ドーパミンとブレインコンピューターのインターフェース (BCI_LDOPA)

本研究プロジェクトの目的は、健康な高齢者のBCIパフォーマンスに対するドーパミン作動性調節の影響を評価し、根底にある神経生理学的メカニズムを理解することです。 視点は、脳卒中後の運動回復を改善するためにこのアプローチを適用することにあります。

脳卒中は運動機能障害の最も一般的な原因の 1 つであり、高齢化により有病率は増加すると予想されています。 脳卒中生存者は、急性期にある程度の運動機能の自然回復を経験することが多く、機能的プラトーに達し、その後の回復は一般に遅いか停滞します。 興味深いことに、ブレイン コンピューター インターフェイス (BCI) ベースの治療がこのプラトーを超えて回復を誘導できることを示す新たな証拠が得られています。

薬理学的 MRI (phMRI) は、脳機能に対する物質の影響を研究するための新しく有望な方法であり、最終的には薬物作用の背後にある神経生物学的メカニズムを解明するために使用できます。 ほとんどの画像法と同様に、これは、全体的なニューロン接続に関して非侵襲的な方法で、脳障害および関連する神経伝達物質経路の機能の研究における進歩を表します。

さらに、臨床研究への変換に理想的なツールを提供します。 MRI は、PET や SPECT に比べて分子イメージング戦略においてはまだ遅れていますが、空間分解能が高く、造影剤や放射性標識分子の注入が不要であるため、電離放射線への繰り返しの曝露を回避できるという利点があります。 機能的 MRI (fMRI) は研究や臨床現場で広く使用されており、通常は精神運動課題と組み合わせて使用​​されます。 phMRI は fMRI を応用したもので、特定の困難な薬物の投与による活性化後の生理学的または病理学的条件下で、ドーパミンなどの特定の神経伝達物質システムの調査を可能にします。

運動プロセスにおける神経伝達物質ドーパミン（DA）の重要性は古くから知られています。 パーキンソン病に苦しむ患者では、大脳基底核のドーパミン欠乏が運動に関連した強い障害を引き起こすことが知られています。

最近の研究では、DA が神経構造を刺激し、それが広範な脳領域に影響を及ぼし、その結果、行動制御のさまざまなプロセス、つまり運動制御の運動プロセスと、知覚分類、報酬、動機、および実行制御の文脈における認知プロセスの両方に寄与していることが示唆されています。 。 このため、DA は「教師信号」とも呼ばれます。

DA が新しい脳卒中リハビリテーション戦略の策定にも効果的である可能性があるという新たな証拠があります。 リハビリテーション戦略が効果的であるためには、背外側前頭前野、一次運動野、線条体、および小脳を接続するネットワークによって解剖学的に媒介される新しい運動記憶が形成される必要があります。 新しい運動記憶は、LTP や LTD などのシナプス可塑性のプロセスによって形成され、刈り取られます。これには、被殻の黒質緻密部と線条体中棘ニューロンの間のドーパミン作動性シグナル伝達が必要です。 大脳基底核の運動ループ内では、D1R へのドーパミン作動性結合は望ましい動きを促進しますが、D2R への結合は望ましくない動きを抑制します。

ドーパミン作動性システムは、大脳基底核内の運動駆動における役割に加えて、知覚情報と行動関連情報の調整である視覚運動統合も強化します。 受容体レベルでは、D1R は適切な視覚運動統合にとって重要です。 このシステムは、視覚化された環境情報を体の位置に関連付けることにより、最適な動作計画と修正を可能にするために重要です。 したがって、ドーパミン作動性療法を通じて運動駆動と視覚運動統合の調整を強化すると、脳卒中後の回復が促進される可能性があります。

中枢神経系の神経伝達物質（ドーパミン、ノルアドレナリン、セロトニン、アセチルコリン）の利用可能性を高める薬剤は、神経可塑性を促進する効果を発揮することが示されています。 これを念頭に置いて、研究者らはアンフェタミン、選択的セロトニン再取り込み阻害剤、ドネペジル、メチルフェニデートなどの精神刺激薬、およびドーパミン作動薬が脳卒中後の運動回復に及ぼす影響を研究してきた。 前述の薬剤のうち、レボドパだけがヒト被験者における LTP 様可塑性、練習依存性可塑性、および脳卒中後の運動回復の誘導を促進することが示されています。 さらに、レボドパには安全な副作用プロファイルがあり、規制物質ではありません。

レボドパの最も一般的な副作用はジスキネジアで、次に吐き気、幻覚、めまいが続きます。 また、パーキンソン病患者においては、レボドパ誘発性ジスキネジアのリスクがある程度あります。 ただし、これらの重篤な副作用は、通常、薬物を長期間（つまり、何年も）摂取した後に発生します。 さらに、脳卒中など他の疾患を患う患者のリスクははるかに低いと推定されています。 実際、レボドパは脳卒中生存者の運動回復に焦点を当てた数多くの研究で使用されており、ジスキネジアやその他の軽微または重大な副作用の報告はありません。 「文献」は、大脳基底核損傷やパーキンソン病を合併しない限り、脳卒中生存者をレボドパで治療してもレボドパ誘発性ジスキネジアを引き起こす可能性は低いと結論付けている。

BCI の機能の基礎は、特定の精神状態に関連する一貫した脳活性化パターンを訓練するために、被験者から直接記録された神経活動をリアルタイムのフィードバックに変換することです。 神経活動は、侵襲的 (ECoG/iEEG) または非侵襲的 (EEG、MEG、リアルタイム fMRI、または NIRS) 方法を通じて検出できます。 大多数の研究では、EEG ベースの非侵襲的 BCI が導入されています。これは、比較的簡単かつ迅速に操作でき、優れた時間的および空間的特性を備えているため、持続的な運動障害を持つ脳卒中生存者の機能的向上を引き出すために安全かつ効果的に使用でき、従来の治療法を使用して個人が機能的プラトーに達した後でも、同時治療または関連治療の有効性を高めることができます。

現在、運動機能の回復を目的とした BCI の大部分は、運動イメージ (MI) に基づいています。 このようなシステムは、実際の動きに依存するのではなく、動きを想像する精神的なプロセスを使用します。 その主な理由は、MIが実際の動きと同じ脳領域の活性化につながるためです。 フィードバックのない運動イメージで生じる問題は、活動の制御の欠如とモチベーションの欠如です。 BCIを利用することで、運動イメージをリアルタイムに計測することができ、被験者へのリアルタイムフィードバックが可能となります。 さらに、BCI デバイスと MI トリガー機能的電気刺激 (FES) を組み合わせることで、皮質活性化、末梢活性化、および感覚フィードバックの再同期が可能になります。 これに加えて、いくつかの研究では、即時の視覚的フィードバックのために仮想現実を含めることを主張しています。 仮想現実ベースの行動観察と FES フィードバックを組み合わせると、被験者がリアルタイムの画面上のアバターと対話するため、運動機能の改善が促進される可能性があります。 したがって、回路を閉じることが可能です。運動イメージがシステムによって検出され、FES が対象の筋肉に適用されて、参加者が動作を実行できるように支援します。 同時にアバターも全く同じ動きを（FESと同期して）行い、参加者の画面にリアルタイムで表示されます。 したがって、治療の成功に貢献する身体運動を行うことに加えて、感覚皮質の領域も求心性神経インパルスを介して運動イメージと同期して活性化されます。 これは、繰り返し刺激されるニューロンが共通の接続を形成するというヘブ可塑性の刺激につながります。 これにより、使用に応じた可塑性が誘導され、機能回復が促進されると考えられています。 このような相補的な技術による中枢と末梢の結合の強化は、使用に依存した可塑性の誘発によって運動機能の回復を促進し、脳卒中後の機能回復を促進する可能性があります。

BCI ベースのリハビリテーション療法を受けている脳卒中患者では、脳の活性化と機能的接続 (FC) に変化が見られるという証拠があります。 これらは、下頭頂葉と補足運動野 (SMA) の間、および前帯状皮質と SMA の間の FC の増加を引き起こす可能性があり、Fugl-Meyer スコアの増加と正の相関があります。 さらに、同側視床と対側帯状皮質、対側側中心傍小葉、および両側楔前部との間でFCの増加が観察された。