Tracking the hidden dynamics of proprioception

コップに手を伸ばしたり、シャツのボタンを留めたり、一歩踏み出したりするたびに、脳は「今、自分の体はどこにあるのか？」という、静かでありながら緊急を要する問いに対する答えを導き出しています。腕が上がっているのか、あるいは足がしっかりと地面に着いているのかを知るために、わざわざ視線を下に落とす必要はありません。プロプリオセプション（固有受容感覚）として知られるこの内部感覚は、筋肉や関節からの絶え間なく静かな報告書として機能し、手足の位置やその動きを神経系に伝えています。科学者たちは、静止している状態での手足の位置を感知する方法については古くから理解してきましたが、手足が空間を移動している最中にその動きを追跡する能力については、長らく謎のままでした。なぜなら、ほとんどのテストは、人々に対して動きを止めて手の位置を推測させるものであり、そのプロセスには「位置の感覚」と「再び動こうとする努力」が混ざり合ってしまうため、測定が困難だったからです。動きの中でどのように脳が追跡を行っているかを測定する方法がなかったため、研究者たちは、私たちが動きながらどのように協調性を保っているのかを完全に理解することができませんでした。

研究チームは今回、この隠れたプロセスを実演する新しい方法を開発しました。彼らは、ロボットアームが人の手を不規則に、かつ優しく前後に動かし、その人物が目を使わずに、もう一方の手を使ってその動きを追跡するというタスクを作成しました。動いている手が視界から隠されているため、その人は自分の体の感覚のみを頼りに、動きについていかなければなりません。追跡する手が、隠された手にどれほど密接に一致しているかを分析することで、研究者たちは、脳が動きを感知することにおいて驚くほど速く、正確であることを発見しました。実際、脳は視覚と触覚の両方が利用可能な場合、動きの感覚を視覚よりもはるかに信頼していました。この研究は、この動的な動きの感覚が、単に静止している時の位置を知る能力の低速版ではなく、独自のルールに従って機能する、明確に区別された独立した能力であることを明らかにしています。

研究者たちはまず、この連続的な追跡を捉えるためのシステムを構築することから始めました。参加者は暗い部屋に座り、手は見えない状態にされました。ロボットが片方の手をランダムな経路で動かし、参加者はもう一方の手を使って、その経路をできる限り忠実に模倣しなければなりません。どれほど上手くできているかを測定するために、チームは二つの手のタイミングと滑らかさの合致度を観察しました。その結果、人々は驚くほどの速さで隠れた手を追跡でき、0.3秒足らずで反応できることが分かりました。この反応速度は現実世界の動きを導くのに十分な速さであり、脳が動きながら常に身体のマップを更新していることを示唆しています。このテストは信頼できるものであることも証明されました。一週間後に同じテストを行った際、参加者のパフォーマンスはほぼ同一であり、この手法が、人が自身の動きを感知する方法における安定した特性を捉えていることを示しました。

最も衝撃的な発見の一つは、この動きの感覚が視覚とどのように比較されるかという点でした。多くの状況において、私たちは視覚こそが物の位置を知るための最も強力な感覚であると想定しています。しかし、研究者が「動く物体を目で追うタスク」と「自分自身の動いている手を追跡するタスク」を比較したところ、後者の手が常に勝利しました。脳は、画面上の動く点を追跡するよりも、隠れた手を追跡する方が速く、かつ正確に動きました。視覚的な点が非常に明瞭で見やすい場合であっても、脳は依然として、動いている手の感覚の方を好みました。これは、進行中の動きを導くという特定のタスクにおいて、身体の内部感覚が主要なガイドであり、視覚は二次的な役割に過ぎないことを示唆しています。

研究ではまた、目と体から相反する信号を受け取った場合に何が起こるのかについても調査されました。実験の一環として、ロボットが隠れた手を動かしましたが、画面上の視覚的な点は、それとはわずかに異なる位置を示しました。二つの信号が食い違ったとき、参加者の追跡する手は二つの位置の中間地点へと動きましたが、視覚的な点よりも、実際の隠れた手の位置により近い場所に留まりました。これは、脳が目を見ているとはいえ、肢体の位置を判断する際には身体の感覚を極めて重視していることを示しています。脳は視覚的な信号に対してわずかな注意を払うだけであり、その注意は視覚的な信号が非常に明確で精密な場合にのみ、わずかに強まりました。この挙動は、脳がこれらの感覚をそれぞれの信頼性に基づいて組み合わせているという考えを支持していますが、動きに関しては、身体の感覚が常に最も信頼できる情報源であることを示しています。

おそらく最も驚くべき発見は、動きを感じる能力は、静止した位置を感じる能力とは別物であるということです。研究者たちは、同じ人々に対して、二つの異なるタスク、すなわち「動いている手を追跡するタスク」と「静止した手の位置を判断するタスク」を実施しました。その結果、手が止まっている時の位置を判断するのが非常に得意な人が、必ずしも動いている時の追跡が得意であるとは限らないことが判明しました。これら二つのスキルには相関関係がなく、ある人は一方においては非常に優れていても、もう一方においては平均的であるということが起こり得ました。これは、脳が、体が静止している時と動いている時とでは、異なるメカニズムを用いて身体を処理していることを示唆しています。動きの感覚は、静止している時の肢体の位置をどれだけ把握できているかという測定からは予測できない、独自の能力なのです。

この新しい追跡タスクと、脳の情報処理をシミュレートするコンピュータモデルを組み合わせることで、研究者たちは、純粋な「動きの感覚」を、手を動かす際の「物理的な努力」から分離することに成功しました。モデルは、運動中の肢体の位置に関する脳の推定値が、実際に筋肉を動かす際に生じるノイズや努力とは別物であることを裏付けました。この分離は極めて重要です。なぜなら、これにより、単なる最終的な動きではなく、感覚信号自体の質を測定できるからです。本研究は、神経系が、他の感覚を圧倒し、かつ独立して機能する、身体の動きを追跡するための特化した高速システムを備えていると結論付けています。この新たな理解は、神経疾患を持つ人々における固有受容感覚の検査における新たな道を切り開き、これまで測定が困難であった運動障害の診断や治療に役立つ可能性があります。