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June 02, 2023

匂いを嗅いでから0.5秒以内に、ヒト梨状皮質で選択的にシータ波パワーを誘発する

New Insights Into How the Brain Processes Scents

https://neurosciencenews.com/olfactory-processing-6849/

脳が香りを処理する仕組みを解明

Featured Neuroscience June 6, 2017

Summary: Theta oscillations may play an important role in olfactory processing, a new study reports.

概要:シータ波振動が嗅覚処理に重要な役割を果たす可能性があることが、新しい研究で報告された。

Source: Northwestern Medicine.

出典:ノースウェスタン医学誌

Theta oscillations, a type of rhythmic electrical activity that waxes and wanes four to eight times per second, may play a fundamental role in processing scent in the human brain, according to a new study recently published in Neuron.

シータ振動は、1秒間に48回満ち欠けするリズミカルな電気活動の一種で、人間の脳における香りの処理に基本的な役割を果たしている可能性があることが、最近『Neuron』に掲載された新しい研究によって明らかになりました。

The use of intracranial EEG recordings in patients with medically resistant epilepsy allowed Jay Gottfried, MD, PhD, professor of Neurology, and his team to characterize, for the first time, the time-frequency dynamics of odor processing in the human piriform cortex, a region in the brain important for smell.

神経内科のジェイ・ゴットフリード教授(医学博士)と彼の研究チームは、医療抵抗性てんかん患者の頭蓋内脳波記録を用いて、人間の梨状皮質という嗅覚に重要な脳の領域における香り処理の時間-周波数ダイナミクスを初めて明らかにした。

intracranial EEG recordings ; 頭蓋内脳波記録

The study we did here was to understand what happens at the microstructural level of the human brain when you smell an odor, Gottfried said. The advantage of the approach is we can record the physiological rhythms of the brain using these electrodes in this unique and rare patient population.

「私たちがここで行った研究は、香り嗅いだときに、人間の脳の微細構造レベルで何が起こるかを理解することでした」とゴットフリードは述べています。"このアプローチの利点は、このユニークで稀な患者集団において、これらの電極を使用して脳の生理的リズムを記録できることです。"

They found that odors could be decoded as early as 110 milliseconds from a person’s first sniff.

彼らは、人が最初に匂いを嗅いでから0.11秒という早い段階で、匂いを解読できることを発見しました。

A lot of people think that the sense of smell is a very slow sense, so this study highlights the speed of the sense of smell and relates it to its biological underpinnings, Gottfried said.

"多くの人が、嗅覚はとても遅い感覚だと考えています。"この研究は、嗅覚のスピードに注目し、その生物学的基盤に関連付けるものです」とゴットフリードは述べています。

Heidi Jiang, a graduate student and the first author of the study, obtained electrophysiological recordings while patients took part in a cued odor detection task.

本研究の筆頭著者である大学院生のハイディ ジャンは、患者が手がかりとなる匂い検出課題に参加している間に電気生理学的記録を取得しました。

electrophysiological recordings :電気生理学的記録

Jiang and Gottfried found that odor stimulation enhanced theta waves in the piriform cortex, in each of seven patients. Under conditions where patients smelled odorless air, the scientists observed no change in theta waves. Across four different odors, the physiological features of the theta waves could be used to distinguish between each odor.

ジャン氏とゴットフリード氏は、7人の患者それぞれにおいて、匂いの刺激によって梨状皮質のシータ波が増強されることを発見した。また、無臭の空気を嗅ぐ条件では、シータ波に変化は見られなかった。また、4種類の匂いを嗅いだところ、シータ波の生理的特徴から、それぞれの匂いを区別することができました。

Based on this rhythmic activity, we can decode which smell the patient has encountered, Gottfried said. These oscillations contain critical information about whether the smell is strawberry, peanut butter, chocolate or garlic, and this information is already available to the brain within a very rapid timeframe.

ゴットフリード氏は、「このリズミカルな活動に基づいて、患者がどの匂いに遭遇したかを解読することができます」と述べています。"これらの振動には、その匂いがイチゴなのか、ピーナッツバターなのか、チョコレートなのか、ニンニクなのかという重要な情報が含まれており、この情報は、非常に速い時間枠ですでに脳に提供されています。"

Additionally, with electrodes in the piriform cortex and hippocampus, they found the presence of odor caused both regions to fall into a synchronized rhythm, suggesting that theta oscillations facilitate the coordination and exchange of information between those two areas.

さらに、梨状皮質と海馬に電極を設置したところ、匂いの存在によって、両領域が同期したリズムに陥ることがわかり、シータ波振動が、これら2つの領域間の情報の調整と交換を促進していることが示唆されました。

What is neat about this finding is that the hippocampus is a central hub through which memories can be reactivated and retrieved ? like what ice cream you ate, when you ate it, and where you ate it. Its possible that the hippocampus is able to telegraph some of that information to the piriform cortex to facilitate olfactory processing, Gottfried said.

「この発見の素晴らしい点は、海馬が、いつ、どんなアイスクリームを食べたか、どこで食べたかなど、記憶を呼び覚ましたり、呼び出したりする中枢である。海馬がその情報の一部を梨状皮質に伝え、嗅覚の処理を促進させている可能性があります」とゴットフリード氏は述べました。

As noted above, the subjects in the study were patients with medically resistant epilepsy who had existing electrode implants placed for purely clinical considerations, but gave the scientists an opportunity to gather detailed electrophysiological data.

前述のように、この研究の対象者は、医療抵抗性のてんかん患者であり、純粋に臨床的な配慮から既存の電極を埋め込んだが、科学者たちに詳細な電気生理学的データを収集する機会を与えてくれた。

A lot of our work has used fMRI techniques to relate brain activity patterns in the human brain to different odor perceptual states such as memory, but the fMRI work provides a very limited understanding of the mechanisms and timing that support the sense of smell. So it has been a special opportunity to work with these rare epilepsy patients at Northwestern, Gottfried said.

「私たちの研究の多くは、磁気共鳴機能画像法(fMRI)技術を使用して、人間の脳の脳活動パターンを記憶などのさまざまな匂い知覚状態に関連付けてきましたが、fMRIの研究は、嗅覚をサポートするメカニズムとタイミングについて非常に限られた理解しか提供していません。ですから、ノースウェスタン大学でこれらのまれなてんかん患者と協力することは特別な機会でした」とゴットフリード氏は述べました。

functional magnetic resonance imaging, fMRI 磁気共鳴機能画像法(fMRI

Previous research has shown that theta oscillations are a dominant rhythm in rodent brains, in line with the rapid breathing rate of rats and mice. Gottfried found that while the human brain oscillates at this same theta timescale, humans breathe at a much slower rate.

これまでの研究で、げっ歯類の脳ではシータ波振動が支配的なリズムであり、ラットやマウスの急速な呼吸速度に一致していることが明らかになっている。ゴットフリード氏は、人間の脳がこの同じシータ波振動のタイムスケールで振動している一方で、人間の呼吸速度ははるかに遅いことを発見しました。

It poses a question in my mind that, for humans, theta isnt simply something that falls in line with the breathing cycle, but rather might be a more fundamental rhythm for odor processing in the brain, Gottfried said.


「人間にとって、シータ波は単に呼吸サイクルに沿ったものではなく、脳内の匂い処理のより基本的なリズムである可能性があるという疑問を私の心に投げかけます」とゴットフリードは述べています。

A Type of Timekeeping Mechanism

時を刻む仕組みの一種

In terms of functional significance, Gottfried believes these oscillations might serve as an internal clock in the brain.

機能的な意義として、ゴットフリード氏は、これらの振動が脳の内部時計として機能するのではないかと考えている。

The brain doesnt really have access to an external time reference, and across numerous studies there is more and more evidence to suggest it is the oscillations in the brain that are time-keeping mechanisms, Gottfried said. The brain may use these oscillations to segment information into malleable packets of information.

「脳は、外部の時間基準にアクセスすることができません。多くの研究により、脳の振動が時間を管理するメカニズムであることを示す証拠が増えています。"脳は、これらの振動を利用して、情報を変容可能性ある情報パケットに分割しているのかもしれません"

Malleable 変容可能性

Gottfried said in future studies, he wants to understand more about the importance of theta oscillations in contributing to odor perception and test the hypothesis that theta rhythms might serve as a clock for regulating brain dynamics.

ゴットフリード氏は、今後の研究で、匂いの知覚に寄与するシータ波振動の重要性をもっと理解し、シータリズムが脳のダイナミクスを制御するための時計として機能するかもしれないという仮説を検証したいと語っています。

関連記事

下記はNeuronの記事

Theta Oscillations Rapidly Convey Odor-Specific Content in Human Piriform Cortex
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(17)30204-0

シータ波振動はヒト梨状皮質の匂い特異的な内容物を急速に伝達する

Highlights

ハイライト

Odor elicits theta power selectively in human piriform cortex within 500 ms of sniff ok

匂いを嗅いでから0.5秒以内に、ヒトの梨状皮質で選択的にシータ波パワーを誘発する

Presence (versus absence) of odor enhances piriform-hippocampal theta phase locking

匂いの有無によって、梨状皮質と海馬のシータ波位相ロックが増強される。

phase locking 位相ロック

Odor-specific content can be decoded from piriform oscillations as early as 110 ms

匂い特有の内容物は、早くも0.11秒で梨状振動から解読できます

ms・milli second: ミリセカンド, ミリ秒 1秒は1000msとなります。
Decoded:解読する

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