イギリスのインペリアル・カレッジ・ロンドンとUK Dementia Research Institute（UK DRI）の研究チームは、新しい非侵襲的で痛みを伴わない深部脳刺激手法により、記憶の形成、整理、検索を司る海馬のニューロンを刺激する人体実験を成功させた。この新しい手法はアルツハイマー病やその他の認知症によって引き起こされる記憶喪失や機能を改善する可能性があるとして、現在、認知機能障害を持つ高齢者を対象に試用されている。
ペンシルバニア大学脳科学・トランスレーション・イノベーション・モジュレーション・センターのRoy Hamilton所長は、この研究には関与していないが、Inverse誌にこう語っている。「脳機能が脳内でどのように局在しているかを理解し、たとえ神経機能障害がなくても、脳機能に働きかけることができるかもしれない。私は慎重にも-少し慎重さに欠けるかもしれないが-楽観的である」。
どのように作用するか？
これまでの経頭蓋電流刺激と磁気刺激の両方の問題点は、脳の深部の構造に到達できる一方で、脳の表面の脳組織を刺激してしまう危険性があった。
新しい研究を率いたÉcole Polytechnique Fédéraleの神経科学者Friedhelm Hummel氏は、新たな技術がこうした問題点を克服したとしている。
2017年、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者たちは、表面レベルの脳組織を刺激することなく神経電気活動を高める新しい方法を考案した。経頭蓋的時間干渉電気刺激（transcranial temporal interference electrical stimulation: tTIS）と呼ばれるこの技術では、頭部に電極を設置し、健康な脳組織に干渉しない2本の無害な高周波ビームを脳に送る。これらのビームは2,000Hzと2,005Hzという微妙に異なる周波数で、交差すると3つ目の電流、5Hzの低周波が発生する。Hummel氏によれば、脳の表面にあるニューロンはこの周波数に反応しないが、脳の奥深くにあるニューロンは反応するという。そこでは、高周波が衝突して打ち消し合い、低い周波数になる。脳深部のニューロンは、この低い周波数により同調するようだが、神経科学者たちは、そのメカニズムについてまだ完全には解明していない。
その同じ研究で、MITの研究者たちは、マウスを使った時間干渉法が、大脳皮質などの脳の表面レベルではなく、ターゲットとなる海馬を刺激することを発見した。Hummel教授らは、この結果が有望であると考え、”シータ・バースト”と呼ばれる特定のパターンの電気パルスを使って、脳の柔軟性（可塑性としても知られている）を促すために、同じ手法を人間にも応用できないかと考えた。これまでの研究で、この特定の周波数（脳が自然に出すシータ波を呼び起こす）は、可塑性を高めるのに役立つことがわかっている。
脳の奥深くに集中的な電気刺激を与えるより重要な理由は、海馬や大脳基底核のような神経構造が、さまざまな神経疾患や精神疾患に関係している場所だからである。たとえば、パーキンソン病では、大脳基底核の電気配線（さまざまな認知・運動機能を駆動する）が制御不能になり、震えや硬直した動きにつながる。同様に、アルツハイマー病では、海馬（短期記憶と長期記憶の両方を司る脳領域）が損傷を受けて縮小し、認知症になる。
電極から発せられる高周波は脳細胞が発火する周波数と同じであるため、病気の神経細胞を再び活動させることができる。この波動は、脳の奥深くにある海馬（新しい記憶の形成を司る領域）で発動される。これによって、アルツハイマーによって損傷した、すべての細胞のエネルギー源であるミトコンドリアが蘇ることが期待されるとのことだ。
この治験のリサーチ・アシスタントであるEvelyn Martin氏は、次のように説明する。「この治験は、脳電気刺激を用いて、アルツハイマー病における脳細胞の機能と構造の進行性喪失における脳活動の役割を調査することを目的としています。われわれは、時間干渉（TI）深部脳刺激によって、病気の初期段階で影響を受ける脳領域の神経活動に、非侵襲的に小さな一過性の変化を与えるアプローチを開発した。その結果、脳の活動だけでなく、エネルギー源や認知機能の一部の変化を測定することができます」と、述べている。
実験の第一部では、13人のボランティアが経頭蓋的時間干渉電気刺激（tTIS）を受けながら学習課題をこなした。画面に表示された数字に合わせてボタンを押すという課題（「ピアノを弾く簡単な形のようなものです」とHummel氏は言う）をこなしながら、機能的MRIで脳をスキャンし、神経活動の増加を調べた。その結果、自発的な運動制御に必要な脳の深部構造である線条体と、それに関連する運動ネットワークの血流が変化していることがわかった。
第2の実験では、30人の健康な成人を2つのグループに分け、一方にはtTISを、もう一方には高周波を発する電極をつけたプラセボを投与した。ボランティアの半数は20代で、他の半数は60代であった。参加者は誰も自分がどちらの治療を受けているか知らなかった。
参加者は同じ学習課題をこなしたが、脳はスキャンされなかった。研究者たちの興味は、実験グループとプラセボグループの間で、電気ジュースによる認知機能の向上が何らかの利点をもたらすかどうかを見ることであった。Hummel氏によれば、健康な若年成人にはあまり効果がなかった-tTISはプラセボ群と比べてわずかな効果しか発揮しなかった-が、健康な高齢者にとっては大きな違いであり、ピアノに似た課題を行っている間に運動学習が向上したことが示されたという。
サリー大学のInes Violante氏は、「非侵襲的なアプローチで脳の深部を選択的にターゲットにできることは、人間の脳がどのように作用しているのかを調べるツールとなり、臨床応用の可能性を開くものであるため、非常にエキサイティングなことです。非侵襲的イメージングと脳刺激を組み合わせることで、記憶や学習といった認知機能を支えるプロセスを解明することができます。このようなプロセスとその変化に関する知識は、病気の治療や発症を遅らせるためのより良い個別化戦略を開発するために不可欠です」と、述べている。
少なくとも、時間の経過とともに運動能力が自然に低下する高齢者集団にとっては、この結果は有望と思われるが、この研究はあくまで概念実証に過ぎず、臨床的価値を提供する前にさらなる調査が必要であることを忘れてはならない。
TIを認知症患者に投与する試験が、英国認知症研究所を通じて現在進行中である。ロンドンを拠点とするこの3週間の研究では、50〜100歳の軽度認知障害とその可能性が高い非家族性アルツハイマー病の初期段階の患者を募集した。
「この研究が、コストとリスクを大幅に削減することによって、脳深部刺激療法が利用可能になることを期待しています。我々は現在、脳深部刺激療法を何日も繰り返し行うことで、アルツハイマー病の初期段階の人々に効果があるかどうかを検証しています。これにより、患部の正常な脳活動が回復し、記憶障害の症状が改善されることを期待しています」と、脳科学部門の研究責任者Nir Grossmanは述べている。
この研究はまた、脳深部刺激療法における侵襲的手法と非侵襲的手法の論争に新たな局面を加えるものである。
Hummle氏は、tTISのような介入法は万能ではないと認めている。慢性疼痛やパーキンソン病のような神経疾患の治療など、患者や目的によっては、脳深部刺激のある方法が他の方法よりも適している場合もある。
論文
- Nature NeuroScience: Noninvasive theta-burst stimulation of the human striatum enhances striatal activity and motor skill learning
参考文献
- Imperial College London: Surgery-free brain stimulation could provide new treatment for dementia
- UK Dementia Research Institute: New non-invasive form of deep brain stimulation could provide alternative treatment for brain diseases
- via Inverse: NEUROSCIENTISTS CREATED A NEW BRAIN STIMULATION TECHNIQUE THAT MAY SPEED UP LEARNING
研究の要旨
脳深部構造の刺激は、これまで侵襲的な方法によってのみ可能であった。経頭蓋電気的時間干渉刺激（tTIS）は、この制限を克服する可能性のある新規の非侵襲的技術である。最初の概念実証は、モデリング、物理実験、げっ歯類モデルによって得られた。ここでは、計算モデリング、機能的磁気共鳴画像研究、行動評価を用いて、ヒトにおけるtTISによる線条体の非侵襲的神経調節の成功を示す。シータバーストパターンの線条体tTISは、線条体と関連する運動ネットワークの活動を増加させた。さらに、線条体tTISは、特に健康な高齢者の運動能力を向上させた。高齢者は若年者よりも自然学習能力が低いからである。これらの知見により、tTISはヒトの脳深部構造を非侵襲的に標的とする新しい方法として注目され、その機能的役割の理解が深まった。さらに、この結果は、線条体深部構造が病態生理学的に重要な役割を果たしている脳疾患に対する革新的な非侵襲的治療戦略の基礎を築くものである。
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