Directional coordination along the cortical hierarchy is selectively reorganized in schizophrenia

人間の脳は静的な機械ではなく、絶えず異なる動作モード間を移行し続ける動的な風景である。数十年にわたり、科学者たちは脳が階層構造、すなわち、視覚や聴覚といった基本的な感覚入力を処理する低次の領域と、複雑な思考や計画を管理する高次の領域からなる層状構造を持っていることを理解してきた。神経科学における中心的な問いは、これらの層がどのように互いに通信しているかということであった。高次の領域が低次の領域に指示を送っているのか、それとも低次の領域が加工される前の生データを高次へと送っているのか。統合失調症として知られる障害では、このコミュニケーションが崩壊していると考えられており、その結果、感覚体験がフィルターを通さず、文脈から切り離されたものに感じられるようになる。しかし、これまで脳を研究するために用いられてきたツールは、シーンの明るさだけを記録し、光の方向を無視するカメラのようなものであった。それらは、2つの脳領域がどれほど強く接続されているかを研究者に伝えることはできたが、ある瞬間にどちらの領域が会話をリードしているのかを見ることはできなかった。

トライ・インスティテューショナル・センター・フォー・トランスレーショナル・リサーチ・イン・ニューロイメージング・アンド・データ・サイエンスの研究者らによる新しい研究は、脳の交通の方向を見る方法を開発することで、この状況を変えた。数百人の人々（統合失調症患者を含む）の脳スキャンを分析することで、研究チームは、脳が自然に3つの異なる通信状態を循環していることを発見した。一つの状態では、高次の思考領域が低次の感覚領域をリードし、マネージャーが指示を与えるように機能する。別の状態では、感覚領域がリードし、生のデータを上方へと送る。第三の状態であるバランスの取れた状態では、両者が等しく情報を交換する。研究者たちは、統合失調症の人々においては、この自然なリズムが乱されていることを見出した。これらの状態の間を自由に移動する代わりに、脳はバランスの取れた中間状態に固執してしまい、「マネージャー主導」の状態を維持する能力を失ってしまうのである。この、従来のメソッドでは不可視であった特定の崩壊は、症状の重症度や個人の思考能力と相関していた。

研究は、151人の統合失調症患者と160人の健康な対照群による安静時脳スキャンを調べるところから始まった。研究者たちは、脳信号のタイミングの差を保持する特殊な数学的手法を用い、どの領域がリードし、どの領域が従っているのかを見ることができるようにした。彼らは、健康な脳が3つの繰り返されるパターンを通過することを発見した。一つ目のパターンは、彼らが「フィードバック」と呼ぶもので、複雑な思考を司る連合領域が感覚領域をリードする場合に起こる。もう一つのパターンは「フィードフォワード」と呼ばれ、感覚領域が連合領域をリードする場合に起こる。第三のパターンは「統合的（インテグレーティブ）」であり、情報の流れが均衡している状態である。これらの3つのパターンは、異なるグループの人々や異なるスキャニングマシンにおいても一貫して現れたため、脳の働きにおける根本的な特徴であることが証明された。

研究者が健康なグループと統合失調症のグループを比較した際、これらのパターンの選択的な再編成が見出された。統合失調症患者の脳は、高次領域が低次領域を導く「フィードバック状態」で過ごす時間が有意に短かった。また、情報の流れが均衡している「統合的状態」で過ごす時間は長くなっていた。決定的なことに、感覚領域がリードする「フィードフォワード状態」は、大部分が変化していなかった。これは、この障害が単にすべての接続を弱めているのではなく、トップダウンのガイダンス・システムを維持する能力を特異的に侵食していることを意味する。統合失調症の脳は、これらの状態間を移動する頻度も少なくなり、パターンへとより早く落ち着いてしまう。これは、柔軟性の喪失を示唆している。研究者たちは、結果が単一のデータセットによる偶然の産物ではないことを確認するため、第二の独立した患者グループと対照群を用いてこれらの知見を検証した。

研究はまた、これらの脳パターンが現実世界の行動や症状とどのように関連しているかについても調査した。健康な人々においては、脳が安定したパターンに落ち着く速度は、学習能力の高さと関連していた。しかし、統合失och症の人々においては、この関係が逆転した。同じ「素早い落ち着き」が、注意力の低下や認知パフォーマンスの低下に関連していたのである。これは、健康な精神にとっては安定した脳状態が有用である一方で、障害のある脳においては、それは硬直した非生産的なモードへの崩壊を意味することを示唆している。さらに、幻覚や妄想などの陽性症状の重症度は、脳がバランスの取れた状態からフィードフォワード状態へと滑り落ちる頻度と結びついていた。脳が文脈なしに感覚データに主導権を渡す状態へとドリフトするほど、症状はより深刻になった。

研究者たちは、これらのパターンが単なる統計的なトリックではなく、脳の制御可能な特性であることを証明するために、別の健康なボランティアのグループを用いて、異なる条件下でシステムをテストした。彼らはプロポフォールという薬を使用してボランティアを鎮静させ、テニスをしている様子を想像するというメンタル・タスクを用いて精神活動を働かせた。鎮静は、高次領域がリードする「フィードバック状態」へと脳の活動をシフトさせ、一方でメンタル・イマジナリー（心的イメージ）のタスクは、脳を「フィードフォワード状態」へとシフトさせた。この二重の変化は、脳の方向軸が実験的に動かせることを示し、統合失調症で見られる混乱が固定された解剖学的欠陥ではなく、真のダイナミックな失敗であることを裏付けた。

研究者たちはまた、彼らの知見が他の説明によって引き起こされるものではないことを排除するよう細心の注意を払った。彼らは、信号の方向が血流の固定された遅延によって引き起こされているのではないことを示した。なぜなら、方向は単一のスキャン内で急速に変化していたからである。また、彼らは、この方向的な組織化が、全般的な覚醒レベルや一般的な脳の接続レイアウトといった、既知の他の脳原理によって説明できないことも証明した。彼らが見出した方向的なパターンは独特であり、他のどの指標も捉えることのできない情報を持っていた。

最終的に、この研究は、脳の階層がどのように機能しているかを理解するための新しい方法を提供している。それは、統合失調症が単に「弱い接続」の障害ではなく、「方向」の障害であることを明らかにしている。脳は、世界を理解するのを助けるトップダウンのガイダンスを維持する能力を失い、明確なリーダーシップのないまま情報が流れる中間地点に固執してしまうのである。この特定のダイナミックな失敗を特定することで、本研究は、この疾患を理解し、脳の自然なリズムを回復させるための治療法を開発するための新たな標的を提示している。知見は、この障害の鍵が接続の強さにあるのではなく、情報の流れの「方向」にあること、すなわち、これまで目に見えない形で隠されていた脳活動の次元にあることを示唆している。