Electrophysiological and behavioral studies of ALS masticatory disorders using Artificial Intelligence

• Project/Area Number: 19K24117
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0907:Oral science and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Seki Soju 大阪大学, 歯学部附属病院, 医員 (60755081)
• Project Period (FY): 2019-08-30 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: ALS / AI / 咀嚼障害 / 一次感覚神経 / 電気生理 / ALSモデルマウス / パッチクランプ / ディープラーニング / 筋萎縮性側索硬化症 / 人工知能 / バイオマーカー / 三叉神経中脳路核 / 三叉神経 / SOD1G93A / NPY / ナトリウム電流

Outline of Research at the Start

筋委縮性側索硬化症 (ALS) は運動神経の変性を伴った重篤な筋力低下を伴う難病であり、病気の進行に伴い、咀嚼・嚥下障害がみられ、経口摂取困難となり死に至る。
現在まで一次感覚神経の異常について報告はなかったが、先行研究でALSモデルマウスにおいて、咀嚼を制御する一次感覚神経の発火異常を発見し、この異常はNa電流の減少が原因であることを明らかにした。本研究ではALS モデルマウスを用いて、咀嚼に関わる一次感覚ニューロンをNa電流促進剤で治療することで、ALSの咀嚼障害が治療可能であるのか、電気生理学的な検討と人工知能を用いた咀嚼行動の検討を行い、ALSの咀嚼障害の治療に有益な手法の考案を行う。

Outline of Final Research Achievements

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an intractable disease with severe muscle weakness accompanied by degeneration of motor nerves. As the disease progresses, masticatory disorders and difficulty of oral intake are observed, leading to death.
In this study, we developed an artificial intelligence (AI) model that automatically detects masticatory disorders in ALS model mice using videos of feeding behavior in these mice. We found that the masticatory cycle of ALS model mice was significantly prolonged after 12 weeks of age compared to wild-type mice by using this AI model. Currently, we try to detect the treatment for masticatory disorders of ALS by focusing on the firing abnormality of primary sensory nerves in ALS model mice with masticatory disorders.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究はALSの咀嚼障害の治療に限らず、咀嚼障害鑑別AIを用いたALS患者のスクリーニング検査という点においても、臨床応用が早期に可能になる可能性を持っている。ALSの咀嚼障害メカニズムが解明、予防治療法が発見されれば、ALS患者の栄養を改善し生存期間を延長するのみならず、ALSの骨格筋の運動障害にも応用できる可能性があるため、ALSの治療戦略として、咀嚼障害の解明は大変重要である。これまで困難を極めたALSの治療に電気生理学とAIを癒合させることで新たな一歩を踏み出せると確信する。

Research Products

• [Journal Article] Dentigerous cyst excision using shading films in a patient with erythropoietic protoporphyria (2022)
  • Author(s): Soju Seki, Akira Nozoe, Takuya Shimooka, Kazuaki Miyagawa, Takayuki Hara, Kazuma Harada, Emiko Tanaka Isomura, Susumu Tanaka
  • Journal Title: Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, Medicine, and Pathology Volume: - Issue: 4 Pages: 417-422
  • DOI: 10.1016/j.ajoms.2021.12.007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A case of localized nodular amyloidosis in the sublingual gland and submucosa of the mouth floor (2021)
  • Author(s): 原 崇之, 石濱 孝二, 外川 健司, 関 壮樹, 田中 徳昭, 古郷 幹彦
  • Journal Title: Japanese Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Volume: 67 Issue: 11 Pages: 620-625
  • DOI: 10.5794/jjoms.67.620
  • NAID: 130008143211
  • ISSN: 0021-5163, 2186-1579
  • Year and Date: 2021-11-20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Membrane excitabilities in neonatal rat mesencephalic trigeminal neurons under dietary zinc deficiency (2021)
  • Author(s): Saori Yamada , Susumu Tanaka , Soju Seki , Mikihiko Kogo
  • Journal Title: Journal of Oral Science Volume: 63 Issue: 3 Pages: 242-246
  • DOI: 10.2334/josnusd.20-0566
  • NAID: 130008058469
  • ISSN: 1343-4934, 1880-4926
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A case of sclerosing odontogenic carcinoma (2021)
  • Author(s): Soju Seki, Susumu Tanaka, Takayuki Hara, Nao Nishimura, Kaori Oya, Toshihiro Uchihashi, Shinichiro Hiraoka, Munehiro Hamaguchi, Mikihiko Kogo
  • Journal Title: Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, Medicine, and Pathology Volume: 33 Issue: 6 Pages: 592-598
  • DOI: 10.1016/j.ajoms.2021.03.008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Persistent sodium conductance contributes to orexin-A-mediated modulation of membrane excitability in neonatal rat mesencephalic V neurons (2021)
  • Author(s): Susumu Tanaka, Soju Seki, Yudai Ono, Akifumi Enomoto, Mikihiko Kogo
  • Journal Title: Neuroscience Letters Volume: 753 Pages: 753-753
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2021.135846
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multiple canalicular adenomas arising in the buccal mucosa and upper lip: Case report and literature review (2020)
  • Author(s): Kazuma Harada, Susumu Tanaka, Kaori Oya, Toshihiro Uchihashi, Yusuke Yokota, Soju Seki, Yohei Fujishita, Mikihiko Kogo
  • Journal Title: Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, Medicine, and Pathology Volume: 32 Issue: 6 Pages: 525-528
  • DOI: 10.1016/j.ajoms.2020.07.016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Orexins modulate membrane excitability in rat trigeminal motoneurons (2020)
  • Author(s): Tanaka Susumu、Higuchi Masataka、Seki Soju、Enomoto Akifumi、Kogo Mikihiko
  • Journal Title: Journal of Oral Science Volume: 62 Issue: 3 Pages: 265-270
  • DOI: 10.2334/josnusd.19-0141
  • NAID: 130007863790
  • ISSN: 1343-4934, 1880-4926
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neuropeptide Y modulates membrane excitability in neonatal rat mesencephalic V neurons (2020)
  • Author(s): Seki Soju、Tanaka Susumu、Yamada Saori、Tsuji Tadataka、Enomoto Akifumi、Ono Yudai、Chandler Scott H.、Kogo Mikihiko
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Research Volume: 98 Issue: 5 Pages: 921-935
  • DOI: 10.1002/jnr.24583
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Circuit-Specific Early Impairment of Proprioceptive Sensory Neurons in the SOD1G93A Mouse Model for ALS (2019)
  • Author(s): Seki Soju、Yamamoto Toru、Quinn Kiara、Spigelman Igor、Pantazis Antonios、Olcese Riccardo、Wiedau-Pazos Martina、Chandler Scott H.、Venugopal Sharmila
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 39 Issue: 44 Pages: 8798-8815
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1214-19.2019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 摂食関連神経ペプチドによる三叉神経中脳路核ニューロン周波数応答特性の神経修飾作用 (2022)
  • Author(s): 関 壮樹, 田中 晋, 山田早織, 石井庄一郎, 古郷幹彦
  • Organizer: 第25回 口腔顔面神経機能学会総会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Early impairment of Mes V neuron comparing other types of sensory neurons in ALS model mouse (2022)
  • Author(s): Soju Seki
  • Organizer: Oral Science 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 骨格性Ⅱ級顎矯正手術後の後戻りと下顎頭体積変化の関係 (2021)
  • Author(s): 関 壮樹, 宮川 和晃, 藤原 采香, 宮本 浩樹, 島岡 祐加子, 有川 千尋, 原田 計眞, 相川 友直
  • Organizer: 第66回 日本口腔外科学会総会・学術大会
• [Presentation] 摂食関連神経ペプチドによる三叉神経中脳路核ニューロン周波数応答特性の神経修飾作用 (2021)
  • Author(s): 関 壮樹, 田中 晋, 山田 早織, 石井 庄一郎, 古郷 幹彦
  • Organizer: 口腔顔面神経機能学会2021
• [Presentation] 硬化性歯原性癌の1例 (2020)
  • Author(s): 関 壮樹, 西村, 奈穂, 平岡, 慎一郎, 田中 晋, 福田, 康夫, 笹平, 智則, 竹田, 雅司, 古郷, 幹彦, 濱口 裕弘
  • Organizer: 日本口腔外科学会2020
• [Presentation] モデルマウスを用いたALS咀嚼障害の解明 (2020)
  • Author(s): 北岡 好大, 関 壮樹, 平岡 慎一郎, 田中 晋, 古郷 幹彦
  • Organizer: 日本口腔外科学会2020
• [Presentation] 遮光板を用いて含歯性嚢胞の摘出を行った骨髄性プロトポルフィリン症の1例 (2020)
  • Author(s): 野添 彬, 関 壮樹, 下岡 拓也, 小田 紗矢香, 原 崇之, 北川 太二, 田中 晋, 磯村 恵美子, 古郷幹彦
  • Organizer: 日本口腔外科学会2020
• [Presentation] 摂食促進ペプチドNeuropeptide Yによる三叉神経中脳路核ニューロンのバースト活動促進に関わる発生機序の検討 (2020)
  • Author(s): 関 壮樹
  • Organizer: 日本口腔科学会2020
• [Presentation] 下顎正中骨延長術の治療バリエーション (2020)
  • Author(s): 原田 計眞, 相川 友直, 新宅 優子, 村田 有香, 中津川 昂平, 黒坂 寛, 山本 沙優里, 関 壮樹, 山田 早織, 山城 隆, 古郷 幹彦
  • Organizer: 日本顎変形症学会雑誌2020
• [Presentation] 顎関節形成術におけるマイテックアンカースクリューの応用 (2020)
  • Author(s): 相川 友直, 新宅 優子, 原田 計眞, 関 壮樹, 山田 早織, 藤下 陽平, 石原 康貴, 古郷 幹彦
  • Organizer: 日本顎変形症学会雑誌2020
• [Presentation] 骨格性II級顎矯正手術の術後安定性の検討 (2020)
  • Author(s): 関 壮樹, 新宅 優子, 相川 友直, 原田 計眞, 山田 早織, 古郷 幹彦
  • Organizer: 日本顎変形症学会雑誌2020
• [Presentation] 摂食促進ペプチドNeuropeptide Yによる三叉神経中脳路核ニューロンのバースト活動促進に関わる発生機序の検討 (2020)
  • Author(s): 関 壮樹 田中 晋 山田 早織 古郷 幹彦
  • Organizer: 第74回 口腔科学会 学術大会
• [Presentation] ALS 咀嚼障害における 一次感覚ニューロンの解明と治療戦略 (2019)
  • Author(s): 関 壮樹 田中 晋 山田 早織 Scott Chandler Sharmila Venugopal 古郷 幹彦
  • Organizer: 第64回 口腔外科学会総会・学術大会