自閉症の局所的な神経情報処理特性 局所神経活動の非定型的な神経活動時間スケールを発見

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2019-02-15  理化学研究所

理化学研究所(理研)脳神経科学研究センター高次認知機能動態研究チームの渡部喬光副チームリーダーらの国際共同研究チーム※は、高機能自閉症スペクトラム(ASD)[1]当事者の症状が、脳内の「感覚関連脳領域」や「尾状核[2]」における局所的な神経情報処理特性と関連していることを発見しました。

本研究成果は、ASDの多様な症状の統一的理解の発展に貢献し、将来的にはASDの早期診断・早期介入の手がかりになると期待できます。

ASDは、コミュニケーションの困難さやこだわりの強さなどを特徴とする発達障がい[3]の一つです。これらASDの症状と脳内の情報処理に関わる神経ダイナミクスの関係について、これまで脳全体では研究されていましたが、局所的な脳領域ではほとんど調べられていませんでした。

今回、国際共同研究チームは、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)[4]を用いて、「神経活動の時間スケール[5]」をヒトの脳全体にわたって調べました。その結果、高機能ASD成人当事者の神経時間スケールは、一次体性感覚野[6]や視覚野[7]では定型発達者よりも短く、尾状核では長いことを発見しました。これにより、感覚関連領域では入力情報に対して敏感である一方、認知機能と関係する尾状核では安定した情報統合が行なわれていると推測されます。さらに、この非定型[8]的な神経時間スケールの傾向は、16歳以下の小児発達段階でも一貫していること、症状の重症度および解剖学的非定型性とも関係していることを明らかにしました。

本研究は、オンライン科学雑誌『eLife』(2月5日付け)に掲載され、同誌のオンライン広報誌eLife Science Digestsにも取り上げられました。

図 局所的な神経活動の時間スケールの違い

※国際共同研究チーム

理化学研究所 脳神経科学研究センター 高次認知機能動態研究チーム
副チームリーダー 渡部 喬光(わたなべ たかみつ)

ユニバーシティー・カレッジ・ロンドン
教授 ギャラン・リース(Geraint Rees)

ブリストル大学
上級講師 増田 直紀(ますだ なおき)

※研究支援

本研究は、先進医薬研究振興財団精神薬療分野一般研究助成「自閉症の認知的硬直性を引き起こす神経ダイナミクスの同定(研究代表者:渡部喬光)」、日本学術振興会科学研究費助成事業 科研費研究活動スタート支援「Investigation and intervention of brain dynamics underpinning autistic cognitive rigidity(研究代表者:渡部喬光)」、福原心理教育研究振興基金、Marie-Curie Individual Fellowship、Wellcome Trust、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 CREST「BigData統合利活用のための次世代基盤技術の創出・体系化」(研究統括:喜連川優)の研究課題「複雑データからのディープナレッジ発見と価値化(研究代表者:山西健司)」による支援を受けて行われました。

背景

自閉症(自閉症スペクトラム:ASD)は、コミュニケーションの困難さや、特定のものへのこだわりの強さなどを特徴とする発達障がいの一つです。これらの症状は対症療法によって和らぐ場合もありますが、生涯にわたり現れ続けます。 理論的には、ASDの症状は脳内の「非定型的な情報処理」の結果として現れることが多いと推察されます。脳における複雑な情報処理には、神経活動のダイナミックで精緻な協調が必要なことから、この理論的推察は、「ASDの症状の神経生物学的基盤の一つには非定型的な神経ダイナミクスがある」と言い換えることができます。近年、理研の渡部副チームリーダーらは、大脳全体にわたる神経ダイナミクスが非定型的に安定していることが、高機能ASDの特徴の基盤になっていることを突き止めました注1)。しかし、局所的な神経情報処理のダイナミクスと、ASDの症状との関係については、これまでほとんど調べられていませんでした。

そこで国際共同研究チームは、「神経活動の時間スケール」(以下、神経時間スケール)という指標に注目し、この課題に取り組みました。神経時間スケールは、ある神経領域が神経情報入力をどの程度の時間保持し、処理・統合できるかを示しています。例えば、サルを用いた電気生理学的研究では、時間をかけてさまざまな情報を統合する「前頭葉」では神経時間スケールが長いのに対し、短い時間差の入力を区別して敏感に反応する必要がある「感覚関連領域」では短いことが知られています注2)。この神経情報処理特性は、それが局所のものであるにもかかわらず、全脳レベルの情報処理の階層性の基盤となっていることが知られています注3)

このような知見に基づき、国際共同研究チームは、ASD当事者の中でも言語機能に困難がなく、知能も平均もしくは平均以上のグループ(高機能ASD当事者)に対して、全ての脳領域における神経時間スケールの算出を試みました。

注1)Watanab. and Rees, Brain network dynamics in high-functioning individuals with autism. Nat Commun, 2017. 8. p.16048.
注2)Murray et al., A hierarchy of intrinsic timescales across primate cortex. Nat Neurosci, 2014. 17(12): p.1661.
注3)Honey et al., Slow cortical dynamics and the accumulation of information over long timescales. Neuron, 2012. 76(2): p.423.

研究手法と成果

国際共同研究チームは、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)によって取得したヒト安静時fMRI脳データ(rsfMRIデータ)[9]を解析することで、神経時間スケールを評価することにしました。まず、rsfMRIデータ向けの神経時間スケール算出方法を開発し、rsfMRIと脳波[10]の同時測定データを用いて、その方法が妥当であることを確認しました。 次に、この方法を、①高機能ASDの成人当事者群(25人)と②性別・年齢・知能指数(IQ)などをそろえたコントロール群(26人、発達障がいでない定型発達者)からそれぞれ得られたrsfMRIデータに適用し、比較しました(図1A)。その結果、高機能ASD当事者群では、一次体性感覚野や視覚野などでは神経時間スケールが定型発達者よりも短く、尾状核では長いことが分かりました(図1B)。ここから、高機能ASD当事者の感覚関連領域は入力情報に対して敏感である一方、認知機能と関係する尾状核では安定した情報統合が行なわれていると推測されます。

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