脳が疲労を「示唆」する方法：入眠時のfMRIダイナミクス

iScienceに発表された、南カリフォルニア大学 (USC) の II Gaez 教授のチームによる研究では、人が完全に眠りに落ちる前の早い段階で眠気の始まりを検出できる新しい客観的な神経画像マーカーが実証されています。

タスクと関連性

マイクロスリープと瞬間的な注意力の低下は、数百件もの交通事故や労働災害の原因となっています。これまで、主観的な質問票や脳波を用いて「入眠」の正確な時間を予測することは困難でした。本研究では、機能的MRIにおけるBOLD信号の変化によって、睡眠開始期（SOP）の開始を検出できるかどうかを検討しました。

なぜこれが重要なのでしょうか?

• 疲労の早期診断。正確な神経地図の特定は、運転手やオペレーターのモニタリング方法の開発に役立ち、マイクロスリープによる事故を防止します。
• 睡眠研究。緩やかなBOLD振動のダイナミクスは、心理学的および電気生理学的検査を補完する、SOP発症の客観的なバイオマーカーとなる可能性があります。
• 神経調節: 神経刺激を用いて視床または注意ネットワークを標的とすると、薬理学を使わずに危機的な状況で覚醒時間を延長できる可能性があります。

「眠気への移行は、BOLD信号の緩やかな変動における明確かつ再現可能な変化を伴うことを初めて示しました」とII・ガエズ氏は述べている。「これは、神経画像に基づく疲労の客観的モニタリングへの道を開くものです。」

実験設計

1. ボランティアの定足数: 睡眠障害のない健康な参加者 20 名 (男性 10 名、女性 10 名、年齢 22 ～ 35 歳)。
2. MRI スキャナー内での睡眠: 被験者は目を閉じて横になり、スキャナーからバックグラウンド ノイズ (80 dB) が流れている状態で自由に眠ることができました。
   • 脳波（スキャナー内の独自の電極）、
   • EOM（眼球運動振幅）、
   • まぶた監視カメラ。
3. SOP の定義: まぶたの半分閉じ、EEG リズムの遅延、そして初めての BOLD パラメータの変化の組み合わせによって定義されます。

BOLDシグナルの詳細な分析

• 低周波変動（0.03～0.07Hz）：SOPの初期段階では、これらの振動の振幅は30～50％増加しました。
  • 視床（覚醒の調整）
  • 後頭葉皮質（視覚処理）
  • デフォルトモードネットワーク（DMN）のノード：内側前頭前皮質とPCC。
• 機能的接続性:
  • 視床 ↔ 前頭前皮質: 20% 増加。睡眠信号の皮質への「翻訳」が増加したことを示しています。
  • 注意ネットワーク (DAN): 頭頂葉と前頭葉間の接続が 15% 減少し、外部方向の認識力が弱まっていることを反映しています。

疲労との相関関係

• 個人差: 24 時間の睡眠時間が短い (6 時間未満) 参加者は、低周波振動の増加がより早く、より顕著に見られました。
• 行動データ: マイクロスリープの最初の兆候 (MRI での単純な視覚タスクに対する遅延反応) は、視床 - DMN BOLD 軸のピーク振幅と一致しました。

考えられる用途

1. 運転手とオペレーターの監視: 疲労の早期警告のために fMRI の調査結果をポータブル fMRI または EEG デバイスに転送します。
2. パーソナライズされた作業スケジュール: シフトと休憩を計画する際に個々の SOP「しきい値」を考慮し、事故を削減します。
3. 睡眠療法: カフェイン、短い昼寝、神経調節 (経頭蓋磁気刺激) が BOLD シフトの遅延に与える影響をテストします。

著者の引用

「視床と皮質におけるゆっくりとしたBOLD振動が睡眠の開始を予測することを初めて実証しました」とガエズ教授は述べています。「これは、覚醒状態を監視するための客観的な『生理学的目』の開発への道を開くものです。」

「私たちの研究結果により、疲労管理を再考することができます。『どのように眠りましたか？』と尋ねるだけではもはや十分ではなく、脳を『見る』ことができる必要があるのです」と、共著者のリー・ジン博士は付け加えた。

著者らは次のような重要な点を強調している。

• マーカーの神経生物学的信頼性
  「視床および受動モードネットワークにおけるBOLD信号の低周波変動の増加は、眠気の客観的兆候（まぶたの閉じ方、脳波の遅延）と明らかに相関している」とII Gaez氏は指摘する。「これは、SOPが行動だけでなく、脳活動によって直接的に「見られる」ことを証明している。」

• 個人差
  「慢性的な睡眠不足の人は、BOLDの変化がより早く、より顕著に現れることがわかりました」とリー博士は述べています。「これは、疲労対策を個人に合わせて調整できる可能性を示しています。より頻繁な『マイクロスリープ』が必要な人もいれば、光療法や神経刺激療法が必要な人もいるかもしれません。」

• 実践への応用
  「次のステップは、これらのマーカーをポータブル技術（fNCD、ドライEEGキャップ）に適応させて、運転手やオペレーターの警戒状態をリアルタイムで監視することです」とマルティネス教授は付け加えます。

• 臨床的視点
  「発見された変化は睡眠障害の診断にも役立つ可能性があります。不眠症、無呼吸、ナルコレプシーはSOPの初期段階にそれぞれ異なる影響を及ぼし、BOLDマーカーはこれらの症状の区別に役立つでしょう」とシン博士は結論付けています。

この研究は、眠気の始まりのリアルタイムかつ個別のマーカーに基づいた事故や怪我の予防神経技術への道を開き、道路や産業現場の安全性を高めることが期待されます。