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刺激波形制御による標的神経電気刺激法の開発と脳機能イメージングによる実験的検証

Research Project

Project/Area Number 13J02324
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field 融合脳計測科学
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

上野 彩子  東北大学, 大学院情報科学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2013 – 2014
Project Status Completed (Fiscal Year 2014)
Budget Amount *help
¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords細胞外電気刺激 / 選択的な神経線維の動員 / 電気刺激の時間波形制御 / ヒト有髄神経線維 / 神経活動イメージング / 皮質・皮質下マッピング / ヒト中枢神経線維
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、中枢神経系において細胞外電極と神経線維との距離や神経線維の直径に対し選択的な刺激法を開発することである。
これまでに末梢神経系では刺激の時間波形を制御することで選択的刺激が可能であることが示唆されていたが、中枢神経系に適用された例はなかった。もし中枢神経系においても選択的刺激が可能ならば、臨床医学で利用されている電気刺激法において、安全性向上に寄与するものと期待できる。
本研究においては、シミュレーションと動物実験からこの問題に取り組んだ。
まず、ヒト頭部の一部を模擬した容積導体にヒト有髄神経の数理モデルを埋め込んだモデルを用いて、ディスク型の電極から電気刺激を与えたときの応答をシミュレーションした。刺激波形は双極の陰極性矩形波、および三角波と三つのバースト波から構成される閾値下前刺激を陰極性矩形波に先行して配置した波形とした。この二つの波形について、電極と神経線維との距離に対する選択性、および神経線維の直径に対する選択性を評価した。
その結果、閾値下前刺激を配置した場合には、矩形波刺激と比較して距離および直径選択性が同時に高まることを明らかにした。この現象のメカニズムを説明しうるものとして、閾値下前刺激の期間中に神経線維のカリウムチャネルが開口し、もれ電流が増加することを示した。
続いてシミュレーションにより予見された閾値下前刺激の効果を検証するために、マウスの視床皮質スライスに陰極性の矩形波および閾値下前刺激を陰極性矩形波に先行して配置した波形を与えたときの大脳皮質の応答を、フラビン蛋白蛍光イメージング法により観察した。
その結果、閾値下前刺激を与えたときは、矩形波刺激と比較して大脳皮質の応答が有意に減弱することを明らかにした。これにより中枢神経系でも選択的動員が可能であることをイメージングにより初めて示唆した。

Research Progress Status

本研究課題は平成26年度が最終年度のため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題は平成26年度が最終年度のため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2014 Annual Research Report
  • 2013 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2014 2013

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (6 results)

  • [Journal Article] Targeted subcortical nerve recruitment by controlling the waveform of electrica stimulation for MRI-guided surgical ablation2014

    • Author(s)
      Ayako Ueno, Norihiro Katayama, Akihiro Karashima, Mitsuyuki Nakao
    • Journal Title

      Advanced Biomedical Engineering

      Volume: 3 Pages: 134-146

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Correlation between Green Autofluorescence and Spontaneous Electroencephalogram in the Cerebral Cortex of Urethane Anesthetized Mice2014

    • Author(s)
      片山統裕、中川大輝、上野彩子、辛島彰洋、中尾光之
    • Journal Title

      Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers

      Volume: 50 Issue: 8 Pages: 602-607

    • DOI

      10.9746/sicetr.50.602

    • NAID

      130004679652

    • ISSN
      0453-4654, 1883-8189
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Targeted subcortical nerve recruitment by controlling waveform of electrical stimulation for MRI-guided surgical ablation.2014

    • Author(s)
      Ayako Ueno
    • Organizer
      生体医工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2014-09-26
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] Computational analysjs of selective recruitment for subcortical nerve fibers by smooth biphasic waveforms.2014

    • Author(s)
      Ayako Ueno, Norihiro Katayama, Akihiro Karashima, Mitsuyuki Nakao
    • Organizer
      The 2^<nd> RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Place of Presentation
      Sendai
    • Year and Date
      2014-02-21
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] 時間波形制御による皮質下線維の選択的動員に関する検討2013

    • Author(s)
      上野彩子, 片山統裕, 辛島彰洋, 中尾光之
    • Organizer
      第46回日本生体医工学会生体信号計測・解釈研究会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2013-12-16
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] The effect of electrical stimulation waveform on the spatial distribution of neuronal activation in thalamo-corticat slices of mice2013

    • Author(s)
      Ayako Ueno, Norihiro Katayama, Akihiro Karashima, Mitsuyuki Nakao
    • Organizer
      生体医工学シンポジウム2013(JBMES2013)
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      2013-09-20
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of distance-selective nerve recruitment for subcortical brain mapping by controlling stimulation waveforms2013

    • Author(s)
      Ayako Ueno, Akihiro Karashima, Mitsuyuki Nakao, Norihiro Katayama
    • Organizer
      Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2013 35^th Annual International Conference of the IEEE
    • Place of Presentation
      Osaka
    • Year and Date
      2013-07-04
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Comparing the diameter-and distance-selectivity of electrical nerve stimulation with stimulus waveform control2013

    • Author(s)
      Ayako Ueno, Norihiro Katayama, Akihiro Karashima, Mitsuyuki Nakao
    • Organizer
      第36回日本神経科学大会・第56回日本神経化学会大会・第23回日本神経回路学会合同大会(Neuro 2013)
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      2013-06-20
    • Related Report
      2013 Annual Research Report

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Published: 2014-01-29   Modified: 2024-03-26  

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