注意欠陥の原因は視床・皮質の抑制機能?計算モデルで解き明かす統合失調症(AI×医療)【論文】

   

(Featured AI and healthcare) Is the cause of attention deficit from the thalamic/cortical suppression function? Schizophrenia solved by computational model (Publication)

[論文] Y. J. John, B. Zikopoulos, D. Bullock, and H. Barbas, “Visual Attention Deficits in Schizophrenia Can Arise From Inhibitory Dysfunction in Thalamus or Cortex”. Computational Psychiatry, 2, 223-257 (2018). [DOI: 10.1162/cpsy_a_00023]

3つの要点

✔️統合失調症は、皮質と視床を結ぶ回路の抑制異常と関係している。

✔️開発されたモデルにより、皮質抑制性ニューロンや抑制性視床網様核の摂動が、注意力を散漫にさせることを突き止めた。

✔️この研究は、眼球運動測定のみならず、統合失調症における他の認知障害の研究など、幅広い領域への応用が期待される。

概説

統合失調症は、注意力に関連した眼球運動の障害を含む多様な認知障害に関連している。

構造レベルでは、統合失調症皮質視床を結ぶ回路の異常な抑制制御と関係している。

我々は、機能障害のある抑制がどのように入念な注視制御を減退させるのかを示す、スパイキングニューラルネットワークモデルを開発した。

我々のモデルは、機能的に異なる2つのクラスの皮質抑制性ニューロン、または抑制性視床網様核摂動が、刺激に対する持続的注意のために不可欠な処理を混乱させ、気を散らすものになっていることを明らかにした。

各回路ノードにおける摂動は、注意深い追跡または凝視において類似しているが定性的に異なる混乱をもたらしたので、我々の発見は、別個の根本的な神経の欠陥を検索する新しい眼球運動測定基準の調査の一助となる。

さらに、皮質視床回路は感覚、関連、および運動系にまたがる共通のモチーフであるため、モデルおよびその拡張は、正常機能および統合失調症における他の認知障害の神経基盤を研究するために広く適用することができる。

モデルの接続性
A)ニューラルグループ間の全体的な接続
CB−IN(calbindin-expressing interneuron;カルビンジン発現介在ニューロン)は遠位入力を受ける樹状突起のみを阻害する。PV−IN(parvalbumin-expressing interneuron;パルブアルブミン発現介在ニューロン)は、錐体ニューロンの細胞体を互いに阻害する。
B)消毒性短期可塑性(disinhibitory short-term plasticity;dSTP)
わかりやすくするために、皮質中の局所抑制性INは省略されている。 左:皮質-網状赤血球-視床(cortico-reticulo-thalamic ;CRT)ループでの皮質-視床の刺激が弱いまたは断続的である場合、視床網様核(thalamic reticular nucleus;TRN)からの閉ループ阻害が強く、持続的な視床皮質シグナル伝達を防ぎ、全体的な位相性または振動性を促進する刺激モード。 右:CRTループ内の皮質視床発火が強く持続的な場合、dSTPメカニズムによってTRNからの閉ループ阻害が弱まり、強い集中的な視床皮質シグナリング(暗赤色および緑色ニューロン)および強直性発火が促進されるモード。
MLN=中間層ニューロン DLN=深層ニューロン PV=パルブアルブミン介在ニューロン CB=カルビンジン介在ニューロン T=視床皮質ニューロン

摂動をまたいだ眼球運動の比較
各シミュレーションの最後の4秒間にズームインした、シミュレート摂動の各タイプのサンプルの行動パフォーマンス。左側のプロット(A〜D)は滑らかな追跡課題を示し、右側のプロット(E〜H)は固視課題を示している。青線はターゲット、赤線は目の位置、マゼンタの線(直線)は伸延剤、垂直の黒い目盛りは「サッカードのような」高速移動バーストの時間的位置を示している。PV-IN(A、E)、CB-IN(B、F)、TRNニューロン(C、G)、および短期可塑性(D、H)の摂動は、6秒目以降(緑色のバー)から発生する。これらは大まかな質的類似性を示すものの、詳細なパフォーマンスプロファイルは違いを示している。


摂動をまたいだリズミカルな活動の比較
各プロットは、2秒の摂動エポック(赤線)と摂動直前の2秒の期間(青線)のフーリエ変換のパワースペクトルを表す。左側のプロット(A〜D)は滑らかな追跡課題を示し、右側のプロット(E〜H)は固視課題を示している。PV-INの摂動(A、E)では、アルファパワーに変化はみられない。CB-IN(B、F)と短期可塑性(D、H)の摂動は、両方のタスクでアルファ帯が明らかに増加している。TRN摂動は、固視課題においてのみアルファパワーの増加を示した(G)。

著者

Yohan J. John (Neural Systems Laboratory, Department of Health Sciences, Boston University, Boston, Massachusetts, USA)

Basilis Zikopoulos (Human Systems Neuroscience Laboratory, Department of Health Sciences, Boston University, Boston, Massachusetts, USA / Graduate Program for Neuroscience, Boston University, and School of Medicine, Boston, Massachusetts, USA)

Daniel Bullock (Graduate Program for Neuroscience, Boston University, and School of Medicine, Boston, Massachusetts, USA / Department of Psychological and Brain Sciences, Boston University, Boston, Massachusetts, USA)

Helen Barbas (Neural Systems Laboratory, Department of Health Sciences, Boston University, Boston, Massachusetts, USA / Graduate Program for Neuroscience, Boston University, and School of Medicine, Boston, Massachusetts, USA)
email: barbas@bu.edu

出版情報

Received: 27 April 2018 / Accepted: 17 October 2018 / Published: 31 December 2018

Copyright: © 2018 Massachusetts Institute of Technology Published under a Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) license

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