Direction-Specific Effects of Biphasic Transcranial Magnetic Stimulation on Cortical and Cortico-spinal Excitability

あなたの脳を、何十億もの小さな伝令役（ニューロン）が、すべてを円滑に動かし続けるために絶えずメモを回し合っている、活気ある都市だと想像してみてください。時として、科学者たちは、物事が少し刺激的になったときに、これらの伝令役がどのように反応するかを覗き見たいと考えます。これを行うために、彼らは経頭蓋磁気刺激法（TMS）と呼ばれるツールを使用します。TMSを、頭の上に浮かぶ巨大で目に見えない磁石のようなものだと考えてください。スイッチが入ると、磁気パルスが発生して頭蓋を通り抜け、そのすぐ下にある脳細胞に、小さく無害な電気ショックを与えます。それは、ドラムを叩いて皮膚がどのように振動するかを確認するようなものですが、ドラムの代わりに、脳を叩いて、脳が電気でどのように「振動」するかを見るのです。

通常、科学者は、脳の「モーター」部門が正しく機能しているかどうかを確認するためにこれを使用します。例えば、手の動きを制御する脳の部分を刺激すると、手がピクッと動くことがあります。このピクつきは、運動誘発電位（MEP）と呼ばれます。しかし、ここでの難しい点は、磁石はただ一方向に刺激を与えるだけではないということです。電流は、川の流れが変わるように、前方に流れたり後方に流れたりします。長い間、科学者たちは、この「電気の川」の方向が重要なのかどうか確信が持てませんでした。電流が前向きに流れるか、後ろ向きに流れるかで意味が変わるのでしょうか？ それによって脳の「ドラムの鼓動」の大きさや、信号が伝わる速さが変わるのでしょうか？ この問いは重要です。なぜなら、もし電流の方向が変わることで脳の反応が変わるのであれば、正確な結果を得るために、科学者はどの方向に磁気ワンド（杖）を向けるかに細心の注意を払う必要があるからです。

この研究において、研究チームは、脳の電気に関する「間違い探し」を行うことで、この論争に決着をつけることにしました。彼らは23人の健康なボランティアを招き、ハイテクなロボットアームを使用して、右手の動きを制御する左脳の上に、磁気コイルを完璧に静止させた状態で保持しました。ロボットは極めて重要でした。なぜなら、わずかな揺れでも実験を台無しにしてしまうからです。研究者たちは、前向き（AP-PA）と後ろ向き（PA-AP）という2つの異なる電流の方向で脳を刺激しました。これは、手をピクッとさせるのに十分な強さ、具体的には「安静時運動閾値」の110%の強さで行われました。

脳が刺激されている間、チームは2つのことを同時に記録しました。第一に、手の筋肉を観察して物理的なピクつき（MEP）を確認しました。第二に、64個のセンサーを備えたキャップを使用して、脳の電気的なチャタリング（EEG）を聴き取り、頭蓋内での即座の「思考」や反応を確認しました。彼らは、電流の方向が、手のピクつきの大きさ、発生の速さ、あるいは脳の電気的な「歌」の形を変えるかどうかを知りたかったのです。

結果は、電流の方向が確かに重要であることを示しましたが、あらゆる面で影響を与えるわけではありませんでした。電流が前向き（AP-PA）に流れたとき、脳はより起こされやすくなりました。つまり、研究者が手のピクつきを引き起こすために必要なパワーが少なくなり、ピクつきも速くなりました。しかし、電流が後ろ向き（PA-AP）に流れたとき、脳は少し頑固になり、より多くのパワーを必要とし、信号を手に送るのに少し時間がかかりました。興味深いことに、手のピクつきの「大きさ」自体は、2つの方向間でほとんど変わりませんでした。脳は、そこに至るまでの異なる経路を通っただけなのです。

物語は、脳の内部の電気的な歌に注目するとさらに面白くなります。研究者たちは、電流の方向が脳のメロディの特定の音符を変えることを見出しました。例えば、「P60」と呼ばれる特定の脳波は、電流が後ろ向きに流れたときの方がわずかに早く発生しました。また、「N100」と呼ばれる波は、脳がピクつきの感覚を処理する方法、あるいは「ブレーキ」や抑制の瞬間に関連していると考えられていますが、電流が後ろ向きのときに、より強く（より負の方向に）なりました。これは、後ろ向きの電流が、脳の内部的な処理や抑制システムのボリュームを上げている可能性を示唆しています。

チームはまた、大きな視点から脳活動の全体的な「明るさ（音量）」を測定しました。彼らは、脳の反応の中間部分（刺激から51〜110ミリ秒の間）において、後ろ向きの電流が前向きの電流と比較して、脳全体でより大きく、より活発な信号を作り出すことを発見しました。

最後に、研究者たちは、脳の内部の歌と手の物理的なピクつきとの間の点と点を結びつけようと試みました。彼らは、手のピクつきが大きくなると、電流の方向に関わらず「N100」の脳波も大きくなるという関連性を見出しました。また、手のピクつきと「P30」波の間にも関連がありましたが、それは電流が前向きに流れた場合に限られていました。これは、脳の内部反応と体の物理的な動きが互いに会話をしているものの、その会話の内容は、磁気によるタップがどのように届けられたかによって変化することを示唆しています。

要約すると、この論文は、電流の方向が脳の反応を調整する「ダイヤル」であることを裏付けています。それは単にボリュームを上げたり下げたりするだけでなく、タイミングや脳が奏でる特定の音符さえも変えてしまうのです。手のピクつき自体は似たように見えるかもしれませんが、脳の内部の旅路は異なります。したがって、この技術を使用する科学者や医師にとって、電流の方向を注視することは、脳が正確に何を行っているかを理解するために不可欠です。研究は、どちらの方向が「優れている」とは結論づけていませんが、それらが脳を独自のやり方で活性化させる、明確に異なるツールであることを示しています。今後の研究では、私たちの脳がどのように機能するかというより良い地図を作成するために、この方向性を考慮に入れる必要があります。