モータ制御入門

運動行動の制御、または脳内の思考が私たちの体の行動にどのように変換されるかは、行動科学者が尋ねることができる最も重要な質問の1つです。私たちの神経系がどのように感覚情報を知覚し、統合し、筋骨格系を通じて反応を引き出すことができるかを理解することは、基本的な科学的関心事です。同時に、運動制御についての理解が深まると、運動障害のある患者を支援するためのより優れたツールを構築するのに役立ちます。

このビデオでは、運動制御の神経生物学的基礎、この分野の基本的な問題、いくつかの重要な実験手法、およびこれらの技術の運動行動を研究するためのいくつかの具体的な応用について学びます。

まず、運動制御の神経生物学について科学者が現在知っていることを見てみましょう。

私たちの神経系のさまざまな部分が、運動行動を制御するために階層的に機能しているようです。神経解剖学的階層の最上位にある運動皮質は、運動前野と一次運動野からなる運動皮質です。運動皮質を通る冠状切片は、一次運動野が「上部運動ニューロン」を脊髄の下に投影して、さまざまな部分の動きを制御していることを明らかにしています。特定の身体部位を制御するニューロンは、運動野内の同じ領域に局在しているため、身体の「運動マップ」を大まかに識別し、「皮質ホムンクルス」の形で表すことができます。

一次運動野の前方には運動前野があり、これはタスク固有の複雑な運動の制御に関与していることが提案されています。運動前野は、運動を直接制御するだけでなく、運動計画と学習において主要な役割を果たすことも示唆されています。

脳の他の2つの領域、つまり小脳と大脳基底核が運動制御において重要な統合的役割を果たす可能性があります。小脳は、さまざまな感覚系からの情報を使用して、リズム、歩行、バランス、姿勢などの移動の側面を微調整します。また、運動計画や学習に役割を果たすことも示唆されています。大脳基底核は、皮質や脳の他の部分とのつながりが豊富で、多くの動きの中から実行する動きを一つ選択する役割を担っていると考えられています。パーキンソン病やハンチントン病などの主要な運動疾患は、大脳基底核の病変に起因しています。

運動階層のさらに下には、脳幹と脊髄があります。運動野からの上部運動ニューロンは、錐体路として下に移動し、運動を直接制御する下部運動ニューロンに接続します。一方、他の脳領域からの入力を受け取る錐体外路は、主にバランス、姿勢、協調などの運動の側面を調節する役割を担っています。

脊髄から出てくる運動ニューロンは、より高いレベルからの指示を受けるだけでなく、感覚情報が運動反応を直接決定する膝のけいれん反射のような不随意の脊髄反射のパフォーマンスにも関与しています。

運動制御の神経相関を確認したので、運動行動の分野における主要な問題のいくつかを見てみましょう。

運動制御におけるさまざまな脳領域の役割については大まかな考えがありますが、科学者たちはまだ運動障害でこれらのシステムに何が起こるのかを理解しようとしています。調査されている特定の運動活動には、バランスと協調、および器用さが含まれます。改良された実験ツールにより、一部の科学者は、これらの障害の背後にある病理学的事象の局在を特定しようとしています。

この分野でのもう一つの大きな問題は、私たちの感覚的知覚が私たちの動きにどのように影響するかということです。たとえば、科学者は、錯視、または異なる視点を持つターゲットが自発的運動と非随意運動にどのように影響するかを理解しようとしています。また、被験者にさまざまな視覚的および運動的な手がかりが提示された場合に、姿勢がどのように調整されるかについても調査しています。

最後に、科学者は運動能力がどのように獲得されるかを研究することにも興味を持っています。これには、運動技能を学習するために必要な時間の長さとフィードバックの種類、および学習したスキルがどの程度永続的であるかを理解しようとすることが必要になる場合があります。

この分野の主要な問題のいくつかを確認した後、これらの質問に答えるために使用されている実験ツールを見てみましょう。

マウスやラットなどのげっ歯類は、運動行動を評価するテストを実行するために一般的に使用されます。たとえば、基本的な自発運動機能はトレッドミル運動やオープンフィールド活動で評価できますが、げっ歯類に平均台や回転体などのセットアップで運動させることで、運動バランスと協調性をテストできます。

あるいは、げっ歯類の運動学習は、食物報酬に手を伸ばすことを含むパラダイムを使用して調査できます。食品の取り扱い作業は、動物の前肢の器用さを評価するのにも役立ちます。これらの行動テストは、運動活動を特定の神経学的基礎に特異的に結びつけるために、薬物投与や手術などの介入と組み合わせることができます。

最後に、運動活動中に発生する神経学的変化を観察するために、イメージングおよび電気測定技術を適用することができます。生細胞イメージング、脳波検査(EEG)、筋電図(EMG)などの技術を使用して、被験者が運動課題を実行している間のニューロンおよび筋肉の活動を測定できます。

モーター制御の調査に使用されるいくつかの一般的な方法を見てきましたが、これらの手法のいくつかのアプリケーションについて説明しましょう。

前述のように、行動テストを外科的に誘発された損傷と組み合わせて、特定の神経病変と運動行動との関連を研究することができます。この研究では、研究者はラットの頸髄の片側に損傷を誘発し、その後、移動および食品取り扱い作業における動物の手足の使用への影響をテストしました。これらの実験は、科学者が四肢の運動活動における特定の神経回路の役割を理解するのに役立ちます。

感覚情報が運動制御に果たす役割を研究するために、研究者は被験者に特定の感覚手がかりを提示し、運動への影響を観察する実験を行うことができます。この研究では、参加者は、視覚が周囲を取り囲み、支持面が移動または揺れるようにプログラムされた環境に置かれました。次に、被験者が姿勢を調整し、バランスを保つ能力を評価しました。

最後に、一部の科学者は、モーター制御のより完全な全体像を把握するために、複数のデータ収集モードを同時に使用するプロトコルを開発しています。この研究では、科学者はEEG、EMG、およびモーションキャプチャプロトコルを組み合わせて、実際の運動タスクを実行する参加者の神経活動を調べました。

JoVEの運動行動制御に関するビデオをご覧になりました。このビデオでは、運動制御に関する現在の神経生物学的理解、この分野の主要な質問と著名な方法、および運動行動の研究への方法のいくつかの応用についてレビューしました。いつものように、ご覧いただきありがとうございます!