Development of a hybrid brain cooling system to simultaneously cools the deep brain and widespread cortical surfaces

Research Project

Project/Area Number	20K09349
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 56010:Neurosurgery-related
Research Institution	Yamaguchi University
Principal Investigator	Inoue Takao 山口大学, 大学研究推進機構, 准教授 (80513225)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	常盤達司広島市立大学, 情報科学研究科, 准教授 (00636219)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000) Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000) Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	局所脳冷却 / 脳梗塞 / 熱伝導シート / ネコ / 脳低温療法 / 脳卒中 / ニューロモデュレーション
Outline of Research at the Start	「脳組織の一領域を均一温度で一塊に制御する方法はあるか？」この学術的問いに対して、本課題では脳表冷却デバイスに「熱伝導シート」と「冷却ニードル」を融合した「ハイブリッド脳冷却デバイス」を提案する。焦点性てんかんのような局所性の疾患部位の冷却のみならず重症脳梗塞や頭部外傷のような深在性かつ広範な脳疾患部位の冷却を実現すべく、ネコ重症脳疾患モデルを用いて冷却性能・治療効果を評価する。
Outline of Final Research Achievements	Focal brain cooling face challenges in cooling wide brain tissue regions, particularly in severe cerebral infarction or head injury cases. Hence, we developed a hybrid brain cooling device that combines a thermal conductive sheet and a cooling needle array. To achieve optimal cooling performance, we selected suitable materials and thickness for the thermal conductive sheet, optimized the sheet and cooling device's arrangement, and determined the needle-type device's structure. Our results demonstrated that the thermal conductive sheet expanded the cooling area and effectively reduced cerebral infarct size in a feline cerebral ischemia model. Furthermore, we successfully utilized metal rods for heat conduction in the needle-type device. Ultimately, we created an integrated device combining the thermal conductive sheet and needle-type device. With further research and development of hybrid brain cooling devices, it has great potential as an effective treatment for severe brain diseases.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究は脳温制御の研究に焦点を絞り研究を進めてきたが、最終的に本デバイスはセンサと組み合わせることで、脳活動を同時計測できるニューロモデュレーションデバイスとすることができる。脳活動計測に基づく脳温制御を実現することで、脳神経外科疾患に対する治療効果の改善はもとより、基礎研究における神経機構の調節技術の向上を期待できる。近年、侵襲式デバイスは世界的にも関心を集めるテーマとなっている。侵襲式の脳活動計測制御デバイスの開発を推進することで、脳疾患治療の先にあるトランスヒューマニズムとも呼ばれる人類の機能を拡張する分野にも関与できる可能性がある。