運動前の神経活動

神経生理学の文献における運動前ニューロン活動とは、対象が運動を起こす前にニューロンが発火する速度を変えるニューロン変調のことである。複数の動物、主にサルを用いた実験により、脳のいくつかの領域が特に活発で、運動の開始と準備に関与していることがわかっている。2 つの特定の膜電位、すなわちbereitschaftspotentialまたは BP とcontingent negative variationsまたは CNV が、運動前ニューロン活動に極めて重要な役割を果たしている。どちらも運動の計画と開始に直接関与していることがわかっている。運動前ニューロン活動には、運動準備、運動反応の抑制、運動目標のプログラミング、閉ループおよび開ループのタスク、指示された遅延期間、短期リードおよび長期リードの変化、ミラー運動ニューロンなど、複数の要因が関与している。

運動前神経活動の研究では、通常、自然な状況での運動と感覚刺激によって引き起こされる運動という 2 種類の運動を研究します。これら 2 種類の運動は、運動前神経活動に関するさまざまな研究や文献で異なる名称で呼ばれています。随意運動は、自己タイミング運動、自己開始運動、自己ペース運動、非誘発運動とも呼ばれます。この種類の運動は、一般的に自然な状況で発生し、運動のきっかけとなる感覚的な合図や外部信号とは無関係に実行されます。^[1] 対照的に、感覚的な合図や刺激、または外部条件や変化に対する反射反応の結果として実行される運動は、反応運動と呼ばれますが、特定の研究の選択に応じて、合図運動、刺激運動、外部誘発運動とも呼ばれます。リーとアサド（2003）による研究の1つでは、アカゲザルは視覚的な合図に反応して腕を動かすように訓練され、同じ腕の動きを外部（視覚）合図とは何の相関関係もなく実行するように訓練されました。これは、自発的な動きとは対照的な反応的な動きの一例です。^[1] その後、それぞれの種類の動きにおける神経細胞の発火率を脳のさまざまな領域で記録し、運動前の神経活動をより徹底的に理解する研究が行われました。

次の機能があります:

• 意思決定
• 移動による応答の選択
• 動きのタイミング
• 行動の開始/抑制^[2]

次の機能があります:

• 準備プロセス^[2]

次の機能があります:

• 運動の開始
• 動作の実行^[2]

1964年、KornhuberとDeeckeは運動に関連する2つの皮質電位を発見しました。脳波（EEG）と筋電図（EMG）の両方の記録を使用して、KornhuberとDeeckeは運動開始前の2つの要素を特定することができました。^[3]これらの要素は、Bereitschaftspotential（略してBP、準備電位とも呼ばれ、略してRP）とContingent Negative Variation（CNV）です。これら2つの電位の違いは、BPは自己ペースまたは随意運動に関与しているのに対し、CNVは環境信号への反応として実行される運動である指示された運動に関与していることです。

準備電位は運動に関連する電位です。BP の開始は運動開始の約 2 秒前に発生します。BP は運動準備の指標であり、運動が発生する可能性を示すため、「準備電位」とも呼ばれます。BP の初期段階、つまり準備電位は、運動に対する無意識の意図と準備です。この初期段階の後、運動の準備は意識的な思考になります。^[2]

より具体的には、BP は運動関連皮質電位 (MRCP) ^[4]で構成され、そのピークは MP または運動電位です。MRCP は、運動の生成と制御のために皮質が使用する「一連の計画」に似ている傾向があります。BP は、運動の準備と開始に SMA と体性感覚皮質が関与する随意運動によって活性化されます。当初は後期 BP のみが運動部位に特異的であると考えられ、初期 BP は今後の運動に対するより一般的な準備によって特徴付けられると考えられていました。しかし、過去数十年にわたって、初期 BP は補足運動野 (SMA) と外側運動前野内の部位特異的でもあると考えられるようになりました。^[3]主成分分析と機能的磁気共鳴画像法（fMRI） を用いた結果、早期BPの主な発生源は両側の前中心回の第6領域であり、後期BPの主な発生源は第4領域（一次運動野としても知られる）と第6領域であることが判明した。現在のコンセンサスでは、早期BPはまず前SMAとSMA本体を含むSMAで始まり、その後運動開始の約400ms後に両側の外側前運動野で始まり、後期BPは反対側のM1と前運動野で始まるとされている。^[3]

BP に最も大きく影響する 2 つの要因は、動きの離散性と複雑さの影響です。1993 年に実施された研究では、中指の単独伸展と中指と人差し指の同時伸展を比較しました。結果によると、中指の単独運動では後期 BP の振幅が大きくなりましたが、前期 BP ではそうではありませんでした。後期 BP の振幅の違いは、運動の反対側の中心領域で見られ、M1 が重要な役割を果たしていることを示唆しています。^[5]複雑な動きは BP の振幅を大きくしますが、これは SMA の活性化が大きいことを反映しています。さらに実験を行ったところ、両側の感覚運動皮質が SMA とともに複雑な動きの準備に役割を果たしていることも示唆されています。^[3]

一次運動野の組織化に関する最初の関連する実験とその後の発見のいくつかは、ワイルダー・ペンフィールドによって観察された。モントリオールの脳神経外科医であったペンフィールドは、てんかん患者によりよいサービスを提供するために、1950年代に実験を開始した。ペンフィールドは、てんかん患者は発作が起こる前に警告サインを経験することを理解していた。この知識が刺激実験の始まりとなった。ここで、ペンフィールドは、てんかんの原因を具体的に特定するために、この警告サインを誘発しようとした。ペンフィールドは、脳の反対側の小体の空間マップの存在を確認した。彼は、運動野の表面の電気刺激部位と筋収縮の位置を記録し、続いて中心前回の運動表現をマッピングした。これは、中心後回の体性感覚マップと同じ傾向と不均衡に従っている。

皮質内微小刺激による実験により、運動マップのより詳細な理解がもたらされた。先端の尖った微小電極から皮質に電流を注入することで、下位運動ニューロンに投射する第 5 層の上位運動ニューロンを刺激することができる。これらのニューロンは脊髄のニューロンと関連しており、特定の筋肉領域で発生する特定の運動を刺激するのであって、それらの運動を生み出す特定の筋肉を刺激するのではない。運動マップ内のニューロン接続は、特定の運動を生成する目的でリンクされている。これらの接続は、特定の筋肉の動きや収縮を生成する目的でリンクされているわけではない。^[6]

スパイクトリガー平均化は、脊髄の下位運動ニューロン群における皮質運動ニューロン1個の活動を測定する方法である。実験により、1個の上位運動ニューロンが複数の下位運動ニューロンに接続されていることが確認された。これは、個々の筋肉ではなく運動が上位運動ニューロンの活動によって制御されているという一般的な結論を裏付けている。^[7]

個々の運動ニューロンは、目が覚めている行動中のサルの活動を記録するため、埋め込まれた微小電極を使用して記録された。この実験は、ニューロン活動と随意運動の相関関係を解明する方法を提供した。筋肉の収縮によって生成される力は、上位運動ニューロンの発火率に応じて変化することが判明した。活動ニューロンの発火率は、非常に小さな力を伴う運動の前に変化することが多い。これは、一次運動皮質が、細かく制御された運動の生成に関与する下位運動ニューロンの動員の初期段階に寄与していることを示唆している。^[6]

運動前野のニューロンの約 65% は、条件付きの「閉ループ」運動タスクを担当しています。サルを使った実験では、サルが特定の視覚的手がかりに応じてさまざまな方向に手を伸ばすように訓練されたとき、ほぼ協調した側方運動前野ニューロンは、その特定の手がかりが現れたときに発火し始めましたが、運動を実行するための実際の信号が現れる前でした。学習が進むにつれて、新しい視覚的手がかりを特定の動きに関連付けるために、ほぼ協調したニューロンは、最初の特定の手がかりから動きを開始する実際の信号までの間に発火率を上げます。現在、これらの特定のニューロンは、動きの開始を命令するのではなく、動きを実行する意図を命令しているようです。したがって、これらの運動前野ニューロンは、外部イベントに基づく動きの選択に特に関与しています。

運動選択に側方前運動野が関与しているというさらなる証拠は、皮質損傷が運動行動に与える影響の観察から得られます。この領域の損傷は、サルが視覚的に指示された条件付きタスクを実行する能力を著しく損ないます。つまり、命令を受けても、訓練された動作をサルが実行することが極めて困難になります。しかし、別の環境に置かれると、サルは同じ視覚刺激に反応して、自発的かつ自発的にその動作を実行する能力を完全に備えています。

内側前運動野は、外部の手がかりではなく内部の手がかりによって特定される運動を開始することに特化しているようです。内部イベントに基づくこれらの運動は、「オープンループ」状態と呼ばれます。外側前運動野の損傷とは対照的に、この内側前運動野を除去すると、動物が行う自己開始または自発的な運動の回数が減少します。逆に、外部の手がかりに反応して移動する能力はほぼそのままです。^[7]

頭頂皮質は、行動の内部指令に役割を果たしている。特に、頭頂皮質第 5 領域は、運動に先立つ行動を司っている。第 5 領域のニューロンは、自発的な運動に反応して運動前活動を示す。第 5 領域のニューロンは、運動の開始と実行に役割を果たし、非常に速い速度で反応する。筋電図 ( EMG ) は、筋肉の電気活動の検査である。第 5 領域のニューロンは、筋電図で検出可能な活動よりも少なくとも 100 ミリ秒速く反応する。大脳皮質は、これらの正のフィードバック ループを介して、運動の開始を駆動する基底核と小脳と一連のループを形成する。頭頂連合皮質のニューロンは、随意運動のプログラミングと実行に最も深く関与している。^[8]

学習された行為とは、開始感覚信号がプログラムされた実行を開始したときに生成される動作である。この動作には、頭頂連合皮質のニューロンが必要である。準備電位には、初期段階と後期段階の 2 つの段階がある。初期段階は、「プログラムされた動作の計画」を担当する。後期段階は、「動作の直接的な実行の刺激」を担当する。準備電位の初期段階は補足運動領域で発生し、随意動作の生成に関与する。前動作の後期段階は皮質領域で発生し、明確な随意動作に関与する。前動作の 2 つの正式な段階は、計画と開始である。^[9]

ミラー運動ニューロンは、運動前野の腹外側部に見られる。これらのミラー運動ニューロンは、運動実行の準備だけでなく、他者による同じ運動の観察にも反応する。しかし、これらのミラー運動ニューロンは、運動目標が存在しない状態で動作がパントマイムされている場合には、それほど反応しない。さらに、目標指向型運動の観察では、結果が視界から遮られている場合でも、これらのニューロンは発火する。ミラー運動ニューロンシステムは、他者の意図と関連する行動をエンコードする役割を担っている。さらに、これらのニューロンは、模倣学習において前頭葉と頭頂葉と共に役割を果たす可能性がある。^[6]

ダニエル・グレイザーによる研究では、バレエの訓練を受けたダンサーとカポエイラ（ブラジルの格闘技）の訓練を受けたダンサーが対象となった。ダンサーにはバレエとカポエイラのダンスの動きの短いビデオを見せた。研究では、ダンサーが訓練を受けたスタイルのビデオを見たときにミラー運動ニューロンの活動が増加したと示された。さらに、対照群である非ダンサーは、どちらのタイプのダンスを見ても、ミラー運動ニューロンの脳の活動が著しく低下した。^[10]

この研究は、個人的に習得した動作に対して脳がどのように反応するかについての洞察を提供します。これにより、専門家が実際に動作を実行せずにスキルを維持できる方法が提供される可能性があります。または、運動能力に障害のある人に精神的なリハビリテーションの手段を提供する可能性があります。動作を単純に観察するだけで、実際の身体動作と同じ種類の脳刺激が得られます。^[10]

特定の運動タスクを実行するには、指示された遅延が必要です。この遅延期間は、指示された合図とその後の運動の間に発生します。これらの遅延期間中、神経活動に準備的な変化が発生します。一次運動野、運動前野、補足運動野、頭頂葉皮質、^[11]、および基底核はすべて、これらの準備的な遅延期間を経験する可能性があります。これらの活動は、遅延期間中に調整され、指示された合図とその後の動きに応じて運動計画を反映しますが、筋肉の活動の前に発生します。^{[12] [13] [14] [11]}運動計画は、運動の方向から運動の範囲まで何でもかまいません。^[15]

前運動ニューロン活動は、前頭皮質の 3 つの主要な運動野で広く実験されてきました。この実験の目的は、視覚信号から生じるニューロン活動と、非トリガーまたは自己ペースの運動から生じるニューロン活動を比較することです。この比較から、運動の開始に関連して異なる時間スケールで発生する 2 つの変化が特定されました。これらの変化は、短リード変化と長リード変化です。短リード変化は運動の約 480 ミリ秒前に観察されますが、長リード変化は約 1～2 秒早く発生します。短リード変化は、視覚信号試験と非トリガー/自己ペース試験の両方で、SMA (補足運動野) と PM (前運動野) で示されます。この研究では、前中心運動皮質も PM および SMA と同様のニューロン活動を示すことが確認されました。実験により、PM のニューロンの約 61% がトリガーされた (視覚) 運動に優先的に関連していることがわかりました。長い誘導ニューロンの変化は、誘発運動の前よりも自己ペース刺激中に活発になった。これらの長い誘導変化は、SMAニューロンに特に多く見られる。まとめると、これらの実験は、SMAが主に自己ペース運動に関与し、PMは視覚誘発運動にのみ関与するという考えに疑問を投げかけた。PMニューロンは視覚誘発信号をより好み、SMAニューロンは自己ペース運動の開始に密接に関連しているが、どちらの刺激に対しても両方とも運動前活動に関与している。^[16]

脳内には皮質下ループが存在し、一次運動野、運動前野、脳幹に由来する上位運動ニューロンと基底核を結び付けている。これらの上位運動ニューロンは、脳幹と脊髄にある下位運動ニューロンの活動を制御して最終的に運動を開始し、体の筋肉に神経を送るために外に突出する。上位運動ニューロンは、シナプスが下位運動ニューロンへの大きな入力となる局所回路ニューロンの活動も調整し、それが次に続く運動に影響を与える。このように、基底核は、最終的に下位運動ニューロンの活動を決定する上位運動ニューロンの活動の調節を介して間接的に運動に影響を与えている。^[7]

大脳基底核には、大脳半球の奥深くに位置する運動核のグループが含まれます。これには、尾状核と被殻という2つの核を含む線条体、および淡蒼球と黒質網状部を含む淡蒼球が含まれます。線条体は大脳基底核の主な入力センターであり、特に眼球運動を制御する前頭葉の運動野の上位ニューロンは尾状核のニューロンに接続し、前頭葉の運動前野と運動皮質の上位ニューロンは被殻のニューロンに接続します。これらの構造内にある主なニューロンは、中型有棘ニューロンと呼ばれています。^[7]

中型有棘ニューロンの活性化は、一般的に運動の発生と関連している。細胞外記録によると、これらの特定のニューロンは、差し迫った運動の前に放電率を高めることがわかっている。このような予測放電は、運動選択プロセスに関与しているようで、運動の数秒前に起こり、運動の目的地の空間的な位置によって変化する。^[7]

淡蒼球全体と黒質に存在するニューロンは、基底核の主な出力領域です。これらの遠心性ニューロンは、上位運動ニューロンの活動に影響を及ぼします。これらの領域のニューロンはGABA 作動性であるため、基底核の主な出力は抑制性であり、これらのニューロンの自発的な活性化により、望ましくない動きが一貫して防止されます。中型有棘ニューロンによる基底核のこれらの出力領域への入力も GABA 作動性であるため、抑制性です。皮質から基底核への興奮性入力の正味の効果は、基底核の出力中枢にある持続的に活動している抑制細胞の抑制 (中型有棘ニューロン経由) です。この二重の抑制効果により、上位運動ニューロンが活性化され、その後、局所回路と下位運動ニューロンに信号が送られて動きが開始されます。この経路は、基底核を通る直接経路として定義されます。線条体と淡蒼球の一部の間には、もう 1 つの間接経路があります。この間接経路も、大脳皮質から信号を受け取る視床下核 (視床の一部) に関係しています。皮質からの興奮性信号は、同じく興奮性である視床下ニューロンを活性化します。したがって、この間接経路は、淡蒼球に存在する GABA 作動性細胞への興奮性信号による抑制を強化する役割を果たします。実際、この経路は、基底核の出力中枢にフィードバックすることで直接経路を制御します。これら 2 つの経路のバランスが運動信号を処理し、差し迫った運動の開始に影響します。^[7]

運動障害、例えばパーキンソン病(PD)、小脳病変、歯状核の変性疾患などによっても、電位が影響を受けることがわかっています。 少なくとも BP の一部は SMA に由来しており、「視床を介して大脳基底核から主なドーパミン作動性入力を受け取る」ため、パーキンソン病 (PD) 患者の BP の研究が数多く行われています。^[3]小脳病変のある人は BP に明らかな異常があることもわかっています。歯状核の変性疾患の患者では、BP が事実上完全に欠如しています。小脳半球病変のある患者では、BP はさらに小さくなるか、まったくありません。

研究されている運動障害の中で、パーキンソン病は群を抜いて最も研究されている。ほとんどの実験は、パーキンソン病患者のBPに対する病変の影響を研究している。多くのパーキンソン病患者でBPの振幅が著しく減少していることが観察された。病気のない対照患者のBPと比較して、より正の極性のBPが観察された。^[2] 他の研究でも、運動関連皮質電位の振幅が同様に減少することが示されており、これはパーキンソン病患者のSMAの活性化の低下を示す他の研究と一致している。^[17]パーキンソン病患者では、運動前の準備活動を終了させる能力の低下が観察されており、SMAの活動が長期化していることに反映されている。^[17]この活動の長期化は、SMAに終了信号を送ると考えられている基底核の機能障害に関係している可能性がある。^[17] PD患者では準備運動活動に変化が見られますが、脳内の運動実行プロセスは影響を受けていないようで、これは運動前活動の異常がパーキンソン病によく見られる運動困難の根底にある可能性を示唆しています。PD患者のMRCP（BPなど）と運動前準備活動に対する病気の影響を研究するさらなる研究が進行中です。