The mechanism of axonal remodeling in corticospinal tract induced by task specific rehabilitative training after stroke

• Project/Area Number: 17K01493
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Rehabilitation science/Welfare engineering
• Research Institution: Kawasaki Medical School
• Principal Investigator: 岡部 直彦 川崎医科大学, 医学部, 助教 (30614276)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮本 修 川崎医科大学, 医学部, 教授 (00253287) ; 氷見 直之 川崎医科大学, 医学部, 講師 (70412161) ; 丸山 恵美 川崎医科大学, 医学部, 助教 (30792072)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: 脳梗塞 / リハビリテーション / 皮質脊髄路 / 再生医学 / 生理学 / 脳神経疾患 / 神経科学

Outline of Annual Research Achievements

本研究では脳梗塞後の課題特異的訓練を用いたリハビリテーションによる神経回路変化がどのようなメカニズムにおいて起こるのかを、解剖および分子の両面で明らかにすることを目的として実験、解析を行っている。2019年－2020年は主に皮質脊髄路へのシナプス入力の変化を解析するため下記の3実験を行った。1)行動試験によるリハビリテーションの効果検証と機能回復を担う脳領域および神経細胞種の同定、2)樹状突起スパイン解析によるシナプス動態の解析、3)狂犬病ウイルス(Rabies Virus: RV)をもちいた単シナプス経路解析。
これらの実験から以下の可能性が示唆された。①脳梗塞後リハビリテーションは脳梗塞により生じた機能障害を回復させるが、この機能回復は対側（健常側）脳よりも梗塞側脳の残存脳領域である前運動野に依存する。②脳梗塞領域に投射する神経細胞では梗塞から時間的（４週間後）・空間的（平均1.5mm）に脳梗塞から解離していても樹状突起スパインが減少し、リハビリテーションはこれらの異常を回復する。③一次運動野への脳梗塞により梗塞脳体性感覚野・視床および対側脳前運動野から梗塞側前運動野へのシナプス入力が障害され、リハビリテーションではこれらの障害が軽減され、特に対側前運動野からのシナプス入力が回復する。
本実験により確認された梗塞領域投射ニューロンにおける樹状突起スパインやシナプス入力の障害、およびリハビリテーションによるこれらの障害に対する効果は今まで報告されておらず、脳梗塞後の機能回復における新しい知見が得られた。現在、DREADDsを用いた神経回路特異的抑制試験などによりこれらの組織学的変化と機能回復の関連を検証しており、今後リハビリテーションの実施時期による影響および分子メカニズムの検証も行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Very Early Initiation Reduces Benefits of Poststroke Rehabilitation Despite Increased Corticospinal Projections (2019)
  • Author(s): Okabe Naohiko、Himi Naoyuki、Nakamura-Maruyama Emi、Hayashi Norito、Sakamoto Issei、Hasegawa Toru、Miyamoto Osamu
  • Journal Title: Neurorehabilitation and Neural Repair Volume: 33 Issue: 7 Pages: 538-552
  • DOI: 10.1177/1545968319850132
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Constraint-induced movement therapy improves efficacy of taskspecific training after severe cortical stroke depending on the ipsilesional corticospinal projections (2018)
  • Author(s): Naohiko Okabe, Naoyuki Himi, Emi Nakamura-Maruyama, Norito Hayashi, Issei Sakamoto, Kazuhiko Narita, Toru Hasegawa, Osamu Miyamoto
  • Journal Title: Experimental Neurology Volume: in press Pages: 108-120
  • DOI: 10.1016/j.expneurol.2018.04.006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rehabilitative skilled forelimb training enhances axonal remodeling in the corticospinal pathway but not the brainstem-spinal pathways after photothrombotic stroke in the primary motor cortex (2017)
  • Author(s): Okabe Naohiko、Himi Naoyuki、Maruyama-Nakamura Emi、Hayashi Norito、Narita Kazuhiko、Miyamoto Osamu
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 12 Issue: 11 Pages: 0187413-0187413
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0187413
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Neural network remodeling induced by post-stroke rehabilitataion (2018)
  • Author(s): Naohiko Okabe
  • Organizer: Neuroscience 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Constraint-induced movement therapy improves efficacy of task-specific training after severe cortical stroke depending on the ipsilesional corticospinal projections (2018)
  • Author(s): 岡部 直彦
  • Organizer: 第４１回神経科学大会
• [Presentation] 脳梗塞後リハビリテーションによる神経回路再編：リハビリテーション治療の可能性 と限界 (2018)
  • Author(s): 岡部直彦、氷見直之、中村丸山恵美、成田和彦、宮本修
  • Organizer: 第９５回日本生理学会
• [Presentation] 脳梗塞後リハビリテーションによる下降性脊髄路の変化 (2017)
  • Author(s): 岡部直彦、氷見直之、中村丸山恵美、成田和彦、宮本修
  • Organizer: 第４０回日本神経科学回