カイシンノステミ

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発達障害の脳科学メモ

オランダ・ラドバード大学の発表

オランダ・ラドバード大学などの研究チームが医学誌「Lancet Psychiatry」(電子版)の2017年2月15日に発表した。

4歳から63歳までの男女をターゲットに、ADHDと診断された1713人と健常者1529人を対象に脳の検査を行いました。

被験者全員の脳体積および、ADHDと関連すると考えられる「淡蒼球」「視床」「尾状核」「被殻」「側坐核」「扁桃体」「海馬」という脳の7つの領域をMRIスキャンして調査しています。

調査の結果、ADHD患者は脳全体の体積、特に尾状核・被殻・側坐核・扁桃体・海馬という5つの領域が通常よりも小さくなっていることが明らかになりました。

また、従来の研究では尾状核と被殻の体積がADHDと関係することが明らかになっていましたが、新しく側坐核・扁桃体・海馬の3つもADHDと関係することが判明。

なお、ホーグマン博士たちは

  • 扁桃体は感情調整
  • 側坐核は動機づけや情緒問題
  • 海馬はモチベーションや感情

といった部分でADHDと関連しているのかもしれない、と推測しています。

 

参考ページ

https://gigazine.net/news/20170217-brain-difference-adhd/

尾状核・被殻・側坐核・扁桃体・海馬

線条体「被穀・尾状核」

線条体(せんじょうたい striatum)は、大脳基底核の主要な構成要素のひとつです。

運動機能への関与が最もよく知られています。

また、意思決定(依存や快楽)などその他の神経過程にも関わると考えられています。

線条体が機能低下により対人恐怖症、社会恐怖症に成るケースが多いと言われています。
(例:人前に出ると震えたり、手の平に汗をかいたり、顔の筋肉が硬直したりする)

線条体は、背側線条体と腹側線条体に区分されます。

 

運動系機能を司どる被殻(ひかく putamen)、精神系機能を司る尾状核(びじょうかく caudatenucleus)から構成されていて背側線条体とも呼ばれている。

線条体(被殻と尾状核)は、大脳辺縁系と大脳新皮質からそれぞれ興奮性入力を受けることが知られています。

線条体は

大脳新皮質からの運動にかかわる神経伝達物質(グルタミン酸)を受け作動し

黒質-緻密部(こくしつ-ちみつぶ)から神経伝達物質(ドーパミン)を受け興奮を抑制。

他からは、視床(ししょう)、淡蒼球(たんそうきゅう)外節、視床下核から神経伝達物質の確認が報告されています。

尾状核

尾状核は、主に腹側被蓋野 、 黒質-緻密部からドーパミン神経を受けている。

また、様々な関連する大脳皮質からも入力を受けている。

  • 学習と記憶のフィードバック処理に強く関わっていること
  • 左尾状核は、言語の理解(単語の理解と調音)に視床と共に関係していること
  • 大脳皮質全体の活動を計測し、閾値となる電位を制御を間接的に行っている

と示唆されている。

学習と記憶

歴史的に、大脳基底核は全体で高次運動の調節に関与しているとされてきた[2]。

より最近では、尾状核が学習と記憶[3]、特にフィードバック処理[4]に強く関わっていることが証明されている。

一般的に、尾状核で起きる神経活動は被験者がフィードバックを受け取っている時に発生していることが示されている。

ヒトの恋愛における役割

最近、科学者はヒトが恋に落ちる時の尾状核の機能を発見した。

大学生の被験者グループが自身の最愛の人の写真を呈示された際、尾状核と腹側被蓋野の両方の活動が増加した。

この fMRI 実験はヒトが恋に落ちる時、腹側被蓋野が尾状核をドーパミンであふれさせていることを示唆している [8]。

プロ棋士の直観は、尾状核を通る神経回路に導かれる

ポイント

  • プロ棋士の脳では、盤面を見て楔前部、直観的な次の一手の導出には尾状核が活動
  • プロ棋士の脳では、楔前部と尾状核を結ぶ神経回路が活発化
  • 熟達者固有の直観をとらえ、脳の仕組みの謎を解く新分野を開拓

チェスの盤面に対する記憶能力も調べられました。

短時間見た盤面を再現する能力は、熟達者の方が愛好家よりも格段に優れており、通常知られる短期記憶の容量をはるかに上回っていました。

この現象を認知心理学では、熟達者は数個の駒からなる定型的な駒配置を数多く長期記憶に蓄えていて、これらの駒配置を組み合わせて盤面の短期記憶に利用している、と説明しました。

さらに認知心理学では、この熟達者の優れた直観能力と短期記憶を関連づけました。

つまり熟達者は、長い訓練と対戦経験によって、定型的な駒配置と最適な次の一手を連想記憶でつなげており、駒の配置を見るだけで最善手を導き出すことができる、と考えたのです。

しかし、このような推測が正しいか、また正しいとしてもその心理過程がどのような脳活動によって引き起こされているかは全く分かっていませんでした。

将棋のプロ棋士たちも、次の一手は「直観的に」頭の中に浮かんできて、残りの持ち時間は、この直観的に浮かんだ指し手の他に良い指し手がないかを確認したり、心理的な駆け引きのために費やす、というコメントを繰り返し述べています。

そこで研究グループは、プロ棋士たちが戦局を素早く理解して、最適な次の一手を直観的に思いつく神経基盤を明らかにすることを目指しました。

将棋の盤面を見たときに活動する脳領域(盤面知覚課題)

プロ棋士11名(4段~7段)と高段位アマチュア棋士8名(3段~5段)、中段位アマチュア棋士9名(2級~1段)の3グループの協力を得て実験を行いました。

MRI装置の中に被験者が入り、さまざまなカテゴリーの写真(図1A)を見る課題(盤面知覚課題)を行ってもらったところ、プロ棋士だけ、頭頂葉の後部内側にある楔前部(けつぜんぶ)と呼ぶ領域で、実戦的な将棋の盤面(序盤と終盤)に特異的な活動を見いだしました(図2)。

この楔前部領域は、将棋の駒をランダムに配置した盤面やチェス、中国将棋の盤面を見たときの活動は低かったことから、実戦盤面での定型的な駒組に特異的に反応すると考えられます。

次の一手を直観的に導き出すときに活動する脳領域(直観的思考課題)

盤面を知覚した後、次の一手を直観的に選択するときに活動する脳の領域を探すため、プロ棋士17名(4段~9段)と高段位アマチュア棋士17名(2段~4段)の2グループの協力を得て、MRI装置内で詰め将棋の問題(または必至問題)を解いてもらいました(直観的思考課題)。

その際、被験者に最適な次の一手をじっくりと探してもらうのではなく、直観的に選択してもらうため、問題の提示時間を短く(1秒)し、回答を2秒以内に4択から選ぶという工夫を行いました(図3A上)。

課題遂行中のプロ棋士では、大脳皮質のいくつかの領域と、大脳基底核にあるオタマジャクシの形をした尾状核の頭の部分(尾状核頭部)で活動がありました(図4上)。

しかし、次の一手を考える必要がないコントロール課題(図3A下)では、大脳皮質の領域で活動があるものの尾状核では活動がありませんでした。

そこで、直観的思考課題に特異的な活動を探すため、直観的思考課題中の脳活動からコントロール課題中の脳活動を差し引いたところ、尾状核の活動だけを見いだすことができました(図4中)。

また、じっくり考えて次の一手を選択する長考課題(図3B)では、大脳皮質の活動だけがあり、尾状核の活動はありませんでした(図4下)。

一方、アマチュア棋士では、直観的思考課題と長考課題で共通して大脳皮質の活動だけがあり、尾状核の活動は現れませんでした(図5)。

www.riken.jp

被殻

被殻は、強化学習に役割を持っていると見られている。

大脳皮質の運動野と体性感覚野から神経伝達物質(グルタミン酸)を受け、視床の髄板内核、黒質からも神経伝達物質の入力が存在する。

被殻からは淡蒼球と視床を介して、大脳皮質の運動前野と補足運動野への入力も存在。

強化学習

強化学習(きょうかがくしゅう、英: Reinforcement learning)とは、ある環境内におけるエージェントが、現在の状態を観測し、取るべき行動を決定する問題を扱う機械学習の一種。

エージェントは行動を選択することで環境から報酬を得る。

※エージェント(本人から委任あるいは授権された代理権限の範囲内で、本人に代わって取引、契約など法律行為をなす者)

強化学習は一連の行動を通じて報酬が最も多く得られるような方策(policy)を学習する。

代表的な手法としてTD学習やQ学習が知られている。

生物としての強化学習

ヒトを含む高等生物は強化学習を行っていると思われる。

神経科学においては、Schultzらが、黒質緻密部のドーパミン作動性ニューロンから電気記録をとり、その位相性の発火が報酬予測誤差信号をコードしていることを示唆して以来、哺乳類の脳において大脳基底核はドーパミンを介した強化学習を行う神経回路であるという仮説が有力視されている。

試行錯誤で学ぶ「強化学習」

「強化学習」(Reinforcement Learning)は、トレーニングによる試行錯誤からはじまり、直近の目標を達成して次のレベルを目指すことを繰り返しながら上達していく学習方法に似ています。

あえて日常の学習にあてはめるならば、「習うより慣れよ」、「体得」することで理解する学習方法に似ています。

具体的に理解するために、ここで説明されている「エージェント」「環境」「行動」「報酬」の意味を簡単に解説します。

強化学習で重要となるワードです。

ラットやモルモット等の実験例で「スキナーの箱」を使った説明がよく知られています。

ラットが「エージェント」、仕掛付きのゲージが「環境」、かじったり動いたりが「行動」、成功して得られるエサが「報酬」です。

主にこの4つの要素を設定し、コンピュータに繰り返し学習と経験をさせることが強化学習のポイントです。

www.atmarkit.co.jp

側坐核

側坐核(そくざかく、英: Nucleus accumbens, NAcc)は、前脳に存在する神経細胞の集団である。

報酬、快感、嗜癖、恐怖などに重要な役割を果たすと考えられ[1]、またこの部位の働きが強い者ほど嘘をつきやすいことが京都大学の研究グループによって突き止められている[2]。

側坐核には、広範囲の領域から、神経終末にオキシトシンの受容体をもつ神経線維が入力する。

側坐核への主な入力として、前頭前野、扁桃体、海馬からのものや、扁桃体基底外側核のドーパミン細胞から中脳辺縁系を経て入力するもの、視床の髄板内核、正中核からの入力がある[3] [4] [5] 。

そのため、側坐核は皮質-線条体-視床-皮質回路の一部としてみなされることもある。

側坐核とドーパミン

腹側被蓋野からのドーパミン性入力は側坐核の神経活動を調節すると考えられている。

腹側被蓋野は哺乳類の脳における中脳の一領域であり、被蓋腹側に位置する。

被蓋とは脳幹の背側の領域を広く指す言葉であり、系統発生的に古い部分である(赤核や黒質も被蓋に含まれる)。

この中の腹側被蓋野は黒質や赤核に囲まれた内側の領域である。 

モルヒネなどは、腹側被蓋野でドーパミン神経を刺激し、側坐核へ投射する神経(A10神経)の末端からドーパミンの分泌を促し、シナプス間隙のドーパミンが増えることにより、シナプス後細胞が非生理的な興奮状態となる。

モルヒネ摂取者は「何ものにも代えがたい幸福感」を味わい、依存のうち精神依存はこの機序で形成する。

一方、嗜癖性の高い薬物でもコカインやアンフェタミンなどは側坐核において主にシナプス前細胞に作用する。

メチルフェニデート(コンサータ)やコカインは、シナプス前細胞によるドーパミンの再取り込みを阻害して、ドーパミン濃度の上昇を来す機序による。

アンフェタミンやメタンフェタミンといったいわゆる覚醒剤は、ドーパミンの再取り込み経路から逆行性にシナプス前細胞に侵入し、ドーパミンの産生を亢進させるとともに、再取り込み経路の流れを逆転させ、そこからもシナプス間隙にドーパミンが分泌されるという非生理学的な振る舞いを起こさせる
(無論、生理的な再取り込みは起こらない)。

さらには不要なドーパミンを分解してドーパミンの作用の安定化に寄与するモノアミンオキシダーゼ(MAO)の働きを阻害する。

これらの効果のため、ドーパミン量の調整機構が部分的に機能しなくなる。

このように、ドーパミンを増加させることで嗜癖作用を有する。

 

その後、側坐核は嗜癖との関連で研究されることが多かったが、食事やセックスといった多彩な報酬と関連していることが知られるようになった。

最近の研究では音楽によって惹起される感情の調整に関与することも報告されている[7]。

社会的行動には、側坐核でオキシトシンとセロトニンが必要

動物の社会行動は、種の生存を最優先する。

時に個体にとっては犠牲を強いることもある。

スタンフォード大学医学部ロバート・マレンカは、オキシトシンによって、活性が修飾される神経細胞が社会的行動をおこしたとき増加することを発見。

オキシトシンが側坐核のシナプスに対して、シナプス前性の長期抑圧をおこすことも発見した。

側坐核には、広範囲の領域から、神経終末にオキシトシンの受容体をもつ神経線維が入力する。

背側縫線核はセロトニンを含む神経細胞を多く含み、それらの神経細胞は、脳の全域にセロトニンを含む神経線維を送っている。

縫線核(ほうせんかく)とは脊椎動物の脳幹にある神経核の一つである。

大きく吻側核群、背側縫線核、 尾側核群に細分類される[1]。

睡眠覚醒・歩行・呼吸などのパターン的な運動や注意・報酬などの情動や認知機能にも関与する。

その投射は脳全体にわたっている。

生化学的にはセロトニンを含む細胞が存在するのが大きな特徴である

背側縫線核のオキシトシン受容体を選択的に不活化したところ、複数のマウスを同じ飼育箱で飼育したときに見られる社会行動は出にくくなった。

この行動の変化の原因として、オキシトシンによる側坐核の神経細胞のシナプスの長期抑圧があることが示唆される。

この長期抑圧が生じるには、側坐核内でのセロトニン受容体のひとつの5-HT1Bの活動が高まることが必要であることが実験的に示された。

これらの所見は、マウスの社会活動が脳内で強化されるのには、側坐核でオキシトシンとセロトニンが共同で作用することが必要であることを示唆する。

自閉症やうつ様行動に、オキシトシンやセロトニンが関与すると考えられている。

この研究の所見は、自閉症やうつ病で生じる社会行動の異常の病因を理解する上で、重要な手がかりを与えるものである。

 

参考ページ

http://blog.canpan.info/brains/archive/970

扁桃体と海馬の相互作用

例えば、注意欠陥多動性障害でも、自閉症スペクトラムでも、対人とのコミュニケーションや自己認識能力の低下が起り、扁桃体を含む感情系脳番地が関与示唆されます。

一方で、記憶力が悪かったり、逆に特定の記憶力が極端に優れたリします。

海馬が関係する記憶系脳番地の関与が考えられます。

実際には、発達障害といっても症状は個人個人で、「知的機能:Intelligence(I)」が低下している場合や「コミュニケーション:Communication(C)」の発達が遅れている場合があります。

両方の発達が遅れる(I・Cの遅れ)場合があります。

では、「知的機能:Intelligence(I)」と「コミュニケーション:Communication(C)」の両方が同時に障害されたり、一方だけが障害されることが、説明できる脳の部位があるのでしょうか?

あります。

扁桃体と海馬が相互に接して存在している部位とその周囲の位置です。

「知的機能:Intelligence(I)」と「コミュニケーション:Communication(C)」の障害が同時に起こる脳の場所は、扁桃体と海馬とその周囲の部位しかないと考えています。

ストレスは脳の成長に必要なことである反面、過剰なストレスが持続するとテロイドホルモンが過剰にでて、海馬萎縮の誘引にもなりかねません。

鬱や引きこもりを誘引するような過度なストレスは避けましょう。

 

参考ページ

https://www.nonogakko.com/hir/menu/

脳番地

  1. 思考系脳番地――人が何かを考えるときに深く関係する脳番地
  2. 感情系脳番地――喜怒哀楽などの感情を表現するのに関与する脳番地
  3. 伝達系脳番地――コミュニケーションを通じて意思疎通を行う脳番地
  4. 理解系脳番地――与えられた情報を理解し、将来に役立てる脳番地
  5. 運動系脳番地――体を動かすこと全般に関係する脳番地
  6. 聴覚系脳番地――耳で聞いたことを脳に集積させる脳番地
  7. 視覚系脳番地――目で見たことを脳に集積させる脳番地
  8. 記憶系脳番地――情報を蓄積させ、その情報を使いこなす脳番地


このなかで、海馬が所属するのが⑧の「記憶系脳番地」であり、この部位と密接にかかわるのが、②の「感情系脳番地」です。

実は「記憶」には、「知識の記憶」「感情の記憶」の2種類があります。

前者は「1.思考系脳番地」と、後者は「2.感情系脳番地」と密接に関係しており、それぞれ記憶の経路が多少異なっています。
 悲しい場面に直面したときに、過去に起きた、まったく無関係のない悲しい記憶を急に思い出したという人がいますが、これがまさに「感情の記憶」です。

心が激しく揺さぶられたことで、それまでとは異なる経路の記憶が呼び戻されたというわけです。

 記憶系脳番地が発達している職業としては、通訳や歴史家などが挙げられます。
 https://www.softnoblejapan.net/newpage87.10.html 

「感情系脳番地」は、脳の側頭葉にあり、「記憶系脳番地」のすぐ前方に位置します。

感情を大きく揺さぶられた出来事が記憶に残るように、この「感情系脳番地」の影響は、「記憶系脳番地」にダイレクトに作用します。

そのため、感情のコントロールを強化することで、海馬にプラスの影響を与えることができます。

 

参考ページ
https://toyokeizai.net/articles/-/147622 

海馬回旋遅滞症のメカニズム 

海馬回旋遅滞症は、海馬または扁桃体の形成に、
発達の遅れが生じる症状です。

しかし、海馬回旋遅滞症は、脳の損傷とは異なります。


脳は損傷を受けた場合、その部分は再生しませんが、
海馬回旋遅滞症は発達形成が遅れているので、
脳を伸ばす方法はまだ残されているのです。

 

海馬回旋遅滞症を認める脳画像の左右の海馬を比較してみると、片側の海馬のみが回旋遅滞を示している場合は、98パーセントの確率で左の海馬でした。

 脳の中心部には、記憶の蓄積に深く関係する「海馬」という器官があり、この器官は左脳と右脳、それぞれに存在しています。

この海馬の周囲に位置するのが記憶系脳番地。

左脳側は言語の記憶、右脳側は映像など非言語の記憶をつかさどっています。

 https://www.softnoblejapan.net/newpage87.10.html

また、男女比を比べると3対1で、自閉症の発症比率と似て男子に高頻度に発症していました。

 

参考ページ
https://www.nonogakko.com/hir/