Development of magnetic resonance techniques as a surrogate marker to examine regions of the brain that involve microstructural changes of cortical tissue

• Project/Area Number: 19H04449
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: National Center of Neurology and Psychiatry (2020-2022); Fukushima Medical University (2019)
• Principal Investigator: Mitsunari Abe 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 脳病態統合イメージングセンター, 部長 (60588515)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 磁気共鳴画像 / 神経可塑性 / 神経回路構造変化 / 磁気共鳴画像法(MRI) / 可塑性 / 学習 / MRI / 回路形態変化 / 構造変化 / 記憶 / ＭＲＩ / 微視的形態変化 / 電磁気脳刺激 / 解剖構造変化 / 核磁気共鳴法 / 水拡散強調画像法

Outline of Research at the Start

記憶の固定化に伴い神経回路の形態リモデリングが起こる。これは記憶の痕跡といえる。この痕跡を核磁気共鳴法(MRI)顕微鏡技術で捉える技術を確立する。本研究で形態リモデリングをMRIが捉えることを示す。この成果は可塑性イメージング技術に生物学的根拠を与える。学術的に、ヒト記憶の全脳回路の同定に貢献でき、臨床応用では、損傷脳のリハビリテーション評価技術への展開が期待できる。

Outline of Final Research Achievements

Water diffusion works as a probe to observe changes in microstructure in neural tissue. Repetitive stimulation applied over the motor cortex induced plasticity. Using water diffusion MRI, we observed changes in MRI signals that parallel induction of plasticity. We hypothesized that remodeling of neural circuits might underlie MRI signals after induction of neuronal plasticity. We tested our hypothesis using a spatial learning model in rats.
Long-Evans rats trained the Barnes maze in 6 days. We performed MRI testing before and after the training session. We observed changes in MRI signals in the hippocampus after the training session. The greater change in MRI signals was correlated with higher performance of the long-term learning task. Changes in MRI signals were reduced when the NMDA receptor blocker was injected to the cerebrospinal fluid space. These results suggest that changes in MRI signals were related with long-term memory that involved activation of NMDA-receptor.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

MRI既存技術で組織内の微細構造変化を捉えることが可能である。この手法を利用して、学習による可塑性変化が起こった脳部位を同定できる技術を開発した。その生物学的根拠を部分的に示した。我々が観察した結果は、MRI変化が学習結果と相関関係があった。神経可塑性の分子基盤を巻き込んでいることを間接的に示した。ただし研究期間中に可塑性誘導に伴う形態リモデリングが関係するかを示すことができなかった。しかし、既存の機能的MRI技術では神経活動の賦活化した部位を観察できるが、神経可塑性の起こった部位は観察できない。この技術の生物学的根拠をさらに詰めることで新規機能イメージング手法の提案ができるであろう。

Research Products

• [Journal Article] High Correlation among Brain-Derived Major Protein Levels in Cerebrospinal Fluid: Implication for Amyloid-Beta and Tau Protein Changes in Alzheimer’s Disease (2022)
  • Author(s): Hoshi Kyoka、Kanno Mayumi、Abe Mitsunari、Murakami Takenobu、Ugawa Yoshikazu、Goto Aya、Honda Takashi、Saito Takashi、Saido Takaomi C.、Yamaguchi Yoshiki、Miyajima Masakazu、Furukawa Katsutoshi、Arai Hiroyuki、Hashimoto Yasuhiro
  • Journal Title: Metabolites Volume: 12 Issue: 4 Pages: 355-355
  • DOI: 10.3390/metabo12040355
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A computational model based on corticospinal functional MRI revealed asymmetrically organized motor corticospinal networks in humans (2022)
  • Author(s): Eiji Takasawa †, Mitsunari Abe †*, Hirotaka Chikuda, Takashi Hanakawa †
  • Journal Title: Commutations Biology Volume: 5(1) Issue: 1 Pages: 664-664
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03615-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Q＆A―神経科学の素朴な疑問：神経線維の太さが変わるというのは本当でしょうか？ (2022)
  • Author(s): 阿部十也
  • Journal Title: Clinical Neuroscience Volume: 40(7) Pages: 904-905
• [Journal Article] 脳・脊髄同時記録機能的MRI技術を用いたヒト認知神経科学研究の新展開 (2022)
  • Author(s): 阿部十也
  • Journal Title: Clinical Neuroscience Volume: 41(1) Pages: 138-139
• [Journal Article] Transferrin Biosynthesized in the Brain Is a Novel Biomarker for Alzheimer’s Disease (2021)
  • Author(s): Hoshi Kyoka、...、Hashimoto Yasuhiro
  • Journal Title: Metabolites Volume: 11 Issue: 9 Pages: 616-616
  • DOI: 10.3390/metabo11090616
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A patient with McLeod syndrome showing involvement of the central sensorimotor tracts for the legs (2019)
  • Author(s): Murakami T, Abe D, Matsumoto H, Tokimura R, Abe M, Tiksnadi A, Kobayashi S, Kaneko C, Urata Y, Nakamura M, Sano A, Ugawa Y
  • Journal Title: BMC Neurol Volume: 19 Issue: 1 Pages: 301-301
  • DOI: 10.1186/s12883-019-1526-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Frequency-dependent current perception threshold in healthy Japanese adults. (2019)
  • Author(s): Nakatani-Enomoto S, Yamazaki M, Kamimura Y, Abe M, Asano K, Enomoto H, Wake K, Watanabe S, Ugawa Y
  • Journal Title: Bioelectromagnetics. Volume: 40 Issue: 3 Pages: 150-159
  • DOI: 10.1002/bem.22175
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 脳構造MRIを用いた神経疾患の年齢予測の検証 (2022)
  • Author(s): 松島斗真, 吉永健二, 高村垣人, 舞草伯秀, 麦倉俊司, 森奈緒子, 布施昇男, 関口敦, 阿部 十也. 花川隆
  • Organizer: 第52回 日本臨床神経生理学会学術大会(京都)
• [Presentation] 軽度認知機能障害とパーキンソン病のMMNにおける縦断的比較 (2022)
  • Author(s): 羽金裕也, 志賀哲也, 戸田亘, 三浦至, 阿部十也, 金井数明, 伊藤浩, 矢部博興
  • Organizer: 第52回 日本臨床神経生理学会学術大会(京都)
• [Presentation] 脳脊髄同時記録機能的MRI技術を用いたヒト認知神経科学研究の新展開(シンポジウム) (2022)
  • Author(s): 阿部 十也.
  • Organizer: 第52回 日本臨床神経生理学会学術大会(京都)
  • Invited
• [Presentation] Preferential involvement of the direct and indirect corticospinal pathways in preferred and non-preferred hand in right-handed humans (2019)
  • Author(s): 阿部十也
  • Organizer: 第三回脳機能イメージング研究会 「基礎脳イメージング科学」
  • Invited