Neuromodulation of Neural Oscillations in Health and Disease
https://www.mdpi.com/2079-7737/12/3/371
健康と病気における神経振動の神経調節
Department of Biomedical Engineering, Columbia University, ET 351, 500 W. 120th Street, New York, NY 10027, USA
簡単なまとめ
Over the past few decades, advances in electroencephalography (EEG) recordings and brain stimulation has permitted an unprecedented view of how specific brain structures communicate as well as organize complex cognitive functions. Specifically, neurotransmitters (including norepinephrine, acetylcholine, and dopamine) have all been shown to have an impact on neural oscillations throughout the brain, linking them to changes in cognitive functions such as memory, attention, and executive function.
過去数十年にわたって、脳波記録(EEG)と脳刺激の進歩により、特定の脳構造がどのようにコミュニケーションを取り、複雑な認知機能を組織化するかについての前例のない考え方が可能になりました。具体的には、神経伝達物質(ノルエピネフリン、アセチルコリン、ドーパミンなど)はすべて、脳全体の神経振動に影響を与え、記憶、注意、実行機能などの認知機能の変化に関連していることが示されています。
While these interactions are still widely unexplored, their appearance in neurological disorders through cross-frequency coupling (CFC) brings light to the vital role they play in orchestrating healthy brain function. This brief review serves to highlight the important role each neuromodulatory system plays in changing widespread neural networks, emphasizing their involvement in health and disease to help inform more translational brain stimulation technologies.
これらの相互作用はまだ広く解明されていませんが、周波数間カップリング (CFC) を介した神経障害におけるそれらの出現は、健康な脳機能を調整する上でそれらが果たす重要な役割に光をもたらします。この簡単なレビューは、広範な神経回路網の変化において各神経調節システムが果たす重要な役割を強調し、より多くのトランスレーショナル脳刺激技術に情報を提供するために健康と病気への関与を強調するのに役立ちます。
cross-frequency coupling (CFC) :周波数間カップリング (CFC)
Abstract
要旨
Using EEG and local field potentials (LFPs) as an index of large-scale neural activities, research has been able to associate neural oscillations in different frequency bands with markers of cognitive functions, goal-directed behavior, and various neurological disorders. While this gives us a glimpse into how neurons communicate throughout the brain, the causality of these synchronized network activities remains poorly understood.
脳波(EEG)と局所場電位(LFP)を大規模な神経活動の指標として使用することで、さまざまな周波数帯の神経振動を認知機能、目標指向行動、およびさまざまな神経障害のマーカーに関連付けることができました。これにより、ニューロンが脳全体でどのように通信するかを垣間見ることができますが、これらの同期ネットワーク活動の因果関係はよくわかっていません。
local field potentials (LFPs):局所場電位(LFP)
goal-directed behavior 目標指向行動
Moreover, the effect of the major neuromodulatory systems (e.g., noradrenergic, cholinergic, and dopaminergic) on brain oscillations has drawn much attention. More recent studies have suggested that cross-frequency coupling (CFC) is heavily responsible for mediating network-wide communication across subcortical and cortical brain structures, implicating the importance of neurotransmitters in shaping coordinated actions. By bringing to light the role each neuromodulatory system plays in regulating brain-wide neural oscillations, we hope to paint a clearer picture of the pivotal role neural oscillations play in a variety of cognitive functions and neurological disorders, and how neuromodulation techniques can be optimized as a means of controlling neural network dynamics.
さらに、脳の振動に対する主要な神経調節系(例えば、ノルアドレナリン作動性、コリン作動性、およびドーパミン作動性)の効果が多くの注目を集めています。より最近の研究では、周波数間カップリング (CFC) が皮質下および皮質の脳構造にわたるネットワーク全体のコミュニケーションを仲介することに大きく関与していることが示唆されており、協調行動の形成における神経伝達物質の重要性が示唆されています。脳全体の神経振動を制御する上で各神経調節系が果たす役割を明らかにすることで、神経振動がさまざまな認知機能や神経障害において果たす重要な役割と、神経回路網のダイナミクスを制御する手段として神経調節技術を最適化する方法をより明確に描きたいと考えています。
Keywords:
キーワード
neuromodulation; EEG; noradrenergic system; cholinergic system; dopaminergic system; pupil-linked arousal; neural oscillations; cross-frequency coupling; vagus nerve stimulation; neurological disorders
キーワード
神経調節、脳波、ノルアドレナリン系、コリン系、ドーパミン系、瞳孔連動性覚醒、神経振動、周波数間カップリング (CFC)、迷走神経刺激、神経障害
1.Introduction
1.はじめに 1-1
Neural oscillations are thought to be an essential driver of interaction, communication, and information transmission throughout the brain [1,2,3]. Evolution has maximized the role these oscillations play in regulating and controlling neuronal functions, driving the synchronization of widespread neural networks in the brain. The EEG provides the most popular non-invasive methods to record neural oscillations, summating the local field potentials of thousands of neurons in cortical structures [4,5]. Not only does this tool characterize the “global” brain state as a time series of voltage potentials, but also allows researchers to analyze these oscillatory waveforms through frequency domain analysis. Studies have suggested that distinct EEG frequency bands (Delta, Theta, Alpha, Beta, Gamma) are generated from unique neural populations across a variety of brain regions [6].
神経振動は、脳内の相互作用、コミュニケーション、情報伝達の重要な伝達機構であると考えられている[1,2,3]。進化は、これらの振動が神経細胞機能の調節と制御に果たす役割を最大限に高め、脳内の広範な神経ネットワークの同期を促進した。脳波は、神経振動を記録する最も一般的な非侵襲的方法であり、皮質構造における何千ものニューロンの局所電位を合計する[4,5]。このツールは、電位差の時系列として「グローバルな」脳の状態を特徴付けるだけでなく、周波数領域分析によってこれらの振動波形を分析することも可能である。研究では、異なる脳波の周波数帯(デルタ、シータ、アルファ、ベータ、ガンマ)が、さまざまな脳領域にわたる固有の神経集団から生成されることが示唆されています [6]。
This characterization shows the ability of different brain structures to generate specific neural oscillatory patterns, permitting synchronization and frequency coupling [6]. Assessing the effect of oscillatory changes both globally and locally throughout the brain can uncover the important and/or causal role of various neuromodulatory processes [7]. Cross-frequency coupling (CFC), resulting from coupling between various neural circuits and/or different types of neurons through chemical or electrical synapses, has recently become a more prominent topic [8,9]. Components of CFC such as phase?phase and phase?amplitude coupling have been shown to have a large influence on cognitive processes including attention, learning, and short- and long-term memory [10,11].
この特徴は、異なる脳構造が特定の神経振動パターンを生成し、同期と周波数結合を可能にする能力を示しています[6]。脳内の全体的および局所的な振動変化の影響を評価することで、様々な神経調節プロセスの重要な役割や因果関係を明らかにすることができます[7]。最近、化学的または電気的シナプスを介した様々な神経回路や異なる種類のニューロン間の結合に起因する周波数間カップリング(CFC)が、より顕著な話題となっている [8,9]。周波数間カップリング(CFC)の構成要素である位相-位相および位相-振幅結合は、注意、学習、短期・長期記憶などの認知過程に大きな影響を与えることが示されている[10,11]。
phase?phase and phase?amplitude coupling : 位相-位相および位相-振幅結合
Additionally, the phase?amplitude synchronization of these high and low frequency bands plays a prominent role in facilitating neural communication and neural plasticity [12,13,14,15]. Neurological diseases and conditions can often be associated with an abnormal oscillatory desynchronization or type of CFC, unveiling the importance that synchronized neural networks have in carrying out normal brain function [16]. While largely misunderstood, this network-wide communication seems to be an instrumental part of the coordination and regulation of cognitive abilities. More recently, neural stimulation techniques such as vagus nerve stimulation (VNS) and deep brain stimulation (DBS) have been incorporating types of CFC analysis to better understand the effects of phase-coupled neuromodulation [17,18,19,20]. By leveraging the causal effects of neuromodulation on cognitive functions, these tools are focusing on real-time oscillation analysis to optimize the effectiveness of stimulation across brain regions [21].
さらに、これらの高周波数帯と低周波数帯の位相振幅同期が、神経伝達や神経可塑性を促進する上で重要な役割を果たしています[12,13,14,15]。神経学的な疾患や状態は、しばしば異常な振動の非同期化や周波数間カップリング(CFC)のタイプと関連することがあり、正常な脳機能を遂行する上で同期した神経ネットワークが重要であることが明らかにされています [16]。大きく誤解されているようだが、このネットワーク全体のコミュニケーションは、認知能力の調整と調節に不可欠な要素であるようだ。最近では、迷走神経刺激(VNS)や脳深部刺激療法(DBS)などの神経刺激技術が、位相結合神経調節の効果をよりよく理解するために、周波数間カップリング(CFC)分析の一種を組み込んでいます[17,18,19,20]。認知機能に対する神経調節の因果関係を活用することで、これらのツールは、脳領域全体における刺激の効果を最適化するために、リアルタイムの振動解析に焦点を当てている[21]。
phase?amplitude synchronization:位相振幅同期
Deep Brain Stimulation; DBS脳深部刺激療法(DBS)
Introduction 1-2
はじめに 1-2
The neuromodulatory systems, including the noradrenergic, cholinergic, and dopaminergic systems, play a pivotal role in the regulation and synchronization of neural oscillations. These systems provide direct axonal projections to most structures of the brain, regulating various brain functions through the release of neurotransmitters [22,23,24,25] (Figure 1a). Specifically, norepinephrine, acetylcholine, and dopamine are all implicated in the formation of complex decision making and executive functions [26]. Through their activation and inhibition, each neuromodulatory system has been seen to change the oscillatory behavior of widespread neural networks, implicating changes in cortical structures as well as in different frequency bands [27]. Recently, more work has been conducted that focuses on how cross-frequency coupling can be affected by neuromodulation, with phasic or tonic neurotransmitter release causing synchronization or desynchronization in EEG waveform features such as power, amplitude, phase and frequency [28]. These experiments are often using optogenetic manipulation in conjunction with LFP recordings, providing insights into how particular neuromodulatory centers can have a profound effect on neural oscillations, even in indirectly coupled brain regions. Another non-invasive biometric measure, pupil size, has also been implicated in having a key role in indexing neuromodulation, potentially serving as a new indirect modality in understanding the widespread effect of different arousal states on neural oscillations and behavior [29,30,31,32,33,34].
神経振動の制御と同期化には、ノルアドレナリン系、コリン系、ドーパミン系などの神経調節系が極めて重要な役割を担っています。これらの系は、脳のほとんどの構造物に直接軸索投射を行い、神経伝達物質の放出を通じて様々な脳機能を調節しています[22,23,24,25](図1a)。特に、ノルエピネフリン、アセチルコリン、ドーパミンは、複雑な意思決定や実行機能の形成に関与している [26]。それぞれの神経調節系は、その活性化と抑制を通じて、広範な神経ネットワークの振動挙動を変化させ、皮質構造や異なる周波数帯域での変化に関与していることが確認されている[27]。最近では、ニューロンモジュレーションによって周波数間カップリング(CFC)がどのように影響されるかに焦点を当てた研究が行われており、位相性または緊張性の神経伝達物質放出によって、パワー、振幅、位相、周波数などの脳波EEG波形の特徴に同期化または非同期化が生じることが分かっている [28].これらの実験は、局所電場電位LFP記録と連動した光遺伝学的操作を用いることが多く、間接的に結合した脳領域であっても、特定の神経調節中枢が神経振動に大きな影響を与えることができるという洞察を与えている。また、非侵襲的な生体指標である瞳孔の大きさも、神経調節の指標として重要な役割を果たすことが示唆されており、異なる覚醒状態が神経振動や行動に及ぼす広範な影響を理解するための新しい間接的モダリティとなる可能性があります [29,30,31,32,33,34].
LFP:local field potential, LFP:局所電場電位
局所電場電位(local field potential, LFP)は、脳内から記録される比較的低周波の振動電位で、頭蓋表面から記録される脳波の元となる信号である ...
Figure 1. Anatomical representations of each neuromodulatory system and CFC visualization: (a) Anatomical locations and projections of the three neuromodulatory systems: the noradrenergic system (left), dopaminergic system (middle), and cholinergic system (right). (b) A cartoon illustrating theta?gamma phase?amplitude coupling (PAC).
図1. 神経調節系の解剖学的表現と周波数間カップリング (CFC) (CFC)の可視化:(a)3つの神経調節系、ノルアドレナリン系(左)、ドーパミン系(中)、コリン系(右)の解剖学的位置と突起。(b) シータ・ガンマの位相・振幅結合(PAC)を説明する漫画イラストデザイン
This review will focus on how these three neuromodulatory systems can individually modulate neural oscillations, looking specifically at how their activation can change large-scale neural network synchrony in cognitive functions and neurological disorders. This phenomenon has yet to be fully understood, and looking at how each system’s activation or inhibition affects large scale oscillatory patterns may help uncover the origin and causality of complex behaviors and neurological disorders. These insights will hopefully inform a new direction of research that looks to further investigate how neuromodulation could improve and/or shape brain functions through changing large-scale neural oscillations.
本総説では、これら3つの神経調節系が個々にどのように神経振動を調節するのか、特に、それらの活性化が認知機能や神経疾患における大規模な神経ネットワークの同期をどのように変化させるのかに注目する。この現象はまだ完全に解明されておらず、各システムの活性化や抑制が大規模な振動パターンにどのように影響するかを調べることで、複雑な行動や神経疾患の起源や因果関係を明らかにすることができるかもしれません。これらの知見は、大規模な神経振動を変化させることによって、神経調節がどのように脳機能を改善したり、形成したりできるかをさらに研究する新しい方向性につながることが期待されます。
用語
概要|大阪大学医学部附属病院 未来医療開発部未来医療センター (osaka-u.ac.jp)
トランスレーショナルリサーチ(TR)とは?
http://www.hp-mctr.med.osaka-u.ac.jp/tr/index.html
医療におけるトランスレーショナルリサーチとは、新しい医療を開発し、臨床の場で試用してその有効性と安全性を確認し、日常医療へ応用していくまでの一連の研究過程をさします。広くは疾病の予防から診断までの改善をも含めます。
Tensorpacによる位相-振幅カップリング (PAC) 推定
https://oumpy.github.io/blog/2022/05/tensorpac.html
Contents
周波数間カップリング (CFC) について
Tensorpac
人工データの生成
パワースペクトル密度 (PSD) 推定
位相-振幅カップリング (PAC) 推定
統計検定とComodulogramの描画
その他の参考文献
周波数間カップリング (CFC) について
近接する神経細胞の集団活動によって生じる電位変化を電場電位(field potential) といい,脳波計(EEG), 皮質脳波(ECoG), 脳磁図(MEG)等で計測できる.細胞集団の同期した活動は様々な周波数の振動として計測される.その周波数が属する周波数帯域に応じて,次のような名称がついている.
Gamma (γ?) > 30 Hz
Beta (β?) 12-30 Hz
Alpha (α?) 8-12 Hz
Theta (θ?) 4-8 Hz
Delta (δ?) 0.5-4 Hz
周波数間カップリング (cross-frequency coupling; CFC) とは,異なる周波数帯域の振動の間における相互作用の総称である.次の図は(Jirsa & M?ller. Frontiers in Computational Neuroscience. 2013)からの引用であり,様々なCFCを示している.Aでは振動Xの振幅(amplitude)の2乗(=power)が赤線,位相(phase)の基準が縦点線で示されている.B-FはXの振幅や位相に対してY1-Y5の振幅や位相,周波数が変調されている様子を表している.ここで因果関係は明らかでないので各YからXが変調されている場合もある.GはY5-Y6間での周波数における変調を示している.
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