縦断的脳イメージングによる脳可塑性の解明と脳可塑性促進法の開発

• Project/Area Number: 14J10825
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Cognitive science
• Research Institution: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University
• Principal Investigator: 疋島(笠原) 和美 沖縄科学技術大学院大学, 神経計算ユニット, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: ブレイン・マシン・インターフェイス / ブレイン・コンピューター・インターフェイス / 経頭蓋直流電気刺激 / 運動学習 / リハビリテーション / functional MRI / diffusion MRI / Brain Machine Interface / Brain Computer Interface / tDCS / 個人差 / 安静時脳機能結合 / MRI / ブレイン・コンピュター・インターフェイス / Voxel-based morphometry / Resting State fMRI / ERD / rs-fcMRI / Diffusion tensor imaging / Diffusion spectrum / 可塑性

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、学習における脳構造や脳活動の変化を個体毎に評価し、個々に合わせた効果的なリハビリテーション法開発への知見を得ることを目的とした。
はじめに、ブレイン・マシン・インターフェイス（BMI）は、病気や怪我により障害された運動機能を補う“神経補綴技術”であり、リハビリテーションに併用することで治療効果を促進することが報告されている。一方、BMIの操作には個人差があり、うまく使いこなせない患者もいる。この個人差は、BMIの臨床応用を妨げる大きな要因のひとつである。そこで申請者は、このBMI操作能力の個人差を経頭蓋直流電気刺激（tDCS）によって改善できると考え、その仮説を実験的に検証した。さらに運動学習による脳の可塑的変化の生物学的基盤を動物実験により検証した。
運動課題成績を向上させる目的で陽極刺激を実施した被験者群は、偽刺激群に比べ、functional MRIで計測される安静時脳機能結合が、刺激直下の運動野－尾状核間、運動野－小脳間で増加していた。一方、申請者の仮説に反して成功率は減少した。この結果は、本研究のtDCSは運動機能の機能結合を高めるにも関わらず、BMI操作成績に対しては抑制的な影響を示した。この知見は、29年度7月に開催された日本神経科学会で発表した。また今年度は、臨床展開として運動機能障害を呈するパーキンソン病患者にBMIを応用した症例についての研究成果がBrain-Computer Interfaces誌に掲載された。
さらに本研究では、マウスを対象に運動学習による脳機能や構造の可塑的変化を解明する実験も進めてきた。7週間の学習前後のMRI計測の結果、運動野と小脳間、左右運動野間の機能的連絡が、トレーニング前後で増加する傾向が見られた。以上、運動学習によって脳に可塑的変化が引き起こされている可能性が示唆されており、解析を進め論文にまとめたい。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Initial experience with a sensorimotor rhythmbased brain-computer interface in a Parkinson’s disease patient (2018)
  • Author(s): Kazumi Kasahara, Hideki Hoshino, Yoshihiko Furusawa, Charles Sayo DaSalla, Manabu Honda, Miho Murata, Takashi Hanakawa
  • Journal Title: Brain-Computer Interfaces Volume: 印刷中 Issue: 2-3 Pages: 88-96
  • DOI: 10.1080/2326263x.2018.1440781
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neuroanatomical correlates of brain-computer interface performance (2015)
  • Author(s): Kasahara K, DaSalla CS, Honda M, Hanakawa T
  • Journal Title: Neuroimage Volume: 110 Pages: 95-100
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2015.01.055
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Effects on control performance during brain-computer interface induced by transcranial direct current stimulation (2017)
  • Author(s): Kazumi Kasahara, Hideki Hoshino, Tatsuhiro Nakamura, Charles Sayo DaSalla, Yousuke Ogata, Kazumasa Uehara, Kenji Doya & Takashi Hanakawa
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ
  • Year and Date: 2017-07-20
• [Presentation] An inter-individual variability in peak frequency of event-related desynchronization of sensorimotor rhythms during electroencephalographic-based brain machine interface. (2015)
  • Author(s): Kazumi Kasahara, Charles Sayo DaSalla, Manabu Honda, Takashi Hanakawa.
  • Organizer: 第38回 日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場
  • Year and Date: 2015-07-28
• [Presentation] Anatomical structure correlated with control performance for an electroencephalography-based brain-computer interface: A voxel-based morphometry study. (2014)
  • Author(s): Kazumi Kasahara, Charles Sayo DaSalla, Manabu Honda, Takashi Hanakawa.
  • Organizer: Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB 2014
  • Place of Presentation: Milano, Italy
  • Year and Date: 2014-05-10 – 2014-05-16