医療従事者・研究者用ノート

線条体へのreal-time neurofeedback

本日は、黒質および腹側被蓋野へのリアルタイムニューロフィードバックによりこれらの領域や他のドーパミン作動性領域の活動を調べた研究を紹介します。

タイトル：Neurofeedback-mediated self-regulation of the dopaminergic midbrain 

著者：Sulzer J, et al.

雑誌：NeuroImage. 2013:83:817-825.

Introduction

中脳の黒質(SN)と腹側被蓋野(VTA)を中心とするドーパミン作動性脳領域は様々な認知、運動、情動機能、意思決定、強化学習、実行、運動技能学習に関与している。

これらの領域の機能障害はパーキンソン病やその関連疾患、様々な精神疾患で認められる。ドーパミン作動性薬物は一時的に有益な効果をもたらすが、長期的な使用は負の副作用をもたらす。そのため、これらの領域の活動を調節するための信頼性の高い非侵襲的な戦略は臨床的および化学的に大きな価値を持つ可能性がある。

SNおよびVTAはヒトの脳で最も高濃度のドーパミン作動性ニューロンを含んでいる¹⁾。この領域の神経活動はドーパミン放出と同一視され²⁾、黒質、中脳辺縁系、中脳皮質系のドーパミン作動性経路の源である。この2つの領域はその機能が非常に類似しているため、一緒にされている³⁾。

バイオフィードバックによる神経活動の内因性調節は侵襲的記録⁴⁾および非侵襲的記録⁵⁾を用いて研究されている。リアルタイム機能的磁気共鳴画像法を用いたニューロフィードバックは脳活動を直接記録する代わりに非侵襲的に脳の深部構造にアクセスすることに特に適している。多くの研究がBOLD信号の変化による特定の脳領域の機能の自己制御を示しており、前帯状皮質、前島皮質、運動前野、大脳辺縁系をオペラント条件付けの手法で調べた。（レビュー^6-8））

本研究では、SN/VTAの内因性アップレギュレーションの実現可能性と、この点に関するニューロフィードバックの有益な効果の可能性を検討した。

Methods

・被験者は24-35歳の健康な男性

・MR対応の心電図と呼吸も測定

・参加者は新しい報酬刺激によって活性化される脳領域を自己制御できるようになることを試みるように指示された。報酬例として、食べ物、恋愛や性的なイメージ、家族や友人との時間、達成感などが挙げられた。また、パイロット研究で恋愛や性的イメージが最も効果的であることが示されている。

・参加者は自分の脳活動を表すスクリーン上の縦に動く球の高さを最大にするように指示され、スキャナの撮影時間と血行動態の影響により思考とフィードバック信号の間に約5秒の遅れが生じることを知らされている。また意識的に動いたり、呼吸数を変えないように指示された。

・SN/VTAを特定するために解剖学的ローカライザーを使用した。SN/VTAの空間的位置は以前の研究に基づき選択した^9,10)。SN の尾側縁は正中線における大脳皮質の頭側縁によって画定された。この領域の頭側境界は、中脳の高さを表す正中線から測定した被蓋突起の頭側境界と一致した。VTAは2つの外側SN構造間の前方接続により決定した。SNとVTAの両方を1つの解剖学的関心領域（ROI）にまとめ、ニューロフィードバック実行中にTBVの機能スキャンと自動的にコアジストレーションを行った（Fig.1）。

参加者は、SN/VTA BOLD信号の視覚的フィードバックを、指示の書かれた垂直に動くボールという形で受けた。被験者は、画面に「Happy Time」と表示されたとき、報酬的な心的イメージを用いて、画面上のスマイルマークのボールの位置をできるだけ高くするよう求められた（Fig.2）。

・ボールの位置と色は、TBVによって抽出されたBOLD信号に比例していた。ボールが上昇するにつれて、ボールの色は赤から黄色へと徐々に変化した。Rest “と表示された場合は、暗算や紙を書くなどの中立的なイメージを行ってもらい、ボールの高さを下げ、色を赤に変化させた。

・ボールの高さを決定するSN/VTA関心領域のBOLD信号は、まず前回のベースライン条件（過去5回）からの信号増加率に基づいて正規化し、ノイズを減らすために3点平均（つまり、今回の値と前回の2回を平均化）した。

・ニューロフィードバック条件において提示される視覚的フィードバックの種類によって、グループを定義した。検証的フィードバック群（15名）では、ボールの上昇と赤から黄色への色の変化は、ROIのBOLD信号に比例した。フィードバックは報酬信号として作用し、SN/VTAを独立して刺激する可能性があるため、フィードバックによるSN/VTAの活性化と心的イメージによる活性化を分離するために、17名の被験者からなる対照群（反転フィードバック）を使用した。この群では、被験者は同じ指示を受け、従って同じイメージでボールを上げることができた。SN/VTAのBOLD信号が増加すると、ボールの高さが下がり、その色は赤になった。逆フィードバックの被験者には、この反比例関係を意識させず、実験後のデブリーフィングで、この関係を意識しないままであることを確認した。このように、両群のパフォーマンスの違いは、ニューロフィードバックによってもたらされた情報によってもたらされたものである。

・各被験者は約2分の休息を挟んで5回のランを行った。各実験は、「休息」（20秒）と「幸福時間」（20秒）を交互に繰り返す9ブロックからなり、合計約6分間であった（Fig. 2）。最初の休息ブロックには、TBVに初期パラメータをロードするのに十分な時間を確保するため、10秒が追加された。

Results

・フィードバックなしのベースライン条件では、被験者が同領域の活動を上昇させることができることがわかった。

・フィードバックがある被験者では、対照群と比較して、SN/VTAの活動を高める能力が向上し、他のドーパミン作動性領域が共活性化し、黒質経路に沿った結合性が向上することが示された。

References

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2. Schultz, W., 1986. Responses of midbrain dopamine neurons to behavioral trigger stimuli in the monkey. J. Neurophysiol. 56, 1439–1461. 
3. Düzel, E., Bunzeck, N., Guitart-Masip, M., Wittmann, B., Schott, B.H., Tobler, P.N., 2009. Functional imaging of the human dopaminergic midbrain. Trends Neurosci. 32, 321–328.
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7. Sitaram, R., Caria, A., Birbaumer, N., 2009. Hemodynamic brain–computer interfaces for communication and rehabilitation. Neural Netw. 22, 1320–1328. 
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10. Düzel, E., Bunzeck, N., Guitart-Masip, M., Wittmann, B., Schott, B.H., Tobler, P.N., 2009. Functional imaging of the human dopaminergic midbrain. Trends Neurosci. 32, 321–328.