Construction of neural feedback and brain stimulation methods by nonlinear control for neural dynamics of ADHD

本研究では，注意欠如・多動症（ADHD） の神経基盤である前頭野とドーパミン・ノルアドレナリン神経系における神経活動の非線形ダイナミクスに着目し，NF法・脳刺激法がADHDの神経基盤にどのような影響を与えるのかをモデルシミュレーションで検証する．さらに，その知見と我々が提案したカオス制御法（軌道領域減少法（RRO 法））を駆使することで，より治療効果を高める新たなNF法・脳刺激法を提案することを目的とする．これまで我々は，Baghdadiらによって示された前頭野と感覚野のニューロン集団で構成されるニューラルネットワークにおいて，ADHD患者の異常な注意状態の挙動に対応するカオス-カオス間欠性への遷移に対し，RRO法がその抑制に機能することを確認してきた．令和4年度は，このモデルを前頭野，視床下部及びドーパミン神経系を構成する大脳基底核で構成されるニューラルネットワークに拡張したShabestariモデルに対して，RRO法によるカオス制御を適用し，脳神経活動の安定性に対する有効性の検証を行った．具体的には，まず，Shabestariモデルを構成する複数のパラメータを広範囲に変化させて挙動解析を行い，先行研究との整合性を確認した．次に，分岐・挙動解析を通して，ADHDにおける神経挙動に対応するカオス-カオス間欠性を呈するパラメータ領域を特定するとともに，前頭野神経活動の写像構造を明らかにした．さらに，RRO法を適用してフィードバック制御信号と微弱な外部入力信号を印加し，外部入力信号と前頭野の神経活動との相関係数及びリアプノフ指数に基づき，その効果を分析した．その結果，適度なフィードバック信号強度，微弱入力信号の振幅と周期に対して，カオス共鳴現象が誘起され，カオス-カオス間欠性を呈していたネットワーク挙動が，微弱外部入力信号に対応した周期的な挙動に遷移することが確認された．

本研究では，注意欠如・多動症（ADHD） の神経基盤である前頭野とドーパミン・ノルアドレナリン神経系における神経活動の非線形ダイナミクスに着目し，NF法・脳刺激法がADHDの神経基盤にどのような影響を与えるのかをモデルシミュレーションで検証する．さらに，その知見と我々が提案したカオス制御法（軌道領域減少法（RRO 法））を駆使することで，より治療効果を高める新たなNF法・脳刺激法を提案することを目的とする．これまで我々は，Baghdadiらによって示された前頭野と感覚野のニューロン集団で構成されるニューラルネットワークにおいて，ADHD患者の異常な注意状態の挙動に対応するカオス-カオス間欠性への遷移に対し，RRO法がその抑制に機能することを確認してきた．令和4年度は，このモデルを前頭野，視床下部及びドーパミン神経系を構成する大脳基底核で構成されるニューラルネットワークに拡張したShabestariモデルに対して，RRO法によるカオス制御を適用し，脳神経活動の安定性に対する有効性の検証を行った．具体的には，まず，Shabestariモデルを構成する複数のパラメータを広範囲に変化させて挙動解析を行い，先行研究との整合性を確認した．次に，分岐・挙動解析を通して，ADHDにおける神経挙動に対応するカオス-カオス間欠性を呈するパラメータ領域を特定するとともに，前頭野神経活動の写像構造を明らかにした．さらに，RRO法を適用してフィードバック制御信号と微弱な外部入力信号を印加し，外部入力信号と前頭野の神経活動との相関係数及びリアプノフ指数に基づき，その効果を分析した．その結果，適度なフィードバック信号強度，微弱入力信号の振幅と周期に対して，カオス共鳴現象が誘起され，カオス-カオス間欠性を呈していたネットワーク挙動が，微弱外部入力信号に対応した周期的な挙動に遷移することが確認された．