Physiology

Physiology · 8.11

脳波(EEG);睡眠現象。学習と記憶。

Electroencephalogram (EEG); sleep phenomena. Learning and memory.

応用トピック
意識障害の分類と鑑別診断てんかん重積状態記憶障害の分類記憶障害の局在臨床神経生理検査:EEG・EMG・ENG・TMS・誘発電位てんかん発作とてんかん(鑑別診断・分類・原因)生理的睡眠と睡眠障害その他の生物学的治療:電気けいれん療法・睡眠介入・反復経頭蓋磁気刺激・高照度光療法重度・軽度神経認知障害(認知症):病因・診断基準・臨床管理睡眠障害:診断基準と臨床管理睡眠関連呼吸障害の診断
症状
カタプレキシー睡眠関連幻覚反復孤発性睡眠麻痺
検査値
夜間低換気評価

🧠 EEG(、electroencephalogram)はの「同期した」を捉える窓であり、個々のAP(活動電位、action potential)そのものではない。 睡眠段階(覚醒→NREM1〜4→REM)はこの同期の度合いとして追跡でき、覚醒時の低振幅速波(脱同期、desynchronization)から深睡眠の高振幅(同期、synchronization)へ、そしてREMでの再脱同期へと循環する。学習・記憶は「暗黙記憶(implicit memory、小脳・線条体・)」と「(declarative memory、海馬・→固定→貯蔵→)」に大別されるが、いずれもLTP(、long-term potentiation、NMDA受容体依存性のシナプス増強)という共通の細胞基盤を持つ。

脳電図

EEGは大脳皮質で生じるニューロンの電気活動の記録である。電極は頭蓋上に置かれ、頭蓋に垂直な由来)のみが検出されEEG波(μV域)として現れる。は非常に高いで検出可能)が、は低く、発生源の正確な局在は電極数を増やすことで補われる。

電極配置

  • (鼻前頭縫合の中点)と(後頭隆起)の間を100%として測定
  • 距離を10%-4×20%-10%で分割して電極を配置
  • 正中・水平断のいずれにも適用可能
  • 19電極+(通常は耳朶に設置)

記録方式

方式 内容
両電極ともに置き、2電極間のを検出
一方を、他方を不関電極(耳朶)とし、との比較で他の全点の電位を検出

(電極間信号の検出方式):連続(隣接2電極間の差)、基準との比較、例:連結耳朶)、平均基準(全信号の平均を基準)、(周囲電極の平均を差し引く)。

脳波の基本パターン

周波数 振幅 主な局在 状態
α波 8〜13 Hz(律動的) 20〜200 μV 安静覚醒——精神活動でβ波に置換、睡眠時消失
β波 14〜30 Hz(不規則) <25 μV 、精神活動、興奮
γ波 30〜100 Hz 短期記憶の照合
θ波 4〜7 Hz(律動的) 小児の頭頂・側頭領域 傾眠・睡眠、一部成人では失望・欲求不満
δ波 0.5〜4 Hz(緩徐) 他波の2〜4倍 成人の深睡眠時の正常律動。乳児の覚醒時にも出現しうるが、成人の覚醒時に出現した場合はを示唆

EEG波の起源

数千〜数百万の皮質ニューロンが同期して発火することで生じる。細胞外(フィールド)電位の振動がEEG信号の本体であり、APより重要である——APは短く速いため異なるニューロン間で同時発生せずされない()のに対し、フィールド電位のの機序は交代するEPSP(、excitatory postsynaptic potential)とIPSP(、inhibitory postsynaptic potential)である。頭蓋に垂直なのみが検出される。

フィールド電位発生の機序

flowchart TD
  A["上行性興奮性軸索が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pyramidal neurons'>錐体細胞</span>の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dendrite'>樹状突起</span>とシナプス"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutamate release'>グルタミン酸放出</span>→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='AMPA receptor'>AMPA受容体</span>開口→Na⁺流入"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dendrite'>樹状突起</span>の局所脱分極→細胞外腔が陰性化(電流<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sink'>シンク</span>)"]
  C --> D["細胞体方向への細胞質内電流"]
  D --> E["細胞体がわずかに脱分極→外向きK⁺電流"]
  E --> F["細胞体周囲の細胞外腔が陽性化(電流ソース)"]
EEG波の極性 対応する機序
陽性波 のIPSP、または細胞体近傍のEPSP
陰性波 のEPSP、または細胞体近傍のIPSP

⚠️ EEG波の極性だけからの機序を一意に決定することはできない。

同期のメカニズム

同期したPSP(、postsynaptic potential)のみが検出可能なEEG波を生む——視床がこの同期過程の重要な要因である。異なる神経回路が同一の周波数帯で振動しうるため、あるEEG波が検出されても、どの系がそれを生んだかを断定はできない(例:深睡眠時のδ律動は視床性のものと、視床摘出後に増強するのものの両方が存在しうる)。はα律動に重要である。

:視床のは相互接続しており、この接続が皮質へ伝達される振動を生む可能性がある。

現象 内容
2つのニューロン集団が相互作用し活動が振動する
あるニューロン集団の活動が(遅延を伴い)を介して同じ集団を抑制する
抑制期間の終了後、ニューロンが自発的に再活性化する

誘発電位

通常のEEGはを記録するが、は刺激提示後に生じる。はある「事象」に時間的にロックされる:聴覚(auditory evoked potential, AEP、音)、(visual evoked potential, VEP、チェッカーボード)、(somatosensory evoked potential, SSEP、末梢神経刺激)。をEEG上で分離するには、刺激を数百回提示し平均加算することで背景ノイズをし信号のみを抽出する。

脳磁図

EEGは頭蓋に垂直なしか検出できないが、大脳皮質にはがあり、内のは頭蓋表面に平行なフィールド電位を生む——これはEEGでは検出しにくく、代わりにMEGで検出される。電流の変化が生む磁場は非常に微弱なため、SQUID(超伝導量子干渉計、superconducting quantum interference device)という高感度磁力計を要する。

てんかん

行動的・EEG的な発作を特徴とするで、CNS(中枢神経系、central nervous system)の一部または全体の無制御な過剰活動である。

分類 内容
部分(焦点性)発作 脳の一部のみが異常活動を示す
  意識は保たれる。例:ジャクソン型発作(Jacksonian seizure、起源、対側筋の限局性収縮がの体部位地図に沿って進展)
  意識が消失する。例:精神運動発作(psychomotor seizure、辺縁系起源、一過性健忘・異常な怒り・突然の不安・不快感/恐怖・支離滅裂な
脳の広範な領域が関与し意識が消失する
  の後、両側性の/(tonic-clonic contraction、数秒〜4分)、舌の咬傷・チアノーゼ、排尿・排便、抑制(postictal depression、数分の、数時間の睡眠)。誘因:エタノール・発熱
  3〜30秒の、頭部領域の攣縮様収縮(等)を伴うことがある。小児期後期に初発し30歳までに消失することが多い。が大脳皮質の大部分(活性化系の関与)に記録される

睡眠

人生の約1/3を睡眠に費やし、成人では1日6〜8時間が平均的必要量である。睡眠は基本的な生理的要求であり、に覚醒を維持できるのは約3日間まで——4日目以降は視覚・聴覚、記憶欠落、道徳的判断障害などの心理機能障害が生じる(、sleep deprivationは自白強要にも利用された歴史がある)。

睡眠の概日リズム

内因性リズムは約25時間で、通常は明暗周期(、suprachiasmatic nucleus)によりされる。(jet lag)や外界からの隔離は睡眠周期を乱しうる。

flowchart TD
  A["青色光が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='melanopsin'>網膜メラノプシン</span>含有<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ganglion cell'>神経節細胞</span>を刺激"] --> B["網膜視床下部路(非視覚性線維、retinohypothalamic tract)"]
  B --> C["視床下部の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='suprachiasmatic nucleus'>視交叉上核</span>を活性化"]
  C --> D["SYM系を抑制"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pineal gland'>松果体</span>でのNE放出↓"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='melatonin'>メラトニン</span>(melatonin、「暗闇のホルモン」)放出↓"]
  F --> G["眠気が生じにくい"]

は眠気を誘発するため、青色光は産生を阻害し覚醒を維持させる。

睡眠の機能

睡眠は能動的過程である——意識の喪失でも脳活動の停止でもなく、環境刺激への応答性が変化した積極的に制御される機構である。皮質機能は停止せず、認識様式が変化する。

睡眠段階のEEG

入眠後、人は30〜45分かけての4段階を通過する。

段階 EEG所見
NREM第1段階 傾眠性α波→θ波
NREM第2段階 緩徐なθ波+(12〜14 Hz)とK複合波(K-complex、大きく緩徐な電位)
NREM第3段階 θ波が低振幅δ波へ移行
NREM第4段階 δ波(0.5〜2 Hz)、深睡眠/

NREM睡眠では変化として心拍数・血圧が低下する。覚醒するには段階を逆順にたどる必要がある。

REM睡眠(、rapid eye movement sleep)・低振幅、脱同期EEG):

  • 筋緊張が失われるが、一部の筋(眼筋)ではが生じる
  • 自律神経変化:機能の喪失、心拍数・血圧・呼吸の変化
  • 大部分の夢はREM睡眠中に生じる(筋緊張消失は夢の内容を実際の運動に変換しないための安全機構)
  • 陰茎勃起
  • 加齢によりREM睡眠の割合は変化する:新生児は睡眠時間の約半分、若年成人は20〜25%、高齢者はごくわずか
  • REM睡眠からの覚醒は困難だが、内的な覚醒(体内刺激による)は一般的である

上行性覚醒系

複数の核が大脳皮質へびまん性に、あるいは視床へ軸索を送り、持続的脱分極により覚醒状態を維持する。AASの病変は傾眠・昏睡を引き起こす。

視床下部による覚醒系の制御

中枢 局在 機能
VLPO(腹外側、ventrolateral preoptic nucleus) 領域 GABA・で覚醒系を抑制——睡眠時に活動。病変により不眠
(orexin、、hypocretin) 領域 覚醒系(覚醒状態)を安定化。欠乏により

睡眠-覚醒周期のフリップフロップ機構

覚醒時:覚醒系が優位、VLPOは抑制される。睡眠時:VLPOが優位、覚醒系は抑制される。の睡眠欲求または的な睡眠欲求が十分高まると、このフリップフロップ回路は突然反転する。

⚠️ ——日中の不適切な入眠、(強い情動への反応として突然筋緊張が消失)、(覚醒後しばらく動けない)、覚醒状態へのREM相の侵入。フリップフロップが適切に切り替わらないと、睡眠と覚醒の中間の病的状態にとどまる。

学習と記憶

学習は刺激への反応の変化であり、記憶は学習内容の貯蔵である。学習・記憶は暗黙的(implicit、・自動的な行動、言語化されない)または陳述的(declarative、過去の出来事の貯蔵、感情や考えとして言語化可能)に分けられる。

暗黙学習

カテゴリ 関連部位 内容
反射経路 :無意味な刺激の反復提示で反応が減弱(都市のに慣れる)。感作:快・不快刺激の後に反応が増強(事故後に特定の車の動きに怯える)
小脳 古典的条件付け(classical conditioning):パブロフの犬(ベルと餌の関連付け→ベルのみで)。オペラント条件付け(operant conditioning):試行錯誤学習による行動変化
手続き学習 線条体 反復練習で習得される活動(楽器演奏の習得)
手がかり・トリガーの後に記憶が促進される(特定の人を思い出させる香水の香り)

陳述記憶(能動的記憶の古典的過程)

  1. :注意・・既存知識との関連づけに助けられる。の感覚領域から始まる
  2. 固定の変化、または新規シナプスの形成
  3. 貯蔵:短期・中期・長期記憶に応じて脳の異なる部位に貯蔵される。が記憶貯蔵過程に重要——が損傷・除去されても既存の短期・長期記憶は保持されるが、新規記憶を貯蔵できなくなる。こうした患者は新しい手続き課題(スポーツや楽器の習得)を学習できるが、練習したこと自体を覚えていない

:短期(数瞬のみ必要、例:指示内容)、中期(数日程度覚えているがやがて忘れる、例:解剖学の暗記)、長期(忘れにくい、例:家族の名前)。

長期増強

最近の活動パターンに基づくシナプスの持続的な増強であり、2ニューロン間の伝達効率の長期的な増加をもたらす。が強度を変化させる能力)の一形態であり、記憶がシナプス強度の変化としてされると考えられるため、LTPは学習・記憶の主要な細胞機構の1つとされる。NMDA受容体を必要とする。

flowchart TD
  A["高頻度刺激"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='AMPA receptor'>AMPA受容体</span>活性↑→より強い脱分極"]
  B --> C["NMDA受容体活性化(Mg²⁺<span class='jp-term jp-term-diagram' title='plug'>プラグ</span>解除)"]
  C --> D["[Ca²⁺]↑"]
  D --> E["CaMKII(Ca²⁺/<span class='jp-term jp-term-diagram' title='calmodulin'>カルモジュリン</span>依存性キナーゼII、calmodulin-dependent protein kinase II)活性化"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='AMPA receptor'>AMPA受容体</span>のリン酸化"]
  F --> G["後シナプス膜への新規<span class='jp-term jp-term-diagram' title='AMPA receptor'>AMPA受容体</span>の追加"]
  G --> H["シナプス強度の増強:将来の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutamate release'>グルタミン酸放出</span>により速く・強く応答"]

まとめ

  • EEGは頭蓋に垂直なの同期したフィールド電位(交代するEPSP/IPSP)を検出し、α(安静)・β(覚醒活動)・θ(傾眠)・δ(深睡眠)の周波数帯で特徴づけられる——視床が皮質との同期に重要な役割を果たす。
  • てんかんは部分(単純/複雑)発作と全般(/)発作に分類され、CNSの無制御な過剰興奮として現れる。
  • 睡眠は)に支配される能動的過程であり、NREM第1〜4段階(漸増する同期・化)とREM睡眠(脱同期、筋緊張消失、夢)を周期的に繰り返す。VLPO-覚醒系のが睡眠・覚醒の切り替えを担い、を引き起こす。
  • 学習・記憶は暗黙的(非・手続き・、小脳/線条体//)と陳述的(→固定→貯蔵→、海馬/)に大別される。
  • LTP(高頻度刺激→NMDA受容体活性化→Ca²⁺流入→CaMKII→増強)は、学習・記憶を支える主要な機構である。