運動直後0.1秒以内に脳の運動野を電気刺激すると"照準"を変えられる - 阪大

大阪大学(阪大)はこのほど、手を伸ばす運動の「照準」を合わせる脳の仕組みを解明したと発表した。

同成果は、大阪大学大学院生命機能研究科ダイナミックブレインネットワーク研究室北澤茂教授、情報通信研究機構脳情報通信融合研究センター井上雅仁研究員らの研究グループによるもので、5月11日付けの米国科学誌「Neuron」オンライン版に掲載された。

我々が運動を繰り返すことで上達するのは、運動の「間違い」を減らすように脳が「学習」するためである。この間違いを減らす学習には、大脳の下後方にある小脳が重要であることが知られており、小脳に運動の間違いを知らせる信号が届いていることがこれまでにわかっていたが、間違いの信号がどこから来るのかは不明となっていた。

同研究グループは今回、1990年ごろの学説をもとに、大脳皮質の「運動野」が運動の間違いを直そうとして発する信号が、学習に用いられる間違いの信号であると予想し、まず、サルに目の前に現れる十字の目標に向かって手を伸ばさせる実験を行った。この際、コンピュータ制御したプリズム装置を使って、ランダムな方向に視野をずらすことで、目標が見える場所に手を伸ばしても、右や左に少しずれて手が到着するようにした。

この運動前後の運動野のニューロンの活動を記録して調べたところ、一次運動野および運動前野で、運動を間違えた方向に応じた活動が、運動の直後に生じていることが明らかになった。また、あるニューロンは左にずれたときによく活動して、別のニューロンは右下にずれたときによく活動するといったように、各ニューロンには誤差の守備範囲があり、全体として360度すべての方向の誤差に対応できるようになっていたという。

さらに、同研究グループは、これらのニューロンに微小な電気刺激を運動直後に与えることで、これらの信号が学習に用いられているかどうかを確かめた。たとえば、もし右上にずれたことを知らせるニューロンが運動の修正に関わっているならば、同ニューロンが活動した後は、運動の照準が少しだけ左下に修正されるはずだが、結果はこの予想のとおりになったという。また、これを30試行繰り返すと誤差が累積するが、刺激をやめると誤差は試行ごとに少しずつ減って、30回ぐらいかけてもとに戻ることもわかっている。なお、刺激のタイミングを0.1秒遅らせると、電気刺激の効果は生じない。

北澤教授は今回の成果について、「たとえばゴルフの際に、脳に刺激を与えることで打点を適切な位置に修正するといったような運動機能を補助するための技術への応用が考えられます。また小脳に障害がある方の運動をサポートできる技術につながる可能性もあります」と話している。

運動野が誤差を検出して照準調整の指令を発している	右上に間違えたことを知らせるニューロンの電気刺激で生じた左下への照準の変化を示した図。運動終了直後に200ms間の電気刺激を繰り返すと、平均0だった誤差が左下(Y軸の負方向)に徐々に増加(31試行目から60試行)。電気刺激を切ると誤差は徐々に減少する(61から90試行)