The change of neural directed network in human physiological and pathological states

• Project/Area Number: 19K21210
• Project/Area Number (Other): 18H06087 (2018)
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund (2019); Single-year Grants (2018)
• Review Section: 0704:Neuroscience, brain sciences, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Usami Kiyohide 京都大学, 医学研究科, 特定助教 (20829204)
• Project Period (FY): 2018-08-24 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: brain waves / oscillation / 意識 / 睡眠 / electrocorticography / high-gamma activity / ネットワーク解析 / effective connectivity / causal interactions / Brain waves / Electrocorticography / High-gamma activity / Effective connectivity / Causal interaction / Sleep / Consciousness / てんかん / 因果性解析 / 皮質単発電気刺激

Outline of Research at the Start

（本研究の全体構想）
発作の発作様式の変化に関わっていると考えられるが、その詳細は未解明である。本研究では、脳葉や睡眠段階によるヒト脳内の神経活動の流れ方（有向ネットワーク）の変容を解析し、それと神経生理（意識）・病態（てんかん）との関連を明らかにする。
（本研究の具体的方法）
頭蓋内電極が留置された患者で、電極を介して皮質単発電気刺激で誘発された高周波活動
を記録する。これを刺激部位に関連した特定のネットワークに惹起された神経活動の指標として、脳葉や睡眠段階、てんかん発作の焦点や非焦点にわけて多電極間で因果性解析を行う。さらに、この結果と、同時記録した頭皮上脳波との相関解析を行う。

Outline of Final Research Achievements

We applied single-pulse electrical stimulation (SPES) to the cortices in patients implanted with subdural electrodes during sleep and recorded SPES-elicited electrical signals. Then the spread pattern of neuronal activities indexed by high-gamma activity were analyzed between electrodes by event-related causality (ERC) method. We observed greater propagation of activity from frontal to parietal lobe during slow-wave sleep, and decreased propagation within frontal lobe, but increased propagation within parietal lobe, during REM sleep. We applied the analysis program used for this study to the other study, revealing spread of neuronal signals during a picture naming task.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

脳内有向ネットワークの生理的変容の一端を明らかにし，睡眠がヒト脳にもたらす影響の科学的解明に貢献した．さらに，本研究は，てんかんなどの病態脳のネットワーク変容を理解するうえでの基礎的データになると考えられた．また社会的意義としては，本研究をもとにシンポジウム講演，教育講演，総説の執筆を行い，幅広い領域へ睡眠を含む脳内ネットワークへの興味を喚起することに貢献できた．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Johns Hopkins University of Medicine(米国)
• [Int'l Joint Research] Johns Hopkins University(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)
• [Journal Article] Cortico-cortical evoked potential by single-pulse electrical stimulation is a generally safe procedure (2021)
  • Author(s): Kobayashi Katsuya、Matsumoto Riki、Usami Kiyohide、Matsuhashi Masao、Shimotake Akihiro、Kikuchi Takayuki、Yoshida Kazumichi、Kunieda Takeharu、Miyamoto Susumu、Takahashi Ryosuke、Ikeda Akio
  • Journal Title: Clinical Neurophysiology Volume: 132 Issue: 5 Pages: 1033-1040
  • DOI: 10.1016/j.clinph.2020.12.022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 新規抗てんかん薬でのparadoxical effect：レベチラセタムによる発作抑制効果がUカーブを示した3例の検討 (2021)
  • Author(s): 井上 岳司, 小林 勝哉, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 井内 盛遠, 酒井 達也, 池田 昭夫, 髙橋 良輔
  • Journal Title: 臨床神経 Volume: 61 Pages: 247-252
  • NAID: 130008028365
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 高齢者てんかんの治療 (2021)
  • Author(s): 宇佐美 清英
  • Journal Title: 脳神経内科 Volume: 印刷中
• [Journal Article] 体外離脱体験と多彩な視覚症状を呈し，部分てんかん発作との鑑別を要した片頭痛患者の一例 (2021)
  • Author(s): 細川 恭子, 宇佐美 清英, 梶川 駿介, 下竹 昭寛, 立岡 良久, 池田 昭夫, 髙橋 良輔
  • Journal Title: 臨床神経 Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] てんかん 長期処方自体の薬物療法を支える薬剤師になるための慢性疾患治療薬の使い分けと患者モニタリング (2020)
  • Author(s): 宇佐美 清英, 池田 昭夫
  • Journal Title: 調剤と薬局 Volume: - Pages: 244-249
• [Journal Article] Engagement of cortico-cortical and cortico-subcortical networks in a patient with epileptic spasms: An integrated neurophysiological study (2020)
  • Author(s): Takeshi Inoue, Katsuya Kobayashi, Riki Matsumoto, Morito Inouchi, Masaya Togo, Jumpei Togawa, Kiyohide Usami, Akihiro Shimotake, Masao Matsuhashi, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Hisashi Kawawaki, Nobukatsu Sawamoto, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Journal Title: Clin Neurophysiol Volume: 131 Issue: 9 Pages: 2255-2264
  • DOI: 10.1016/j.clinph.2020.04.167
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Does single stimulus elucidate the complex mystery of sleep? (2020)
  • Author(s): Usami Kiyohide
  • Journal Title: Clinical Neurophysiology Volume: 131 Issue: 2 Pages: 463-464
  • DOI: 10.1016/j.clinph.2019.11.010
  • NAID: 120006779791
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mental activation to overcome electrically induced cortical hyperexcitability (2019)
  • Author(s): Usami Kiyohide、Kinoshita Masako
  • Journal Title: Clinical Neurophysiology Volume: 130 Issue: 11 Pages: 2164-2165
  • DOI: 10.1016/j.clinph.2019.08.014
  • NAID: 120006766054
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] てんかん診断における検査法Update (2019)
  • Author(s): 宇佐美 清英
  • Journal Title: 医学のあゆみ Volume: 270 Pages: 529-536
• [Journal Article] The neural tides of sleep and consciousness revealed by single-pulse electrical brain stimulation. (2019)
  • Author(s): Usami K, Korzeniewska A, Matsumoto R, Kobayashi K, Hitomi T, Matsuhashi M, Kunieda T, Mikuni N, Kikuchi T, Yoshida K, Miyamoto S, Takahashi R, Ikeda A, Crone NE.
  • Journal Title: Sleep. Volume: in press Issue: 6 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1093/sleep/zsz050
  • NAID: 120006647295
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] How to identify posterior dominant rhythm among obscuring EMG artifacts in psychogenic non-epileptic seizures: Time-frequency analysis can help us (2021)
  • Author(s): Haruka Ishibashi, Kiyohide Usami, Shuichiro Neshige, Hirofumi Maruyama, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Organizer: 17th Asian Oseanian Congress of Neurology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 低用量ペランパネルによりてんかん性ミオクローヌスと歩行障害が改善した良性成人型家族性ミオクローヌスてんかん(BAFME)の1例 (2021)
  • Author(s): 手納 忠信, 小林 勝哉, 宇佐美 清英, 石橋 はるか, 江川 斉宏, 葛谷 聡, 池田 昭夫, 髙橋 良輔
  • Organizer: 第231回内科学会近畿地方会
• [Presentation] 難治性てんかんにおいて細胞外K濃度の変動状態が発作発現に関与する可能性 (2021)
  • Author(s): 後藤 昌広, 梶川 駿介, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 小林 勝哉, 人見 健文, 山尾 幸広, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 宮本 享, 松橋 眞生, 大野 行弘, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第16回日本てんかん学会近畿地方会
• [Presentation] 症候性全般てんかんの経過中に低カルニチン血症を認め、カルニチン補充により発作頻度の改善を認めた一例 (2021)
  • Author(s): 河村 祐貴, 十河 正弥, 小林 勝哉, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 松橋 眞生, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第16回日本てんかん学会近畿地方会
• [Presentation] Origin of giant somatosensory evoked potentials (SEPs) using principal component analysis: P25-HFOs were exclusively seen in benign adult familial myoclonus epilepsy (BAFME) (2021)
  • Author(s): Maya Tojima, Masao Matsuhashi, Takefumi Hitomi, Kazuki Oi, Katsuya Kobayashi, Kiyohide Usami, Akihiro Shimotake, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Organizer: 7th Asian-Oseanian Congress on Clinical Neurophysiology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] てんかん外科治療適応の効率的評価のためのスコアリングシステム： Specific Consistency Scoreの重み付けの検討 (2021)
  • Author(s): 戸島 麻耶, 下竹 昭寛, 音成 秀一郎, 岡田 直, 本多 正幸, 武山 博文, 小林 勝哉, 宇佐美 清英, 人見 健文, 松橋 眞生, 吉田 健司, 伏見 育崇, 岡田 知久, 山尾 幸広, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 行木 孝夫, 松本 理器, 國枝 武治, 髙橋 良輔, 宮本 享, 池田 昭夫
  • Organizer: 第44回日本てんかん外科学会
• [Presentation] Markedly suppressed and prolonged giant SEPs by perampanel: a decade-long course in Unverricht-Lundborg disease (2021)
  • Author(s): Maya Tojima, Shuichiro Neshige, Takefumi Hitomi, Masao Matsuhashi, Kazuki Oi, Katsuya Kobayashi, Kiyohide Usami, Akihiro Shimotake, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Organizer: 17th Asian Oseanian Congress of Neurology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exogeneous input to the epileptic focus modulates high frequency activities at the site of stimulation: a direct single pulse stimulation study (2020)
  • Author(s): Shunsuke Kajikawa, Riki Matsumoto, Katsuya Kobayashi, Masao Matsuhashi, Tadashi Okada, Mayumi Otani, Masaya Togo, Hirofumi Takeyama, Kiyohide Usami, Akihiro Shimotake, Yukihiro Yamao, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] Red slow detection in scalp-EEG recorded from epileptogenic zone of temporal lobe epilepsy patients (2020)
  • Author(s): Miwa Takatani, Masao Matsuhashi, Shunsuke Kajikawa, Masaya Togo, Kiyohide Usami, Akihiro Shimotake, Takefumi Hitomi, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 時間周波数解析での後頭部優位律動の適切な抽出は心因性非てんかん性発作(PNES)診断に有用である (2020)
  • Author(s): 石橋 はるか, 宇佐美 清英, 髙橋 瑠莉, 河村 祐貴, 後藤 昌広, 細川 恭子, 音成 秀一郎, 下竹 昭寛, 本多 正幸, 人見 健文, 松橋 眞生, 丸山 博文, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
• [Presentation] Reappraisal of abnormal EEG in migraine by wide-band EEG: a pilot study (2020)
  • Author(s): Kyoko Hosokawa, Kiyohide Usami, Masaya Togo, Takehumi Hitomi, Akihiro Shimotake, Masao Matsuhashi, Daisuke Danno, Takao Takeshima, Yoshihisa Tatsuoka, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 広域周波数帯域脳波 (wide-band EEG) 解析を用いた片頭痛における脳波所見の再検討 (2020)
  • Author(s): 細川 恭子, 宇佐美 清英, 立岡 悠, 本多 正幸, 人見 健文, 下竹 昭寛, 松橋 眞生, 團野 大介, 竹島 多賀夫, 立岡 良久, 高橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
• [Presentation] 周期性放電を認めた脳卒中後てんかんの臨床転帰に関連する脳波の特異的特徴 (2020)
  • Author(s): 戸島 麻耶, 福間 一樹, 田中 智貴, 梶川 駿介, 鴨川 徳彦, 池田 宗平, 小林 勝哉, 下竹 昭寛, 宇佐美 清英, 松橋 眞生, 髙橋 良輔, 池田 昭夫, 猪原 匡史
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 良性成人型家族性ミオクローヌスてんかん(BAFME)のバイオマーカーの探索：巨大体性感覚誘発電位(SEP)の高周波振動(HFO)の多数例解析 (2020)
  • Author(s): 戸島 麻耶, 人見 健文, 大井 和起, 小林 勝哉, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 松橋 眞生, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
• [Presentation] ISA is associated with transient cortical dysfunction and hyperperfusion in Moyamoya disease (2020)
  • Author(s): Hayashi Kozue, Masaya Togo, Kiyohide Usami, Yukihiro Yamao, Akihiro Shimotake, Takefumi Hitomi, Takayuki Kikuchi, Masao Matsuhashi, Kazumichi Yoshida, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] もやもや病血流再建術後の過灌流神経症状と脳波変化との関連：超低域徐波の意義 (2020)
  • Author(s): 林 梢, 宇佐美 清英, 十河 正弥, 山尾 幸広, 下竹 昭寛, 舟木 健史, 人見 健文,
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
• [Presentation] Clinical and laboratory Features of Elderly-Onset Temporal Lobe Epilepsy：comprehensive data analysis. (2020)
  • Author(s): 武山 博文, 松本 理器, 戸島 麻耶, 本多 正幸, 島 淳, 坂本 光弘, 林 梢, 宇佐美 清英, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 難治性側頭葉てんかんのsEEGにおける発作期・発作間欠期hypersynchronousパターンの違いの臨床的意義 (2020)
  • Author(s): 後藤 昌広, 梶川 駿介, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 人見 健文, 山尾 幸広, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 松橋 眞生, 髙橋 良輔, 宮本 享, 池田 昭夫
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
• [Presentation] 臨床てんかん患者で、細胞外K濃度の変動状態が発作発現に関与する可能性 (2020)
  • Author(s): 後藤 昌広, 梶川 駿介, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 人見 健文, 山尾 幸広, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 宮本 享, 松橋 眞生, 大野 行弘, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 巨体体性感覚誘発電位(SEP)に続いて繰り返す広周波数帯域の事象関連同期(ERS): cortical tremorとの関連 (2020)
  • Author(s): 山中 治郎, 戸島 麻耶, 大井 和起, 人見 健文, 松橋 眞生, 武山 博文, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 高橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
• [Presentation] 片頭痛の病態生理研究の新展開 片頭痛の脳波研究：Back to the basic (2020)
  • Author(s): 宇佐美 清英, 細川恭子, 竹島多賀夫, 立岡良久, 池田 昭夫
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 生物・非生物の視覚刺激は脳後方で異なる神経活動伝播をもたらす (2020)
  • Author(s): 宇佐美 清英, 松本 理器, Anna Korzeniewska, 下竹 昭寛, 中江 卓郎, 松橋 眞生, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 國枝 武治, 高橋 良輔, Nathan Crone, Lambon Ralph Matthew, 池田 昭夫
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
• [Presentation] ベーシックレクチャー11 睡眠脳波の判読 (2020)
  • Author(s): 宇佐美 清英
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Neural processes during picture naming are lateralized and category-biased in occipitotemporal areas (2020)
  • Author(s): Kiyohide Usami, Riki Matsumoto, Anna Korzeniewska, Akihiro Shimotake, Takuro Nakae, Masao Matsuhashi, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Ryosuke Takahashi, Nathan Crone, Matthew Lambon Ralph, Akio Ikeda
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] てんかん外科治療適応の評価におけるMEGの意義の後方視的検討 (2020)
  • Author(s): 岡田 直, 戸島 麻耶, 光野 優人, 永井 靖識, 下竹 昭寛, 音成 秀一郎, 宇佐美 清英, 松橋 眞生, 山尾 幸広, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 松本 理器, 國枝 武治, 高橋 良輔, 宮本 享, 池田 昭夫
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
• [Presentation] てんかん外科治療適応の評価におけるMEGの意義の後方視的検討 (2020)
  • Author(s): 岡田 直, 戸島 麻耶, 光野 優人, 永井 靖識, 下竹 昭寛, 音成 秀一郎, 宇佐美 清英, 松橋 眞生, 山尾 幸広, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 松本 理器, 國枝 武治, 高橋 良輔, 宮本 享, 池田 昭夫
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] もやもや病血流再建術後の過灌流神経症状と脳波変化との関連：超低域徐波の意義 (2020)
  • Author(s): 林 梢, 宇佐美 清英, 十河 正弥, 山尾 幸広, 下竹 昭寛, 舟木 健史, 人見 健文, 菊池 隆幸, 松橋 眞生, 吉田 和道, 宮本 享, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第50回日本臨床神経生理学会学術集会
• [Presentation] 睡眠によっててんかん原性はどのように変容するのか 広域周波数帯脳波活動の解析による検討 (2019)
  • Author(s): 宇佐美 清英
  • Organizer: 第53回日本てんかん学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 視覚性物品呼称課題時の側頭葉底面と後頭葉の相互作用 硬膜下電極の高周波活動を用いた有向ネットワーク解析 (2019)
  • Author(s): 宇佐美 清英, 松本 理器, Anna Korzeniewska, 下竹 昭寛, 中江 卓郎, 松橋 眞生, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 國枝 武治, 髙橋 良輔, Nathan Crone, Matthew Lambon-Ralph, 池田 昭夫
  • Organizer: 第53回日本てんかん学会学術集会
• [Presentation] Method to identify the onset of ictal HFOs: Differences between short term-Fourier transform (STFT) and temporal spectral evolution (TSE) (2019)
  • Author(s): Shunsuke Kajikawa, Kyoko Kanazawa, Masaya Togo, Kiyohide Usami, Akihiro Shimotake, Takefumi Hitomi, Takeharu Kunieda, Ryosuke Takahashi, Masao Matsuhashi, Akio Ikeda
  • Organizer: 2020 Annual Meeting and Courses | American Clinical Neurophysiology Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 頭皮上脳波のRed slowの視察的検索から定量的検索への移行の試み (2019)
  • Author(s): 髙谷 美和, 松橋 眞生, 音成 秀一郎, 十河 正弥, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 人見 健文, 松本 理器, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第53回日本てんかん学会学術集会
• [Presentation] 長時間ビデオ脳波モニタリング中のスマートフォン使用の注意点-漏電による滑走電流の影響- (2019)
  • Author(s): 尾谷 真弓, 下竹 昭寛, 八木田 薫, 十河 正弥, 本多 正幸, 宇佐美 清英, 人見 健文, 松橋 眞生, 高橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第49回日本臨床神経生理学会学術大会
• [Presentation] 巨大体性感覚誘発電位(giant SEP)のP25成分における高周波振動(HFO)の臨床的意義 (2019)
  • Author(s): 戸島 麻耶, 人見 健文, 大井 和起, 音成 秀一郎, 小林 勝哉, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 松橋 眞生, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第53回日本てんかん学会学術集会
• [Presentation] 良性成人型家族性ミオクローヌスてんかん(BAFME)の病態抽出: 主成分分析による巨大体性感覚誘発電位(giant SEP)の検討 (2019)
  • Author(s): 戸島 麻耶, 松橋 眞生, 人見 健文, 大井 和起, 小林 勝哉, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第49回日本臨床神経生理学会学術大会
• [Presentation] Functional Brain Mapping by ECoG-Recent Development :ECoGによる脳機能マッピング -この1年の動向- (2018)
  • Author(s): 宇佐美 清英
  • Organizer: 第52回日本てんかん学会学術集会 プレコングレスシンポジウム 第1回Advanced ECoG/EEG Analysis in Epilepsy（AEEE）研究会
  • Invited
• [Book] 抗てんかん薬 (2020)
  • Author(s): 武山 博文, 宇佐美 清英, 松本 理器
  • Publisher: 脳科学辞典 (web)