Neuroplasticity: changes in grey matter induced by training
www.nature.com/articles/427311a
研究の要約：
目的と背景：
成人の脳が環境要求に応じて構造的に変化するかを検証することである。これまで哺乳類での実験では脳構造の経験依存的な変化が示されていたが、人間での実証はなかった。
研究方法：
被験者構成：
- 合計24名（女性21名、男性3名）
- 平均年齢22±1.6歳
- 全員がジャグリング未経験者
2. 実験デザイン：
- 被験者を2グループに分割
- ジャグリング群：3ヶ月間の3ボールカスケード練習
- 習得基準：60秒以上のジャグリング維持
3. 測定方法：
- MRIによる脳スキャン（3回実施）
- 開始時（ベースライン）
- 3ヶ月後（技術習得時）
- さらに3ヶ月後（練習中止期間後）
- ボクセルベースの形態計測法を使用
- 高解像度三次元磁気共鳴画像法による分析
研究結果：
構造的変化：
- 中側頭領域（hMT/V5）での両側性の灰白質拡大
- 左後頭頂間溝での灰白質増加
- これらの変化は練習中止後に減少
2. 特異性：
- 変化はジャグリング群のみで観察
- 非ジャグリング群では変化なし
- 視覚運動領域での変化が顕著
- 運動実行領域（運動皮質、小脳、基底核）よりも視覚野での変化が支配的
主要な発見：
- 成人脳は学習により構造的に変化する。
- 変化は可逆的である。
- 変化は特定の学習タスクに関連する領域に限局する。
- 灰白質の構造変化は学習パフォーマンスと相関する。
この研究は、成人脳の構造が学習により変化し得ることを実証し、従来の「成人脳は構造的に固定的」という見解を覆す証拠を提示している。
研究結果の意味を脳機能の観点から説明する：
中側頭領域（hMT/V5）の役割：
視覚的動き処理の中枢
- 物体の動きの検出と分析
- 動きの速度と方向の認識
- 複数の動く物体の同時追跡
2. 両側性の拡大の意味：
- 左右両方の脳半球で変化が起きている
- 動く物体（ボール）の視覚的追跡能力が向上
- 空間内での複数の物体の動きを同時に処理する能力が強化
左後頭頂間溝の役割：
空間認知と運動計画
- 三次元空間での物体の位置把握
- 手の動きの計画と調整
- 視覚情報と運動の統合
2. 灰白質増加の意味：
- 空間内での物体位置の認知能力向上
- 手の動きと視覚情報の統合能力強化
- 物体の軌道予測能力の向上
これらの変化が示唆すること：
ジャグリング学習による具体的な脳の適応
- 動く物体の視覚的追跡能力の向上
- 空間認知能力の向上
- 視覚-運動協調の改善
2. 脳の可塑性の特徴
- 使用する機能に関連する特定の領域が選択的に変化
- 変化は可逆的である（練習中止で減少）
- 学習と直接関連する領域で構造的変化が起こる
この研究は、特定のスキル習得が関連する脳領域の構造を物理的に変化させることを示している。
環境的要因に応じて、成人の人間の脳の構造は変化するのだろうか1,2？ ここでは、ジャグリングを習得したボランティアの脳における学習による可塑性を視覚化するために、脳全体の磁気共鳴画像法を使用した。その結果、これらの被験者では、複雑な視覚運動の処理と保存に関連する脳領域において、一過性かつ選択的な構造変化が起こっていることがわかった。この脳の巨視的構造における刺激依存性の変化の発見は、皮質の可塑性が解剖学的変化よりも機能的変化に関連しているという従来の見解に反するものである。
動物実験では、哺乳類の脳構造において経験に関連した変化が起こる可能性が示されているが、これまでに人間の脳で同様の変化が起こったという証拠は見つかっていない3-5。この可能性を調査するために、性別と年齢が一致するボランティアの均質なグループ（女性21名、男性3名；平均年齢22歳±1.6標準偏差）をジャグリングを行うグループと行わないグループの2つのグループに分けた。両グループとも、最初の脳スキャンの時点ではジャグリングの経験はなかった。
ジャグラーグループの被験者には、3か月間、3つのボールを使った古典的なジャグリングのルーティンを学んでもらった。
熟練したパフォーマー（つまり、少なくとも60秒間ジャグリングを維持できる）となった時点で2回目の脳スキャンを実施した。3回目のスキャンは3か月後に行われたが、その間、パフォーマーたちは練習もせず、スキルを向上させようともしなかった。
例えば、4つのボールや逆カスケードを習得するなどである。実際、3回目のスキャンの時点では、ほとんどの被験者は3つのボールを使ったカスケード・ジャグリングを流暢に行うことができなくなっていた。
私たちは、ボクセルベースの形態計測という洗練された客観的な全脳技術を用いて、ボランティア全体の結果を平均化することで、灰白質と白質における微妙な領域特異的変化を調査した。この方法は、共通の定位空間で登録された高解像度の三次元磁気共鳴画像法に基づいており、ガウス確率場6,7の文脈におけるボクセル単位の統計を適用することで、有意な地域差を見出すように設計されている。
最初のグループ比較（ベースライン）では、ジャグリングを行う人と行わない人の間には、灰白質に有意な地域差は見られなかった。縦断的分析では、ジャグリングを行うグループは、最初のスキャンと2回目のスキャンの間において、中側頭領域（hMT/V5）と左後頭頂間溝において灰白質に有意な（44 d.f., P<0.05）一過性の両側拡張が認められた。この拡張は3回目のスキャンでは減少した（図1）。これらの領域では、一時的な灰白質の構造変化とジャグリングのパフォーマンスに密接な関係があることが分かった。これらの知見は、訓練刺激に特有のものであり、ジャグリングをしない被験者では、同じ期間に灰白質に変化は見られなかった。
我々の結果は、加齢や病的な状態による形態の変化を除いて、成人した人間の脳の解剖学的構造は変化しないという、従来の見解に反するものである。我々の研究結果は、学習による大脳皮質の可塑性が構造レベルにも反映されることを示している。
ボランティア全員が正常な微細運動能力を有していることから、ジャグリング、ひいては動く物体の知覚と空間的予測は、運動野（協調運動の計画と実行に関与する。すなわち、
すなわち、補足運動野および/または運動皮質、小脳、大脳基底核などである。
観察された一時的な灰白質の増加は、特定の運動選択領域で起こっているが、これらの動的な構造変化の根底にある微視的な変化は不明である。巨視的な変化は、一時的なシナプス量や神経突起の通信レベルでの変化に基づくものかもしれないし、あるいはグリア細胞や神経細胞の新生増加を含むものかもしれない4。 イメージングの結果は、一時的で訓練に依存する脳の構造変化の微視的レベルでの構造的基礎を特定するために、組織学的データと比較する必要がある。
ボグダン・ドラガンスキ*、クリスチャン・ガザー†、フォルカー・ブッシュ*、ゲルハルト・シュライヤー‡、
ウルリッヒ・ボグダン*、アーネ・メイ*
*レーゲンスブルク大学神経科、‡レーゲンスブルク大学神経放射線研究所、
93053 レーゲンスブルク、ドイツ
†イェナ大学精神科、07740 イェナ、ドイツ