2024年12月18日
概要
中脳の下丘は、音処理で知られる領域ですが、触覚と聴覚の信号を統合することで触覚にも役割を果たしています。皮膚の非常に敏感な機械受容器であるパチニ小体は、この脳領域に高周波振動を伝え、感覚体験を増幅します。このメカニズムは、コンサート中に音楽の振動を感じるなどの現象を説明し、多感覚情報の処理における脳の適応性を強調しています。
重要な事実
- 多感覚統合:下丘は触覚と聴覚の両方の信号を処理し、感覚体験を強化します。
- パチニ小体の役割:これらの機械受容器は、高周波振動を検出し、それを脳に伝えるために不可欠です。
- 治療の可能性:これらの知見は、自閉症や慢性神経障害における感覚機能障害の治療に役立つ可能性があります。
出典:ハーバード
ルートヴィヒ・ヴァン・ベートーヴェンは28歳で聴力を失い始め、44歳で完全に失聴となった。彼の聴力喪失の原因は今も科学的な議論と継続的な見直しの対象となっているが、一つだけ明らかなことは、聴力喪失にもかかわらずベートーヴェンは作曲をやめなかったということだ。おそらく、楽器の振動を感じ取り、触覚を通じて音楽を「聞く」ことができたからだろうと研究者らは考えている。
ハーバード大学医学大学院の研究者らによる研究は、聴力喪失後、ベートーヴェンや他の音楽家が極めて洗練された触覚を発達させることができた理由を説明するのに役立つかもしれない。
対照的に、下丘の外側皮質のニューロンは高周波振動に優先的に反応した。クレジット：Neuroscience News
マウスを使った実験に基づき、12月18日に Cell誌に報告されたこの研究結果は、ある感覚の衰えが他の感覚を増強する仕組みと理由について、興味深い新たな手がかりを提供している。
また、脳と身体がどのように同期して機能し、複数の感覚を同時に処理するかについての理解に、驚くべき新たな展開をもたらします。
この研究は、これまで主に音声処理の役割について研究されてきた脳の下丘と呼ばれる領域が、皮膚の神経終末で検知される機械的振動を含む触覚信号の処理にも関与していることを突き止めた。
研究チームの実験により、皮膚にあるパチニ小体と呼ばれる超高感度機械受容器が感知した高周波の機械的振動が、身体感覚を処理する脳の領域である体性感覚皮質にのみ送られるわけではないことが明らかになった。
その代わりに、この研究で、これらの信号は主に体から中脳の下丘に送られていることがわかった。
「これは、触覚が脳のどこでどのように処理されるかという標準的な見解に反する、非常に驚くべき発見です」と、HMS 神経生物学部長でエドワード・R・アン・G・レフラー神経生物学教授でもある研究主任著者のデイビッド・ギンティ氏は述べた。
「中脳の下丘の領域が、内耳に作用する音波の形の振動であれ、皮膚に作用する機械的振動であれ、振動を処理することが分かりました。聴覚と機械的振動の信号がこの脳領域に収束すると、感覚体験が増幅され、より顕著になります。」
振動を検知する能力により、動物界全体の生物は、脅威を感知して回避するなど、生存に不可欠な環境の微妙な変化を感知して反応することができます。
たとえば、ヘビは顎を地面に押し付けて微妙な振動を感知し、獲物と捕食者の動きを感知します。
振動を感知する能力は、ある感覚を失った後に別の感覚を高めるために脳の神経の再配線が行われるなど、より複雑な適応の発達と改良にも中心的な役割を果たします。たとえば、視力喪失後に発達する聴覚の鋭敏化などがこれにあたります。
研究者らは、この新たな発見は、感覚を失った後に起こる神経の再配線という後者の状況に特に関連していると言う。これらの洞察は、聴覚障害を持つ人の触覚感度を高める補綴物の開発に役立つかもしれない。
「音をパチニアン周波数範囲内の触覚振動に変換する装置は、人々に音を知覚し体験する能力を高めることができる」とハワード・ヒューズ医学研究所の研究員でもあるギンティ氏は言う。
「このようなデバイスを体の周囲、パチニ神経細胞の近くに配置することで、手、腕、足、脚、体全体にさまざまな周波数の音誘発機械的振動を与えることができます。」
振動を非常に敏感に検知する装置
この発見は、パチニ細胞が体性感覚システムの重要な構成要素としての役割を担っていることを強調しています。その独特で精巧な構造が、並外れた感度の鍵となっています。この構造により、パチニ細胞はごくわずかな機械的振動も検知することができます。
各パチニ小体は、中央に神経終末が 1 つあり、その周囲をラメラ細胞と呼ばれる支持細胞の層が取り囲んでいる。タマネギのようなラメラ細胞膜の層はショックアブソーバーのような働きをし、パチニ小体が高周波振動に正確かつ迅速に反応し、低周波の乱れを減衰させる。
「進化により、動物界のさまざまな場所にこれらの受容体が配置され、さまざまな環境に適応するようになりました」と、ギンティ研究室の研究員で、本研究の筆頭著者であるエリカ・ヒューイ氏は述べた。
「人間の場合、これらの受容体は指先と足の皮膚の奥深くにありますが、たとえばゾウの場合は足と胴体に高濃度で存在しています。」
確かに、ゾウは足の裏と胴体の皮膚を通して微細な地震の振動を感知できることが研究でわかっています。しかし、最近まで、科学者は目覚めて自由に動いている動物のパチニ神経の活動を記録することができず、これらのニューロンが実際にどれほど敏感なのか、どのような刺激が活性化を引き起こすのか、全体像を把握することは困難でした。
ギンティ研究室のポスドク研究員であるヨゼフ・トゥレチェクが主導した以前の研究では、パチニ神経は非常に敏感であるため、数メートル離れた場所からでも、表面を指で動かすことによって生じるような微細な機械的振動を感知できることが示されました。
この新しい研究は、パチニ小体からの信号が脳内でどのように伝達され、処理されるかを探るという、これまでの研究を基にしている。研究者らは、機械刺激装置を使用して、マウスの手足やマウスが立っているプラットフォームにさまざまな周波数の機械的振動を与え、同時に感覚処理に関与する脳領域のニューロンの活動を記録しました。2
つの異なる脳領域にあるニューロンの反応を比較したところ、視床腹側後外側核（VPL）（感覚情報が体性感覚皮質に到達する前の中継ステーション）のニューロンが、低周波の振動に対してより敏感であることが分かりました。対照的に、下丘外側皮質のニューロンは、高周波の振動に優先的に反応しました。
皮膚にある2種類の機械受容器、パチニ小体とマイスナー小体が、高周波数振動と低周波数振動に対する2つの脳領域の異なる反応にどのような役割を果たしているかを探るため、研究チームはパチニ小体かマイスナー小体のいずれかを欠損した遺伝子組み換えマウスを研究した。
パチニ小体を持たないマウスでは、下丘のニューロンが高周波数振動に対する反応が著しく低下しており、パチニ小体がこの領域に高周波数振動を伝える上で重要な役割を果たしていることが示唆された。
研究者らがマウスを機械的振動ではなくホワイトノイズにさらしたところ、下丘のニューロンも反応することがわかり、この領域が聴覚刺激と体性感覚刺激の両方を処理していることが示唆された。
「実際、下丘のニューロンは触覚と聴覚の刺激の組み合わせに対して、どちらか一方だけよりも強く反応することが観察されました」とギンティ氏は言う。
ギンティ氏は、中脳の下丘における音と触覚の統合は、コンサートで音楽を聴くと同時に身体で感じることができる仕組みを説明するのに役立ち、複合的な感覚体験をより深いものにすると語った。
進化論的観点から見ると、この現象は生存に不可欠である可能性が高く、この現象についてさらに学ぶことで、機能不全が触覚過敏につながる自閉症や慢性神経障害などの症状の治療に役立つ可能性があります。
研究者らは今後の研究で、これらの発見が脳の適応能力の手がかりとなるかどうか、特に生物が聴覚喪失の代償メカニズムとして振動感知に対する感度を高めるかどうかを調査することにも意欲的です。
著者、資金、開示
その他の著者には、Josef Turecek、Michelle M. Delisle、Ofer Mazor、Gabriel E. Romero、Malvika Dua、Zoe K. Sarafis、Alexis Hobble、Kevin T. Booth、Lisa V. Goodrich、David P. Corey が含まれます。
この研究は、HHMI Hannah Gray フェローシップ、NEI P30 Core Grant for Vision Research #EY012196、NIH 助成金 F31 NS097344 および R35 5R35NS097344-05、Edward R. and Anne G. Lefler Center for Neurodegenerative Disorders、および Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center for Autism Research の支援を受けて行われました。
この感覚神経科学研究ニュースについて
著者:エカテリーナ・ペシェバ
出典:ハーバード大学
連絡先:エカテリーナ・ペシェバ – ハーバード大学
画像:この画像は Neuroscience News より提供されたものです
オリジナル研究：オープンアクセス。
「聴覚中脳は触覚振動感知を媒介する」David Ginty他著、Cell
リンク先はアメリカのNeuroscience Newsというサイトの記事になります。（原文：英語）