングを使用する実験。
この実験では、脳の活動を用いて機能的磁気共鳴イメージング、参加者が別体パーツを移動するキューに繰り返しながら fMRI、略して-ように彼らの左または右の手の数字。
この手法は大胆と呼ばれる血液の酸素レベルの変化に依存している-血液の酸素化レベル依存-応答。メソッドの背後にある原理の詳細な見て、ゼウスの SciEd Essentials の神経科学のコレクションに、別のビデオを参照してくださいfMRI: 機能磁気共鳴イメージ投射。
左の足などの身体の部分は前後、酸素の脳血流を曲るとき紹介したコンテキストで-脳の動脈によって供給-一次運動野のようにこの運動中は、神経領域の増加。
ただし、この血行力学的応答が保証操作を残りの期間で区切られる実際の物理モーションよりもっとゆっくり起こる。
したがって、それぞれの体の動きの正確に互いの 4 つの条件を区別するタイミング: 左手、左足、右手、右足。
たとえば、fMRI のマシンに参加者はプレゼンテーション画面の左側に表示されると 1 つに彼らの左手を身振りで示すことを開始する求められます。
必要な手の動きは実際に複雑で、ポインターが上から順に、それぞれの指に親指に触れることです。その後、参加者は、小指から始まる反対の方向でこれらの操作を繰り返す必要があります。
動きが止まるキュー-左手の画像は、このインスタンスで — が画面から消えます。
同様に、彼らは右の足を参照してください、繰り返し、イメージが見えなくなるまでそれを押し下げて、その右足を移動が指示されます。
ここでは、依存変数は手や足、脳の特定の領域にローカライズできるようにしてから運動後大胆な応答の強度です。
左手の動き、脳の活性化主に前回の右背側表面に予定です。対照的に、右手の動きを左背側表面に脳の活性化が見込まれています。これらの結果は、偏側モーター ホムンクルスに合わせます。
実験、右利き、参加者は募集前に通常または修正する通常のビジョンを持っている、持っていない任意の金属製インプラント自分の体か実験的制御と安全性への懸念のため閉所恐怖症に苦しみます。
それらを偶発的所見だけでなく、リスクと研究の利点について詳述した場合その画像見て放射線科医の同意など、セッション中に健康と安全性の問題に関連する質問を含むスキャン前の書類事務に記入があります。
自分の体からも金属のすべてのオブジェクトを削除する参加者を求める-時計、携帯電話、財布、キー、ベルトおよび硬貨を含む-スキャンの部屋に入るために準備します。
次に、タスクのルールを説明する: 彼らは移動する必要があります付属 — この場合は自分の足-画面の対応する側に視覚的な手掛かりとして表示されます。必要があります移動方法自分の足を押すことで架空のペダルを押す場合と同様を示します。
手のキューが表示されるとき彼らは順序の同じ手の各指に親指に触れるし、逆にこの手順を繰り返します。
今、画像の部屋に参加者をもたらします。セッション中に任意の追加の通信を聞くことが、大きな音とイヤホンから耳を保護するために耳栓を提供します。それらコイルで自分の頭をベッドに横になると、過剰な運動を避けるために、スキャン中にぼかし泡パッドの保護があります。
参加者の目、上記スキャナーの後ろにある画面の穴を映す鏡を配置します。緊急の場合使用するスクイーズ ボールをあげて。またまだ可能な限りの全体の時間として滞在する非常に重要であるそれらに思い出させます。
マシン内の参加者を導いた後まず解剖学的、高解像度の画像を収集します。機能の一部を開始するには、スキャナーの開始に刺激提示を同期します。
現在、12 の各プロジェクターに接続されているラップトップを介して視覚的な手掛かり 12 続いて s ベースラインを休んでの s。交互に 4 つの条件: 左手、右手、左足、右足、6.5 分以内各 4 回を繰り返します。
スキャンが完了すると、部屋を出て、参加者を直接します。それらを報告し、研究に参加するための補償を提供します。
分析の最初のステップとして信号ドリフトを削除するフィルタ リング時空信号対雑音比を増加する平滑化の成果物を減らすために動き補正を実行することによって、データを前処理します。
これらのデータを使用して、タスク条件ごとに予想される血行力学的応答のモデルを作成します。その後、統計マップ内の各科目の結果このモデルにデータをフィットどこボクセル値 — ボリュームの 3 D のピクセル-タスク条件に関与していたそのボクセルにエクステントを表します。
各参加者の間でデータを結合するために標準的なアトラスを参加者の脳を登録します。その後、グループ レベル分析の参加者間ですべての統計地図を組み合わせます。血流の変化が脳の表面に別の色で表現されているに注意してください。
青に示すように、右の手の動きは、右外側面に最大活性化を生産従事左手、緑色で表されるに対し、前回の左外側面に最大活性化を作り出した。
また、屈曲、水色で示された右の足生産黄色で、左の足の動きの最大活性化しながら、左の内側表面の活性化、右内側の表面にあった。
モーター アクションをモーターのホムンクルスを支える両方の半球の運動野の不連続な領域に限定できることが示唆されました。
一次運動皮質の組織を観察する fMRI 実験の実行に精通している、脳損傷、以降は義肢の添付ファイルの動きを管理する方法を見てみましょう。
左前回、脳卒中などへの損傷は、体の右側に移動の難しさにつながります。
影響を受ける特定の部分が損傷の程度に依存してこのビデオで学習したように: 障害は小さく、単一の指に影響を与える可能性がありますまたはすべての数字と腕全体に影響を与えるのに十分な大きさ。
表現に見える簡単、一次運動野は働かないだけで、選択、計画、および動きの調整に関与している領域の広いネットワーク内のセグメントだけであります。したがって、損傷をローカライズできません簡単です。
切断者の下肢運動機能を向上させるための 1 つの潜在的な治療アプローチには、脳-コンピューターのインターフェイスが含まれます。この方法を技術的に高度なが、筋電図学的に基づいてまたは筋電位信号を-運動ニューロンと筋肉の間の電気通信。
研究者よりシームレスに動作を制御するモーター、立っている、または傾斜路の上の散歩のような上肢装具と筋電図の記録を統合する方法を開発しています。
ゼウスのモーター マップ入門を見てきただけ。今設計および fMRI 実験を実施する方法と最終的に分析し、脳の活性化の結果を解釈する方法のよい理解が必要です。
見てくれてありがとう!
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Results
この実験では、研究者は、参加者が自分の手や足を移動しながら、fMRI を用いた脳活動を測定しました。血流の変化の統計的分析は、標準的なアトラス脳の表面に異なる色で表されます。色は、最高の時間コースが一致する特定の条件のための予測時間コース、ボクセルを識別します。
結果は、(図 2) の別の手足の動きに結びつける内の異なる活性化巣を示します。右手の動きは、左手の動きを生産最大活性化右外側面 (緑) で回 (青) の左外側面に最大活性化を生産しました。参加者は、自分の足を移動するとき、前回が脳の内側表面に周囲拡張活性化に最大だった。右サイドの足の動きは、右内側面 (黄色) の左の足の動きの最大活性化中左内側面 (水色) の活性化を生産しました。
図 2: 脳の参加者間で手と足の動きに起因のアクティブ化。青 =; 右手の動きグリーン左の手の動きを =シアン = 右の足の動き黄色 = 左の足の動き。
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Applications and Summary
これらの結果は、シミュレーション、または人間の一次運動野の体マップの組織を示しています。このマッピングの動きに影響を与える脳の損傷に影響しています。たとえば、左中心前回の損傷は、体の右側に移動の難しさにつながる、影響を受ける一次運動皮質の特定の部分は、体の特定の部分を制御するに問題につながる可能性があります。しかし、それも一次運動野は運動の制御に関与する多くの脳領域の 1 つだけであることに注意する重要です。前回は、選択、計画、および動きの調整に参加している脳の領域の広いネットワークの一部です。
運動皮質のエフェクター固有の活動を測定する機能はまた義肢の制御を許可するよう、脳-コンピューターのインターフェイスの可能性につながります。たとえば、一次運動皮質のニューロンの直接録音を使用して、研究者が示したサルが自分自身を養うために義肢を制御できます。3
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References
- Lotze, M., et al. fMRI evaluation of somatotopic representation in human primary motor cortex. Neuroimage 11, 473-481 (2000).
- Rao, S.M., et al. Somatotopic mapping of the human primary motor cortex with functional magnetic resonance imaging. Neurology 45, 919-924 (1995).
- Velliste, M., Perel, S., Spalding, M.C., Whitford, A.S. & Schwartz, A.B. Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding. Nature 453, 1098-1101 (2008).
