自閉症の局所神経活動の非定型的な神経活動時間スケールを発見

理化学研究所

 理化学研究所脳神経科学研究センター高次認知機能動態研究チームの渡部喬光副チームリーダーらの国際共同研究チームは、高機能自閉症スペクトラム(ASD)当事者の症状が、脳内の「感覚関連脳領域」や「尾状核(脳の深部にあり、運動調整から種々の記憶、抑制コントロールまで幅広い認知機能と関係する脳部位)」における局所的な神経情報処理特性と関連していることを発見しました。本研究成果は、ASDの多様な症状の統一的理解の発展に貢献し、将来的にはASDの早期診断・早期介入の手がかりになると期待できます。

自閉症スペクトラム(ASD)とは

 自閉症(自閉症スペクトラム:ASD)は、コミュニケーションの困難さや、特定のものへのこだわりの強さなどを特徴とする発達障がいの一つです。これらの症状は対症療法によって和らぐ場合もありますが、生涯にわたり現れ続けます。 理論的には、ASDの症状は脳内の「非定型的な情報処理」の結果として現れることが多いと推察されます。脳における複雑な情報処理には、神経活動のダイナミックで精緻な協調が必要なことから、この理論的推察は、「ASDの症状の神経生物学的基盤の一つには非定型的な神経ダイナミクスがある」と言い換えることができます。

 近年、理研の渡部副チームリーダーらは、大脳全体にわたる神経ダイナミクスが非定型的に安定していることが、高機能ASDの特徴の基盤になっていることを突き止めました。しかし、局所的な神経情報処理のダイナミクスと、ASDの症状との関係については、これまでほとんど調べられていませんでした。そこで国際共同研究チームは、「神経活動の時間スケール」(以下、神経時間スケール)という指標に注目し、この課題に取り組みました。神経時間スケールは、ある神経領域が神経情報入力をどの程度の時間保持し、処理・統合できるかを示しています。

 例えば、サルを用いた電気生理学的研究では、時間をかけてさまざまな情報を統合する「前頭葉」では神経時間スケールが長いのに対し、短い時間差の入力を区別して敏感に反応する必要がある「感覚関連領域」では短いことが知られています。この神経情報処理特性は、それが局所のものであるにもかかわらず、全脳レベルの情報処理の階層性の基盤となっていることが知られています。このような知見に基づき、国際共同研究チームは、ASD当事者の中でも言語機能に困難がなく、知能も平均もしくは平均以上のグループ(高機能ASD当事者)に対して、全ての脳領域における神経時間スケールの算出を試みました。

fMRIを用いて神経時間スケールの評価

 国際共同研究チームは、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)によって取得したヒト安静時fMRI脳データ(rsfMRIデータ)と呼ばれる、開眼状態でなるべく何も考えずに安静にした状態の機能的脳活動データを解析することで、神経時間スケールを評価することにしました。まず、rsfMRIデータ向けの神経時間スケール算出方法を開発し、rsfMRIと脳波の同時測定データを用いて、その方法が妥当であることを確認しました。

 次に、この方法を、

①高機能ASDの成人当事者群(25人)
②性別・年齢・知能指数(IQ)などをそろえたコントロール群(26人、発達障がいでない定型発達者)

からそれぞれ得られたrsfMRIデータに適用し、比較しました。その結果、高機能ASD当事者群では、一次体性感覚野や視覚野などでは神経時間スケールが定型発達者よりも短く、尾状核では長いことが分かりました。ここから、高機能ASD当事者の感覚関連領域は入力情報に対して敏感である一方、認知機能と関係する尾状核では安定した情報統合が行なわれていると推測されます。さらに、高機能ASDの成人当事者間で比較したとき、一次体性感覚野と視覚野の神経時間スケールが短い当事者の方がASDの中核症状(コミュニケーションの困難さ、こだわりなど)の程度が強く、尾状核の神経時間スケールが長い当事者の方が、常同性(こだわりなど)の程度が強いことから、神経時間スケールはASDの症状の重症度とも関連していることが分かりました。

 次に、このようなASDに特異的な局所神経情報処理特性は、成人だけに見られるのか、それとも小児期の発達で既に現れているのかを調べるために、思春期の縦断データ(同じ被験者を時間的に追って、異なるタイミングで複数回取得したデータ)を解析しました。その結果、これら一次体性感覚野・視覚野・尾状核における神経時間スケールの非定型性は、思春期以前(10~12歳)に既に現れ、さらに思春期発達の間(12~16歳)にも維持される、もしくは拡大する傾向があることが分かりました。また、この思春期における神経時間スケールの変化は、同期間におけるASD症状の重症度変化とも相関していました。

 最後に、この非定型的な局所神経ダイナミクスの解剖学的な基盤を調べました。理論的推測に基づき、神経密度の指標の一つである灰白質と呼ばれる、神経細胞の細胞体が主に存在している脳組織の部分の密度が大きいほど、その領域の神経時間スケールが長いのではないかと考えました。そこでrsfMRIデータと解剖学的脳画像データを比較することで、この仮説を実証しました。今回の研究で得られた知見は、全く異なる場所・被験者を対象に得られた完全に独立した2つのデータセットを解析しても再現することができました。

早期診断法の開発への期待

 今回の発見は、局所の神経ダイナミクスが、より高次で複雑な認知機能や行動に大きな影響を与えていることを示しています。

 また、神経時間スケールの短さが、情報入力に対する脳領域の敏感さを示しているとすれば、感覚関連領域は、ASDの症状の一つである感覚過敏(物音がうるさい、光がまぶしい、匂いに過剰に反応するなど)の神経基盤の一端を担っている可能性があります。本研究成果により、コミュニケーションの困難さ、こだわりの強さそして感覚過敏まで、ASDの多様な症状に対する統一的な生物学的理解が進むと期待できます。さらに、一次体性感覚野の局所的神経時間スケールは脳波計などで比較的容易に計測できることから、将来的にはより負担の少ない早期診断法の開発にも貢献する可能性があります。

 今後は、神経生物学的・臨床的発展のためにも、今回観察された局所的神経ダイナミクスが脳全体の神経ダイナミクスにどのように関連しているのか、そしてASDの他のサブグループ(言語機能の障がいを持つグループなど)や統合失調症といった精神神経疾患ではどうなのかなどを解明する必要があると考えられます。