磁気刺激および電流分布イメージングによる脳機能ダイナミックスの研究

• 研究課題/領域番号: 12002002
• 研究種目: 特別推進研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 物理系
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 上野 照剛 東京大学, 大学院・医学系研究科, 教授 (00037988)
• 研究分担者: 伊良皆 啓治 東京大学, 大学院・医学系研究科, 助教授 (20211758) ; 岩坂 正和 千葉大学, 工学部, 助教授 (90243922) ; 湯本 真人 東京大学, 医学部附属病院, 助手 (30240170)
• 研究期間 (年度): 2000 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 450,800千円 (直接経費: 386,000千円、間接経費: 64,800千円); 2004年度: 45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円); 2003年度: 71,500千円 (直接経費: 55,000千円、間接経費: 16,500千円); 2002年度: 89,700千円 (直接経費: 69,000千円、間接経費: 20,700千円); 2001年度: 74,100千円 (直接経費: 57,000千円、間接経費: 17,100千円); 2000年度: 170,000千円 (直接経費: 170,000千円)
• キーワード: fMRI / 電流分布MRI / 脳磁図 / 経頭蓋磁気刺激 / インピーダンスMRI / 脳機能ダイナミックス計測 / 生体磁場影響 / f MRI / 脳機能計測 / 磁気刺激

研究概要

本研究は、脳神経の局所的磁気刺激による脳神経活動の制御、及び新しい手法による神経電流活動の電流分布イメージングや脳磁図・脳波計測により、高時間分解能、高空間分解を有する新しい脳機能ダイナミックスイメージング法を構築することである。
本年度は、研究最終年度として、磁気刺激時の脳波計測システムの確立、脳磁図計測により、認知活動、記憶活動の脳活動を調べること、及び、MRIを用いた電気情報イメージング技術の確立を目指した。また、同時に強磁場、およびパルス磁気刺激の安全性、および磁気刺激の治療効果の検証も行った。
脳神経磁気刺激においては、磁気刺激時の脳波計測システムを確立し、磁気刺激時の活動の伝搬をとらえることが出来た。脳磁図、脳波計測においては、注意反応に関わる脳内処理が、刺激後約200msに後側頭部及び前頭部にある知見を得た。また、ワーキングメモリに関する脳内活動をイメージングした。MRIを用いて、体内の導電率分布を画像化する方法として、拡散強調MRIを応用した方法を提案し、ラット脳、ヒト脳の導電率分布を画像化することに成功した。
また、定常磁場の生体影響に関し、再生医学の基礎技術のひとつとして細胞の磁場配向制御法を開発し、シュワン細胞で磁場による細胞配向制御を実現するなど、強磁場の積極的な医学応用においても成果を得ることができた。さらに、神経系に対する静磁場の影響を、ウシガエルの坐骨神経を用いて調べた。その結果、静磁場曝露により伝導速度の変化は認めなかったが、相対不応期における活動電位振幅に影響を認め、強磁場が神経膜イオンチャネルになんらかの影響を与えることが示唆された。パルス磁気刺激の医療応用に関しては、免疫効果を高め、ガン細胞の成長抑制に効果が見られた。

研究成果

• [雑誌論文] Accelerated recognition of left oblique views of faces (2005)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto M, et al.
  • 雑誌名: Experimental Brain Research 161・1 ページ: 27-33
• [雑誌論文] Short term exposure to 1439 MHz pulsed TDMA field does not alter melatonin synthesis in rats (2005)
  • 著者名/発表者名: Hata K, et al.
  • 雑誌名: Bioelectromagnetics 26・1 ページ: 2982-2984
• [雑誌論文] Dielectric resonance in magnetic resonance imaging : signal inhomogeneities in samples of high permittivity (2005)
  • 著者名/発表者名: Sekino M, et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics (In press)
• [雑誌論文] Imaging of the dielectric resonance effect in high field MRI (2005)
  • 著者名/発表者名: Mihara H, et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics (In press)
• [雑誌論文] A novel method for an accurate T1 relaxation time measurement compensating B1 field inhomogeneity in MR imaging (2005)
  • 著者名/発表者名: Mihara H, et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics (In press)
• [雑誌論文] FEM-based calculation of the theoretical limit of sensitivity for detecting weak magnetic fields in the human brain using magnetic resonance imaging (2005)
  • 著者名/発表者名: Hatada T, et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics (In press)
• [雑誌論文] Magnetic resonance imaging of mean values and anisotropy of electrical conductivity in the human brain (2005)
  • 著者名/発表者名: Sekino M, et al.
  • 雑誌名: Neurology and Clinical Neurophysiology (In press)
• [雑誌論文] Dependence of the spin-spin relaxation time of collagen gels on collagen fiber directions (2005)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi M, et al.
  • 雑誌名: Magnetic Resonance in Medical Sciences (In press)
• [雑誌論文] 経皮的磁気刺激の印加がマウス腫瘍および免疫機能に与える影響 (2005)
  • 著者名/発表者名: 山口さち子, 他
  • 雑誌名: 日本応用磁気学会誌 29・3 ページ: 360-363
• [雑誌論文] FEMに基づいたMRI撮像時の脳内RF電磁界分布 (2005)
  • 著者名/発表者名: 畑田寛久, 他
  • 雑誌名: 日本応用磁気学会誌 29・3 ページ: 364-367
• [雑誌論文] Topography of EEG responses evoked by transcranial magnetic stimilation to the cerebellum (2004)
  • 著者名/発表者名: Iramina K, et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 40・4 ページ: 2982-2984
• [雑誌論文] Spin-spin relaxation and apparent diffusion coefficient of magnetically oriented collagen gels (2004)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi M, et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 40・4 ページ: 2976-2978
• [雑誌論文] Magnetic cell orientation depends on cell type and cell density (2004)
  • 著者名/発表者名: Ogiue-Ikeda M, et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 40・4 ページ: 3024-3026
• [雑誌論文] Destruction of targeted cancer cells using magnetizable beads and pulsed magnetic force (2004)
  • 著者名/発表者名: Ogiue-Ikeda M, et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 40・4 ページ: 3018-3020
• [雑誌論文] The effect of repetitive magnetic stimulation on the tumor generation and growth (2004)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi S, et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 40・4 ページ: 3021-3023
• [雑誌論文] High-resolution magnetic resonance angiography of the rat brain : Detection of cerebral vasospasms in subarachnoid hemorrhage models (2004)
  • 著者名/発表者名: Sekino M, et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 40・4 ページ: 2973-2975
• [雑誌論文] A method for NMR imaging of a magnetic field generated by electric current (2004)
  • 著者名/発表者名: Sekino M, et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 40・4 ページ: 2188-2190
• [雑誌論文] FEM based determination of optimum current distribution in transcranial magnetic stimulation as an alternative to electroconvulsive therapy (2004)
  • 著者名/発表者名: Sekino M et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 40・4 ページ: 2167-2169
• [雑誌論文] Dominance of the left oblique view in activating the cortical network for face recognition (2004)
  • 著者名/発表者名: Kowatari Y, et al.
  • 雑誌名: Neuroscience Research 50・4 ページ: 475-480
• [雑誌論文] Strong static magnetic field effects on yeast proliferation and distribution (2004)
  • 著者名/発表者名: Iwasaka M, et al.
  • 雑誌名: Bioelectrochemistry 65・1 ページ: 59-68
• [雑誌論文] 拡散テンソルMRIによるひずみ推定の可能性の検討 (2004)
  • 著者名/発表者名: 金子晃久, 他
  • 雑誌名: 日本応用磁気学会誌 28・3 ページ: 449-453
• [雑誌論文] Diffusion MRIを用いた生体内水分子の制限拡散に関する研究 (2004)
  • 著者名/発表者名: 佐野真人, 他
  • 雑誌名: 日本応用磁気学会誌 28・3 ページ: 458-462
• [雑誌論文] 磁場配向したフィブリン繊維を取り巻く水分子のT_2緩和時間 (2004)
  • 著者名/発表者名: 竹内道広, 他
  • 雑誌名: 日本応用磁気学会誌 28・3 ページ: 468-471
• [雑誌論文] 拡散テンソル磁気共鳴画像法による脳内導電率のイメージング (2004)
  • 著者名/発表者名: 関野正樹, 他
  • 雑誌名: 日本応用磁気学会誌 28・4 ページ: 649-656
• [文献書誌] Iramina K.: "Measurement of evoked electroencephalography induced by transcranial magnetic stimulation"Journal of Applied Physics. 93・10. 6718-6720 (2003)
• [文献書誌] Sekino M: "Magnetic resonance imaging of convection in an electrolyte solution and extracellular fluid associated with stationary electric currents"Journal of Applied Physics. 94・8. 5359-5366 (2003)
• [文献書誌] Yamaguchi K: "Current distribution image of the rat brain using diffusion weighted magnetic resonance imaging"Journal of Applied Physics. 93・10. 6739-6741 (2003)
• [文献書誌] Sekino M: "Conductivity tensor imaging of the rat brain using diffusion-weighted magnetic resonance imaging"Journal of Applied Physics. 93・10. 6730-6732 (2003)
• [文献書誌] Takeuchi M: "Multicomponent proton spin-spin relaxation of fibrin gels with magnetically oriented and randomly oriented fibrin fiber structures"Journal of Applied Physics. 93・10. 6736-6738 (2003)
• [文献書誌] Iwasaka M: "Polarized light transmission of smooth muscle cells during magnetic field exposures"Journal of Applied Physics. 93・10. 6701-6703 (2003)
• [文献書誌] Iwasaka M: "Verification of magnetic field gradient effects on medium convection and cell adhesion"Journal of Applied Physics. 93・10. 6715-6717 (2003)
• [文献書誌] Ikehata M: "Effects of intense magnetic fields on sedimentation pattern and gene expression profile in budding yeast"Journal of Applied Physics. 93・10. 6724-6726 (2003)
• [文献書誌] Yaoita M: "Magnetosensitive enzyme electrode for hydrogen peroxide sensing"Journal of Applied Physics. 93・10. 6727-629 (2003)
• [文献書誌] Eguchi Y: "Nerve excitation and recovery processes under strong static magnetic fields"Journal of Applied Physics. 93・10. 6742-6744 (2003)
• [文献書誌] Ogiue-Ikeda M: "The effect of repetitive transcranial magnetic stimulation on long-term potentiation in rat hippocampus depends on stimulus intensity"Brain Research. 993・1-2. 222-226 (2003)
• [文献書誌] Ogiue-Ikeda M: "A new method to destruct targeted cells using magneizable beads and pulsed magnetic force"IEEE Transactions on Nanobioscience. 2・4. 262-265 (2004)
• [文献書誌] Eguchi Y: "Control of orientation of rat Schwann cells using an 8T static magnetic field"Neuroscience Letters. 351・2. 130-132 (2003)
• [文献書誌] Iwasaka M: "Detection of intracellular macromolecule behavior under strong magnetic fields by linearly polarized light"Bioelectromagnetics. 24・8. 564-570 (2003)
• [文献書誌] Iwasaka M: "Magnetic field effects on assembly pattern of smooth muscle cells"In Vitro Cell Dev Biol Anim. 39・3. 20-123 (2003)
• [文献書誌] K.Hata: "1439 MHz pulsed TDMA fields affect performance of rats in a T-maze task only when body temperature is elevated"Bioelectromagnetics. 24・4. 223-230 (2003)
• [文献書誌] Ichioka S: "Skin temperature changes induced by strong static magnetic field exposure"Bioelectromagnetics. 24・6. 380-386 (2003)
• [文献書誌] Huang SF: "Measurement of visually evoked magnetic fields associated with pattern recognition"IEEE Transactions on Magnetics. 39・5. 3331-3333 (2003)
• [文献書誌] Maeno T: "Source modeling of the P300 event-related response using magnetoencephalography and electroencephalography measurements"IEEE Transactions on Magnetics. 39・5. 3396-3398 (2003)
• [文献書誌] Ogiue-Ikeda M: "The effect of transcranial magnetic stimulation on long-term potentiation in rat hippocampus"IEEE Transactions on Magnetics. 39・5. 3390-3392 (2003)
• [文献書誌] Sekino M: "Magnetic resonance imaging of fluid motion with electrodeposition processes"IEEE Transactions on Magnetics. 39・5. 3393-3395 (2003)
• [文献書誌] Umeno A: "Quantitative analysis of adherent cell orientation influenced by strong magnetic fields"IEEE Transactions on Nanobioscience. 2・1. 26-28 (2003)
• [文献書誌] 金子 晃久: "拡散テンソルMRIによる,ひずみ推定の可能性の検討"日本応用磁気学会誌. 28・3. 449-453 (2004)
• [文献書誌] 佐野 真人: "Diffusion MRI を用いた生体内水分子の制限拡散に関する研究"日本応用磁気学会誌. 28・3. 458-462 (2004)
• [文献書誌] 竹内 道弘: "磁場配向したフィブリン繊維を取り巻く水分子のT2緩和時間"日本応用磁気学会誌. 28・3. 468-471 (2004)
• [文献書誌] 江口 和: "静磁場による神経再生足場の制御"日本応用磁気学会誌. 27・4. 443-446 (2003)
• [文献書誌] Iramina K: "Effects of transcranial magnetic stimulation on EEG activity"IEEE Transactions on Magnetics. 38・5. 3347-3349 (2002)
• [文献書誌] Huang SF: "Visual-evoked magnetic fields associated with geometric and phonetic discrimination"IEEE Transactions on Magnetics. 38・5. 3341-3343 (2002)
• [文献書誌] Iwasaka M: "Cleavage pattern modulation of frog's egg under magnetic fields of 10 tesla order"International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 14・1-4. 327-330 (2002)
• [文献書誌] Iwasaka M: "Manipulation of cells by diamagnetic energy"International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 14・1-4. 391-396 (2002)
• [文献書誌] Huang SF: "Visually evoked magnetic fields associated with geometric and phonetic discrimination"International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 14・1-4. 341-346 (2002)
• [文献書誌] Kotani H: "Strong static magnetic field stimulates bone formation to a definite orientation in vitro and in vivo"Journal of Bone and Mineral Research. 17・10. 1814-1821 (2002)
• [文献書誌] Hong B: "Changes in blood pressure and heart rate by repetitive transcranial magnetic stimulation in rats"Neuroscience Letters. 329・1. 57-60 (2002)
• [文献書誌] Sekino M: "Comparison of current distributions in electroconvulsive therapy and transcranial magnetic stimulation"Journal of Applied Physics. 91・10. 8730-8732 (2002)
• [文献書誌] Epstin C.: "Asymmetries of prefrontal cortex in human episodic memory : Effects of transcranial magnetic stimulation on learning abstract patterns"Neuroscience Letters. 320・1-2. 5-8 (2002)
• [文献書誌] Uchida S: "Magnetocardiogrphic imaging for ischemic myocardial muscles on rats"IEICE Transactions on Information and Systems. 65・D(1). 30-35 (2002)
• [文献書誌] Niijima S: "MEG source estimation using the fourth order MUSIC method"IEICE Transactions on Information and Systems. 65・D(1). 167-164 (2002)
• [文献書誌] Iwaki S: "Visualization of the brain activity during mental rotation processing using MUSIC-weighted lead-field synthetic filtering"IEICE Transactions on Information and Systems. 65・D(1). 175-183 (2002)
• [文献書誌] 岩坂正和: "強磁場下での細胞内骨格再配置のリアルタイム偏光検出"日本応用磁気学会誌. 26・4. 593-596 (2002)
• [文献書誌] Testof MF: "Melanophore aggregation in strong static magnetic fields"Bioelectromagnetics. 23. 444-449 (2002)
• [文献書誌] Iramina K: "Measurement of evoked electroencephalography induced by transcranial magnetic dtimulation"Journal of Applied Physics. (In press). (2003)
• [文献書誌] Iwasaka M: "Verification of magnetic field gradient effects on medium convection and cell adhesion"Journal of Applied Physics. (In press). (2003)
• [文献書誌] Nakahira A: "Effect of a high magnetic field on the bioactivity of apatite-based biomaterials"Journal of Applied Physics. (In press). (2003)
• [文献書誌] Ikehata M: "Effects of Intense Magnetic Fields on Sedimentation Pattern and Gene Expression Profile in Budding Yeast"Journal of Applied Physics. (In press). (2003)
• [文献書誌] Yaoita M: "Magneto-sensitive enzyme electrode for hydrogen peroxide sensing"Journal of Applied Physics. (In press). (2003)
• [文献書誌] Iwasaka M: "Polarized light transmission of smooth muscle cells during magnetic field exposures"Journal of Applied Physics. (In press). (2003)
• [文献書誌] (分担執筆): "磁気科学(北澤宏一監修、尾関、谷本、山口編)"アイピーシー出版部. 550(20) (2002)
• [文献書誌] 上野照剛, 重光司, 岩坂正和(共同編集・分担執筆): "生体と電磁界"(株)学会出版センター. 350 (2003)
• [文献書誌] C.M.Epstin, et al.: "Asymmetries of prefrontal cortex in human episodic memory : Effects of transcranial magnetic stimulation on learning abstract patterns"Neurosci Lett.. Vol.320. 5-8 (2002)
• [文献書誌] K.Iramina, et al.: "Effects of repetation rate of electric stimulation on MEG and fMRI signals"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.37 No.4. 2918-2920 (2001)
• [文献書誌] M.Iwasaka, et al.: "Optical absorbance of hemoglobin and red blood cell suspensions under magnetic fields"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.37 No.4. 2906-2908 (2001)
• [文献書誌] M.Iwasaka, et al.: "Magnetophoresis of diamagnetic cells and microorganisms in a culture medium"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.37 No.4. 2644-2908 (2001)
• [文献書誌] M.Ogiue-Ikeda, et al.: "Inhibition of leukemia cell growth under magnetic fields of up to 8T"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.37 No.4. 2912-2914 (2001)
• [文献書誌] A.Umeno, et al.: "Quantification of adherent cell orientation and morphology under strong magnetic fields"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.37 No.4. 2909-2911 (2001)
• [文献書誌] M.Iwasaka, et al.: "Magnetically disturbed activity of immobilized catalase on an electrode in hydrogen-peroxide buffer"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.37 No.4. 2941-2943 (2001)
• [文献書誌] R.Hayashi, et al.: "Elicitation of N400m in sentence comprehension due to lexical prosody incongruity"NeuroReport. Vol.12 No.8. 1753-1756 (2001)
• [文献書誌] K.Kasai, et al.: "Brain lateralization for mismatch response to across-and within-category change of vowels"NeuroReport. Vo.12 no.11. 2467-2471 (2001)
• [文献書誌] S.Uchida, et al.: "Magnetocardiographic Imaging for Ischemic Myocardial Muscles on Rats"IEICE Transactions. Vol.E 85D No.1. 30-35 (2002)
• [文献書誌] S.Iwaki, et al.: "Visualization of the Brain Activity during Mental Rotation Processing Using MUSIC-Weighted Lead-Field Synthetic Filtering"IEICE Transactions. Vol.E 85D No.1. 175-183 (2002)
• [文献書誌] S.Niijima, et al.: "Source Estimation Using the Fourth Order MUSIC Method"IEICE Transactions. Vol.E 85D No.1. 167-174 (2002)
• [文献書誌] 内田誠也, et al.: "最小ノルム法を用いた心筋虚血ラットの電流源の推定"日本応用磁気学会誌. Vol.25 No.4-2. 1123-1126 (2001)
• [文献書誌] B.Hong, et al.: "パルス磁気刺激によるラットの自律神経及び動脈圧受容器への影響"日本応用磁気学会誌. Vol.25 No.4-2. 1135-1138 (2001)
• [文献書誌] 小谷 博子, et al.: "直流磁場による骨芽細胞の配向制御"日本応用磁気学会誌. Vol.25 No.4-2. 1167-1170 (2001)
• [文献書誌] S.Ueno: "Principle and horizons of magnetic resonance imaging"Advances in Electromagnetic Fields in Living System. Vol.3. 39-71 (2000)
• [文献書誌] K.Iramina: "Effects of repetation rate of electric stimulation on MEG and fMRI signals"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.37(In Press). (2001)
• [文献書誌] R.Liu: "Calculating the activating function of nerve excitation in inhomogeneous volume conductor during magnetic stimulation using the finite element method"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.36 No.4. 1796-1799 (2000)
• [文献書誌] G.Tsurita: "Biological and morphological effects on the brain after exposure of rats to a 1439 MHz TDMA Field"Bioelectromagnetics. Vol.21. 364-371 (2000)
• [文献書誌] M.Iwasaka: "Aggregation of blood platelets in static magnetic fields"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.36 No.5(In press). (2000)
• [文献書誌] S.Uchida: "Current Source Imaging for High Spatial Resolution Magnetocardiography in Normal and Abnormal Rat Cardiac Muscles"Journal of Applied Physics. Vol.87,NO.9. 6205-6207 (2000)
• [文献書誌] S.Uchida: "A comparison of iterative minimum norm estimation and current dipole estimation for magnetic field measurements from small animals"IEEE Transactions on Magnetic. Vol.3,No5(In press). (2000)
• [文献書誌] M.Iwasaka: "Magnetically distributed activity of immobilized catalase on an electrode in Hydrogen-Peroxide buffer"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.37(In Press). (2001)
• [文献書誌] 伊良皆啓治: "FMRIおよび脳磁図による体性感覚誘発反応計測-電気刺激の刺激強度の違いによる影響-"日本応用磁気学会誌. 24. 931-934 (2000)
• [文献書誌] 吉村裕: "ラット頭部の酸素化・脱酸素化ヘモグロビンに対する直流磁場効果"日本生体磁気学会論文誌. Vol.12 No.2. 39-46 (2000)
• [文献書誌] 内田誠也: "左冠状動脈閉塞モデルラットの心磁図と心ベクトルについて"日本応用磁気学会誌. 24. 935-938 (2000)