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Vol.634. 感覚系の可塑性に影響を与える神経メカニズムについて -注意、動機付け、睡眠-

 

 

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カテゴリー

 

神経系、感覚

 

タイトル

●感覚系の可塑性に影響を与える神経メカニズムについて

 

●原著はSet and setting: how behavioral state regulates sensory function and plasticityこちら

 

なぜこの論文を読もうと思ったのか?

 

●感覚系に問題を抱える患者に関わることが多く、感覚系の基礎を再度復習したいと思ったため。

 

内 容

 

はじめに

 

●このレビューは①注意 ②モチベーション(動機付け)および③睡眠と覚醒の状態が感覚機能に影響を与える神経メカニズムの説明に焦点を当てています。これらの状態は、入力される感覚情報がどのように受け取られるか(つまりニューロンが感覚入力にどのように反応するか)と、感覚入力を変えることによってニューロンの反応が時間とともにどのように変化するか(つまり、感覚可塑性)の両方に影響します。

 

感覚と注意機能 -注意機能と視覚システム-

 

図引用元:Set and setting: how behavioral state regulates sensory function and plasticity

 

●視覚系情報処理の初期段階における注意機能の影響は、精神物理学、脳機能イメージングおよび単一ニューロン記録を使用して研究されており、刺激検出、応答選択性および応答の大きさのレベルで説明されています。

 

●様々な視覚弁別タスク(向き、コントラスト、色、テクスチャ、またはオブジェクト)中に弁別閾値は視覚空間の有人領域に提示される視覚刺激に対して特に減少し、無人領域に提示される視覚刺激に対して増加します。

 

●同様にタスク実行中のBOLD fMRI信号は、刺激が有人領域に提示されると視覚野の対応する網膜領域で特に増加し、無人領域に提示されると減少します。

 

●注意はまた視床の外側膝状核内の視覚刺激に対するfMRI応答を調節し、さらに早い段階での視覚処理への影響を示唆している。

 

●皮質処理の最も初期のレベル(一次視覚野、V1)では、注意は受容野内に提示された視覚刺激に対する単純細胞の発火率応答を強化します。同様の発火の増加は、参加した受容野刺激に応答して、V4などのより高次の視覚野領域で(すなわち視覚処理の後段階で)見られました。ただし、重要なことに、すべてのニューロン応答が注意によって均一な影響を受けるわけではありません。具体的には、注意はV1またはV4の介在ニューロンの受容野内に提示された刺激の発火率応答を強化し、V1またはV4の興奮性ニューロンの受容野外に提示された刺激の発火率応答を具体的に減少させます。

 

感覚とモチベーション・強化

 

図引用元:Set and setting: how behavioral state regulates sensory function and plasticity

 

●行動強化の根底にある神経メカニズムは動機づけに関して何十年も研究されてきましたが、最近になってようやくこれらのメカニズムが感覚処理と可塑性に関して研究されました。

 

●最近の調査結果は、やりがいのある行動フィードバックと罰する行動フィードバックの両方が感覚プロセスに影響を与える可能性があることを示唆しています。ドーパミン、ノルエピネフリンおよびアセチルコリンの放出における報酬または罰に関連する変化が入ってくる感覚情報が最初に受け取られる方法に大きな影響を及ぼし、感覚回路の長期的な可塑性変化を引き起こす可能性があることを示しています。

 

●人間の被験者の精神物理学的研究は、視覚弁別課題(例えば方向弁別)のパフォーマンスに関連する報酬構造が弁別閾値に影響を及ぼし、より大きな報酬(当然のことながら)がパフォーマンスの改善につながることを示しました。

 

●最近の2つの研究では、V1での報酬期待の神経相関を特徴付けようとしています。著者らは高価値の報酬がタスクのパフォーマンスの改善につながることを発見しました。

 

●入手可能な研究データでは、ドーパミン作動性、コリン作動性およびノルアドレナリン作動性ニューロンがすべて、視覚弁別課題遂行中の予測できない報酬に強く反応し、繰り返し報酬を与えられた課題遂行中にはそれほど強く反応しなかった。

 

感覚と睡眠・覚醒

 

図引用元:Set and setting: how behavioral state regulates sensory function and plasticity

 

●睡眠中にいくつかの脳全体の変化が特徴づけられており、感覚の可塑性に重要な役割を果たす可能性があります。

 

●トレーニング後の睡眠後、知覚パフォーマンスの改善は、その後の課題パフォ​​ーマンス中の視覚野のトレーニングされたレチノトピー領域(視覚刺激に応答する神経細胞が持つ空間的な構造)の活性化の増加と関連しています。確かに、トレーニング後の睡眠中に、視覚野のトレーニングされたレチノトピー領域内でfMRI活動の増加が見られます。

 

●最近の多くの研究は被験者にとって、新しく学習した運動課題のパフォーマンスがトレーニング後の睡眠から恩恵を受けることを示しています。ほとんどの場合、これらのタスクは、視覚的手がかり/視覚的フィードバックによって導かれる運動タスクと複雑な運動シーケンス学習の2つのカテゴリのいずれかに分類されます。

 

●トレーニング後の睡眠に起因するパフォーマンスの改善は、「再マッピング」に関連しています。 たとえば、トレーニング直後の睡眠は数日後の連続的な指の動きのタスクの改善につながります。この睡眠依存性の変化は、タスクの実行中の脳の活性化の変化に関連しており、タスクの獲得に関与する領域(すなわち、運動前野と運動野)の活性化が減少し、他の皮質領域の活性化が増加します 。

 

 

私見・明日への臨床アイデア

 

●感覚障害の患者の練習では視覚を用いて練習することは多いと思う。本論文では有人領域にて弁別閾値が減少すると報告しており、周囲環境の変化も影響するか見てみたい。

 

●報酬系を駆動するには予測できるようなものは報酬にはならず、予測を超えていく必要がある。新規性や適宜課題難易度の変更は重要である。

 

執筆監修|金子 唯史 STROKE LAB代表

・国家資格(作業療法士)取得

・順天堂大学医学部附属順天堂医院10年勤務

・海外で3年に渡り徒手研修修了

・医学書院「脳卒中の動作分析」など多数執筆

 

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