目の瞳のダイナミクスの根底にある脳ネットワーク

哺乳類の認知的、感情的、行動活動中に、眼の瞳孔径の相対的な変化が繰り返し観察されています。瞳孔直径は橋局所角（LC）でのノルアドレナリン作動性発火に関連していることが知られていますが、これまでのところ、特定の皮質脳ネットワークへの因果鎖結合自発性瞳孔ダイナミクスは不明のままです。本研究では、一定の注意負荷を維持するために訓練された15人の健康な被験者からの視線追跡瞳孔測定と組み合わせた、定常状態の血液酸素化レベル依存性（BOLD）機能磁気共鳴画像（fMRI）データを取得しました。回帰分析により、広範囲にわたる視覚運動および感覚運動のBold-FMRI非アクティブ化は、瞳孔径と相関していることが明らかになりました。さらに、選択的注意、顕著性、エラー検出、意思決定に関係することが知られている脳領域のセット内で、瞳孔直径の変化率と相関する太字fMRIの活性化が発見されました。これらの領域には、LC、視床、後部帯状皮質（PCC）、背側前帯状皮質（DACC/PACC）、眼窩前頭皮質（OFC）、および右前島皮質（RAIC）（RAIC）が含まれます。これらの領域で実行されたグレンジャーの因果分析により、複雑な相互依存性が得られ、LCと瞳孔ダイナミクスはネットワークではるかに離れており、いくつかの皮質段階で分離されました。機能的接続性（FC）分析により、脳領域によって識別されたネットワークにおける瞳孔直径の変化率に相関するネットワークにおける上前頭回（SFG）のユビキタスな存在が明らかになりました。瞳孔ダイナミクス、地域の活性化、行動性能の間に有意な相関は観察されませんでした。関与する脳領域に基づいて、瞳孔ダイナミクスは、自己と環境指向の意識の間の変化に関係する脳の処理を反映していると推測します。

Phasic changes in eye's pupil diameter have been repeatedly observed during cognitive, emotional and behavioral activity in mammals. Although pupil diameter is known to be associated with noradrenergic firing in the pontine Locus Coeruleus (LC), thus far the causal chain coupling spontaneous pupil dynamics to specific cortical brain networks remains unknown. In the present study, we acquired steady-state blood oxygenation level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) data combined with eye-tracking pupillometry from fifteen healthy subjects that were trained to maintain a constant attentional load. Regression analysis revealed widespread visual and sensorimotor BOLD-fMRI deactivations correlated with pupil diameter. Furthermore, we found BOLD-fMRI activations correlated with pupil diameter change rate within a set of brain regions known to be implicated in selective attention, salience, error-detection and decision-making. These regions included LC, thalamus, posterior cingulate cortex (PCC), dorsal anterior cingulate and paracingulate cortex (dACC/PaCC), orbitofrontal cortex (OFC), and right anterior insular cortex (rAIC). Granger-causality analysis performed on these regions yielded a complex pattern of interdependence, wherein LC and pupil dynamics were far apart in the network and separated by several cortical stages. Functional connectivity (FC) analysis revealed the ubiquitous presence of the superior frontal gyrus (SFG) in the networks identified by the brain regions correlated to the pupil diameter change rate. No significant correlations were observed between pupil dynamics, regional activation and behavioral performance. Based on the involved brain regions, we speculate that pupil dynamics reflects brain processing implicated in changes between self- and environment-directed awareness.