統合神経科学

統合神経科学は、機能的組織データを統合して複雑な構造や行動をよりよく理解するための神経科学の研究です。[ 1 ^]構造と機能の関係、および領域と機能が互いにどのように接続するか。脳のさまざまな部分が異なるタスクを実行し、相互接続して一緒になって複雑な行動を可能にします。^[2]統合神経科学は、主にデータ共有で達成できる知識のギャップを埋め、システムの理解を生み出すために機能し、現在はシミュレーション神経科学に適用されています。機能グループを統合する脳のコンピューターモデリング。^{[3] [1]}

統合神経科学の起源は、構造（物理学と化学）を抽象化して機能組織を数学的に特徴付けるラシェフスキー＝ローゼン学派の関係生物学^{[4]に遡ります。これは、階層的および機能的統合を導入したショーヴェ[5]}によってさらに拡張されました。

階層的統合は、ユークリッド空間における時空間の動的連続性を伴う構造であり、機能的組織化をもたらします。

階層的組織 + 階層的統合 = 機能的組織

しかし、機能的統合は関係的であり、そのため、ユークリッド空間に限定されず、むしろベクトル空間を占める位相が必要である^[6]これは、任意の機能的組織に対して、機能分析の方法によって、関係的組織を機能的統合によってマッピングできることを意味している。

機能的組織 + 機能的統合 = 関係的組織

したがって、階層的および機能的統合は「認知意味論の神経生物学」を伴い、階層的組織は神経生物学と関連し、関係的組織は認知意味論と関連している。関係的組織は物質を捨て去り、「機能が構造を規定する」ため、物質的側面が伴うが、還元主義では、構造とダイナミクスの因果関係は機能を伴うため、階層的統合の脳内の因果的伴う部分は構造に存在しないため、機能的統合は不要になる。

統合神経科学は、階層レベルの機能的組織化の観点から研究される場合、階層的統合の脳における因果的含意として定義されます。関係的組織化の観点から研究される場合、機能的統合の脳における意味的含意として定義されます。

統合神経科学は、正常状態と病的状態における種特有の行動につながる階層的統合を通じて、スケール全体にわたる特定の脳システムの機能的組織化の研究を提示することを目的としています。このように、統合神経科学はスケール全体にわたる脳機能の統一的な理解を目指しています。

スパイヴィーの心の連続性理論^[7]は、統合神経科学を連続性心理学の領域にまで拡張しています。

データが蓄積されるにつれて、それぞれの専門分野が重複することなく収束していきます。^[1]神経科学データの標準化された統合データベースを作成することで、精神疾患の理解や治療など、他の方法では不可能であった静的モデルが実現します。^[8]

これは、 現代の神経科学における多様な専門分野を結びつける枠組みを提供します。

• 分子神経科学– 脳機能の遺伝的および細胞的側面
• 神経解剖学 – 接続、ネットワーク、神経伝達物質システム
• 行動神経科学– 神経活動の明白な結果
• システム神経科学– 感覚および運動システムの説明
• 発達神経科学– 成熟過程における構造的・機能的変化
• 認知神経科学– 記憶を含む感覚処理の経路と段階
• 数理神経科学– 神経細胞と脳機能の定量的シミュレーションとエミュレーション
• 臨床観察 – 脳機能障害から得られる証拠

この多様性は避けられないものですが、動物の生存と繁栄を可能にする神経系の主要な役割が軽視されるという空白を生み出しているとも言えます。統合神経科学は、この認識された空白を埋めることを目指しています。

相関関係と因果関係の手法を通じてさまざまな脳領域を特定することで、全体的な脳機能と位置マップが作成されます。さまざまな手法で収集されたさまざまなデータを組み合わせて使用​​することで、脳の相互接続性と統合性が向上します。

脳の状態と行動の状態の関係。^[9]空間的および時間的な差異を通して観察されます。行動や刺激によって影響を受ける脳の場所と、反応のタイミングを正確に特定します。^[10]これに使用されるツールにはfMRIとEEGがあり、詳細は以下を参照してください。

機能的磁気共鳴画像法（fMRI）は、磁気共鳴を利用して血液の酸素依存反応（BOLD）を測定し、血液の酸素化領域を観察する。活動領域は血流の増加と関連しており、相関関係を示している。^{[11] [12]} fMRIの空間局在化により、核やブロードマン領域までの正確な情報が得られる。^[13]視覚系などの特定の活動は非常に速く、ほんの数秒しか持続しないが、記憶などの他の脳機能は数日または数ヶ月かかることがある。fMRIは数秒単位で測定するため、非常に速いプロセスを測定することは困難である。^[14]

脳波検査（EEG）では、脳の電気的活動を時間経過とともに観察できますが、実験者が提示した刺激に対する反応しか測定できません。頭蓋骨の表面に設置した電極センサーを使用して、同期したニューロンの発火を測定します。特定の活動が刺激によって引き起こされたかどうかはわかりませんが、特定の機能と脳領域との相関関係しか測定できません。EEGは、広い領域での全体的な変化を測定するため、特異性に欠けています。^[15]

実験によって証明されているように、脳の活動は特定の領域の刺激によって直接引き起こされます。

TMS（経頭蓋磁気刺激）は、磁場のバーストを放出する磁気コイルを使用し、特定の脳領域の活動を活性化します。皮質の特定の領域を刺激し、その結果発生するMEP（運動誘発電位）を記録するのに役立ちます。^{[16] [17]}特定の因果関係を示しますが、皮質に限定されているため、脳の表面より深くに到達することは不可能です。^[17]

患者が自然病変を持っている場合、特定の領域の病変が機能にどのように影響するかを観察する機会となります。または、非ヒト実験では、脳の一部を除去することによって病変を作成することができます。これらの方法は、脳研究技術とは異なり可逆的ではなく、脳の恒常性の破壊により脳のどの部分が無効になっているかを正確に示すものではありません。浸透性病変の場合、脳は化学的に調整され、恒常性を回復します ^[18]自然発生に頼ると、場所や大きさなどの変数をほとんど制御できません。また、複数の領域に損傷がある場合、大量のデータがないため、区別が確実ではありません。

皮質刺激マッピングは、皮質の領域をプローブして、さまざまな領域を機能に関連付ける侵襲的な脳手術です。^[19]通常は、電極を特定の領域に挿入して観察を行う開頭脳手術中に行われます。この方法は、このような実験に同意する開頭脳手術を受ける患者の数と、手術される脳の領域によって制限されます。脳全体に広がる範囲を持つマウスでも実行されます。

「脳の10年」以来、脳に関する知見が爆発的に増加し、ほとんどの医学分野に応用されています。この爆発的な増加に伴い、さまざまな研究、手法、理解レベルにわたるデータの統合の必要性がますます認識されています。大規模なデータ共有の価値の具体的な例は、ヒューマン・ブレイン・プロジェクトによって提供されています。

脳情報の大規模な統合が医療への新たなアプローチにとって重要であることが認識されている。^[20]症状情報に主に頼るのではなく、最終的には脳情報と遺伝子情報の組み合わせが、どの治療がどの個人に最適かを理解するために必要になるかもしれない。

共感と社会的行動の傾向を研究し、共感が行動科学でどのような役割を果たしているか、また脳が共感にどう反応し、共感を生み出し、時間の経過とともに共感を育んでいくかをより深く理解する研究もあります。これらの機能単位と社会的行動と影響の働きを組み合わせることで、人間の経験を生み出す複雑な行動をより深く理解することができます。^[21]

• 国際神経心理学会誌
• Journal of Integrative Neuroscience は 2019-08-03 にWayback Machineでアーカイブされています