行動の抑制を実現する神経回路動態の解明：fMRI・TMSによる複合的検証

• Project/Area Number: 21K07255
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 51010:Basic brain sciences-related
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: 長田 貴宏 順天堂大学, 医学部, 准教授 (00456104)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 機能的磁気共鳴画像法（fMRI） / 経頭蓋磁気刺激（TMS） / 経頭蓋超音波刺激（TUS） / 反応抑制 / 前頭前野 / 大脳基底核 / 実行機能 / TUS / 経頭蓋超音波刺激 / 皮質下領域 / 経頭蓋磁気刺激法（TMS） / ネットワーク / 機能的領域分割 / fMRI / TMS / 神経回路

Outline of Research at the Start

本研究は、自分自身の行動の抑制を実現する神経回路メカニズムの解明を目的としている。さまざまな脳領域が互いに連関しながら反応抑制を実現しているが、これらの領域の間でどのような神経ネットワークが形成され、またどのような情報処理の流れによって行動の抑制が実現されているかはわかっていない。本研究では、機能的MRI計測とTMS刺激介入実験を行うことにより、ヒトの反応抑制に関わる神経ネットワークを同定し、脳領域がどのようなタイミングで行動の抑制に寄与しているのか、またネットワークにおいて脳領域間でどのように情報処理が流れているのか解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、自分自身の行動の抑制（反応抑制）を実現する神経回路メカニズムの解明を目的としている。ヒトの反応抑制に関わる脳領域を機能的磁気共鳴画像法（functional magnetic resonance imaging [fMRI]）を用いて同定し、その脳領域間の神経回路構造を安静時fMRIや拡散MRIにより推定した。さらに、脳領域の因果性や経路内での情報の流れを検証するために、経頭蓋磁気刺激（transcranial magnetic stimulation [TMS]）や経頭蓋超音波刺激（transcranial ultrasound stimulation [TUS]）での介入により進めてきた。右下前頭皮質（特に後部腹側部）が反応抑制の実行に関与していることは知られているが、その前段階である視覚情報の入力から感覚情報の統合までの経路についてはよくわかっていなかった。そこで、fMRIと拡散MRIを駆使することで、感覚情報の統合を行う部位として島皮質前背側部を同定した。さらにTUSによる介入により、この部位の反応抑制への因果性を示した。また、下前頭皮質内のサブ領域への入力形式を明らかにした。以上の結果をまとめた論文を投稿中である（Osada et al., in revision）。
また、TUSは、大脳皮質のみならず脳深部領域に対しても可逆的に介入できる手法であり、新たな非侵入脳刺激法として広く注目を集めている。その可能性や臨床応用への展望について論じた総説論文を発表した（Osada and Konishi, Psychiatry and Clinical Neurosciences, 2024）。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

fMRIや拡散MRIによるイメージング法での計測、TMSやTUSによる非侵襲的介入を組み合わせ、反応抑制を実現する神経回路メカニズムの全脳レベルでの解明に向けて研究を進めてきている。具体的には、視覚情報の入力から感覚情報の統合を経て、右下前頭皮質での実行処理を行う経路を、fMRIおよび拡散MRIにより明らかにした。一次視覚野での視覚情報は、島皮質前背側部を経て、下前頭皮質後部腹側部に至ることがわかった。また、島皮質前背側部は脳深部に位置していることから、脳深部への非侵入的介入が可能なTUSを適用することで、反応抑制への因果性を明らかにした。これらにより、島皮質前背側部は、感覚情報の統合を行う場として機能していることが示唆された。さらに、島皮質前背側部から下前頭皮質のサブ領域への情報の流れをTMSとTUSを駆使することで明らかにした。以上の結果は、学術論文として投稿中である（Osada et al., in revision）。
また、TUSの持つ非侵襲的脳刺激法としての大きな可能性や臨床応用の展望についての総説論文を発表し（Osada and Konishi, Psychiatry and Clinical Neurosciences, 2024）、TUS研究を大きく進めている。
上記のイメージング手法や非侵襲的介入手法を用いた研究を進めるとともに、MRIを用いてヒト視交叉上核の日内変動による活動の変化についても報告した（Oka et al., Journal of Neuroscience, 2024）。このようにイメージング手法や、TMS・TUSの非侵襲的介入手法のそれぞれの利点をおおいに生かすことで、研究の幅を広げ、全脳レベルでの情報処理回路の解明を進めることができている。

Strategy for Future Research Activity

fMRIおよびTMSやTUSによる非侵襲的介入手法を組み合わせた実験を引き続き行い、大脳皮質領域間の回路だけでなく、大脳皮質－皮質下領域での神経回路も同定し、反応抑制を実現する情報処理過程を明らかにしていく。これらの成果をまとめ、学術雑誌への原著論文の投稿・発表を予定している。また、得られた成果は、プレスリリースやSNSへの投稿などを通じて、積極的に社会に発信していく。

Research Products

• [Journal Article] Noninvasive intervention by transcranial ultrasound stimulation: Modulation of neural circuits and its clinical perspectives (2024)
  • Author(s): Osada T, Konishi S
  • Journal Title: Psychiatry and Clinical Neurosciences Volume: 78 Issue: 5 Pages: 273-281
  • DOI: 10.1111/pcn.13663
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bicarbonate signalling via G protein-coupled receptor regulates ischaemia-reperfusion injury (2024)
  • Author(s): Jo-Watanabe A, Inaba T, Osada T, Hashimoto R, Nishizawa T, Okuno T, Ihara S, Touhara K, Hattori N, Oh-Hora M, Nureki O, Yokomizo T
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 15 Issue: 1 Pages: 1530-1530
  • DOI: 10.1038/s41467-024-45579-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diurnal variation of brain activity in the human suprachiasmatic nucleus (2024)
  • Author(s): Oka Satoshi、Ogawa Akitoshi、Osada Takahiro、Tanaka Masaki、Nakajima Koji、Kamagata Koji、Aoki Shigeki、Oshima Yasushi、Tanaka Sakae、Kirino Eiji、Nakamura Takahiro J.、Konishi Seiki
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 44 Pages: e1730232024-e1730232024
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1730-23.2024
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reduced gray matter volume in the default-mode network associated with insulin resistance (2023)
  • Author(s): Asano S, Ogawa A, Osada T, Oka S, Nakajima K, Oshima Y, Tanaka S, Kaga H, Tamura Y, Watada H, Kawamori R, Konishi S
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: 33 Issue: 23 Pages: 11225-11234
  • DOI: 10.1093/cercor/bhad358
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Role of right temporoparietal junction for counterfactual evaluation of partner’s decision in ultimatum game (2023)
  • Author(s): Ogawa A, Asano S, Osada T, Tanaka M, Tochigi R, Kamagata K, Aoki S, Konishi S
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: 33 Issue: 6 Pages: 2947-2957
  • DOI: 10.1093/cercor/bhac252
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A causal role of anterior prefrontal-putamen circuit for response inhibition revealed by transcranial ultrasound stimulation in humans (2022)
  • Author(s): Nakajima K, Osada T, Ogawa A, Tanaka M, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Konishi S
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 40 Issue: 7 Pages: 111197-111197
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111197
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Distributions of cortical depth of the index finger region in the M1: A representative depth parameter for transcranial ultrasound stimulation (2022)
  • Author(s): Osada T, Nakajima K, Ogawa A, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Konishi S
  • Journal Title: Brain Stimulation Volume: 15 Issue: 6 Pages: 1348-1350
  • DOI: 10.1016/j.brs.2022.09.012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hypothalamic interaction with reward-related regions during subjective evaluation of foods (2022)
  • Author(s): Ogawa A, Osada T, Tanaka M, Suda A, Nakajima K, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Hattori N, Konishi S
  • Journal Title: NeuroImage Volume: 264 Pages: 119744-119744
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2022.119744
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Advantages of Using Both Voxel- and Surface-based Morphometry in Cortical Morphology Analysis: A Review of Various Applications (2022)
  • Author(s): Goto M, Abe O, Hagiwara A, Fujita S, Kamagata K, Hori M, Aoki S, Osada T, Konishi S, Masutani Y, Sakamoto H, Sakano Y, Kyogoku S, Daida H
  • Journal Title: Magnetic Resonance in Medical Sciences Volume: 21 Issue: 1 Pages: 41-57
  • DOI: 10.2463/mrms.rev.2021-0096
  • NAID: 130008166245
  • ISSN: 1347-3182, 1880-2206
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Parallel cognitive processing streams in human prefrontal cortex: Parsing areal-level brain network for response inhibition (2021)
  • Author(s): Osada Takahiro、Ogawa Akitoshi、Suda Akimitsu、Nakajima Koji、Tanaka Masaki、Oka Satoshi、Kamagata Koji、Aoki Shigeki、Oshima Yasushi、Tanaka Sakae、Hattori Nobutaka、Konishi Seiki
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 36 Issue: 12 Pages: 109732-109732
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109732
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Noninvasive neuromodulation with ultrasound: stimulation to the human cerebrocortical and subcortical areas (2024)
  • Author(s): Osada T
  • Organizer: TAITU Annual Academic Conference: International symposium on ultrasound brain stimulation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Noninvasive intervention to the human prefrontal cortex and basal ganglia with ultrasound (2023)
  • Author(s): Osada T, Konishi S
  • Organizer: 第46回 日本神経科学大会
  • Invited
• [Presentation] 経頭蓋超音波刺激による大脳皮質・皮質下領域への非侵襲的介入 (2023)
  • Author(s): 長田 貴宏、小西 清貴
  • Organizer: 第17回 パーキンソン病・運動障害疾患コングレス
  • Invited
• [Presentation] 経頭蓋超音波刺激法の課題と臨床応用の可能性 (2023)
  • Author(s): 小西 清貴、長田 貴宏
  • Organizer: 第119回 日本精神神経学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] Diurnal variation of brain activity in the human suprachiasmatic nucleus (2023)
  • Author(s): Oka S, Ogawa A, Osada T, Tanaka M, Nakajima K, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Kirino E, Nakamura TJ, Konishi S
  • Organizer: Neuroscience 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effective connectivity of hypothalamus to reward-related regions during subjective food evaluation (2023)
  • Author(s): Ogawa A, Osada T, Tanaka M, Suda A, Nakajima K, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Hattori N, Konishi S
  • Organizer: OHBM 2023 Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reduction of gray matter volume correlated with insulin resistance (2023)
  • Author(s): Asano S, Ogawa A, Osada T, Someya Y, Tamura Y, Watada H, Kawamori R, Konishi S. Reduction of gray matter volume correlated with insulin resistance
  • Organizer: OHBM 2023 Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Frontal language area can shift toward surrounding area as the lesion approaches (2023)
  • Author(s): Nakajima R, Ogawa A, Kinoshita M, Osada T, Okita H, Konishi S, Nakada M
  • Organizer: OHBM 2023 Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Perfusion imaging of diurnal variations in activity of the human suprachiasmatic nucleus (2023)
  • Author(s): Oka S, Ogawa A, Osada T, Tanaka M, Nakajima K, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Kirino E, Nakamura TJ, Konishi S
  • Organizer: 第7回 ヒト脳イメージング研究会
• [Presentation] Diurnal variation in the human suprachiasmatic nucleus: An fMRI study (2023)
  • Author(s): Oka S, Ogawa A, Osada T, Tanaka M, Nakajima K, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Kirino E, Nakamura TJ, Konishi S
  • Organizer: 第46回 日本神経科学大会
• [Presentation] 覚醒下マッピング所見と画像解析に基づく側頭言語野ネットワークの機能シフトの特徴 (2023)
  • Author(s): 中嶋 理帆、木下 雅史、長田 貴宏、小川 昭利、沖田 浩一、小西 清貴、中田 光俊
  • Organizer: 第21回 日本Awake Surgery学会
• [Presentation] インスリン抵抗性と灰白質が関連する大脳領野 (2023)
  • Author(s): 浅野早紀、小川昭利、長田貴宏、加賀英義、田村好史、綿田裕孝、河盛隆造、小西清貴
  • Organizer: 第25回 日本ヒト脳機能マッピング学会
• [Presentation] 食物の主観的評価における視床下部と報酬関連領域との相互作用 (2023)
  • Author(s): 小川昭利、長田貴宏、田中政輝、須田晃充、中嶋香児、岡哲史、鎌形康司、青木茂樹、大島寧、田中栄、服部信孝、小西清貴
  • Organizer: 第25回 日本ヒト脳機能マッピング学会
• [Presentation] ヒトにおける超音波による非侵襲的脳刺激 (2023)
  • Author(s): 長田貴宏、小西清貴
  • Organizer: 第25回 日本ヒト脳機能マッピング学会
  • Invited
• [Presentation] Transcranial ultrasound stimulation revealed a causal role of anterior prefrontal-putamen circuit for response inhibition in humans (2023)
  • Author(s): Nakajima K, Osada T, Ogawa A, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Konishi S
  • Organizer: 第100回 日本生理学会大会
• [Presentation] Cortical depth of the first dorsal interosseous region in the human primary motor cortex revealed by fMRI and TMS (2023)
  • Author(s): Osada T, Nakajima K, Ogawa A, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Konishi S
  • Organizer: 第100回 日本生理学会大会
• [Presentation] Cortical and subcortical circuits for response inhibition (2023)
  • Author(s): Osada T
  • Organizer: 8th CiNet Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Neural correlates for other's equity concern modulating response to distribution in ultimatum game (2022)
  • Author(s): Asano S, Ogawa A, Tochigi R, Tanaka M, Osada T, Kamagata K, Aoki S, Konishi S
  • Organizer: OHBM 2022 Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Offline effects of transcranial ultrasound stimulation on cortical/subcortical areas in humans (2022)
  • Author(s): Osada T, Nakajima K, Ogawa A, Tanaka M, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Y Oshima, Tanaka S, Konishi S
  • Organizer: FUN22 (3rd Focused Ultrasound Neuromodulation Conference)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sustained suppression of brain activity induced by transcranial ultrasound stimulation in humans (2022)
  • Author(s): Nakajima K, Osada T, Ogawa A, Tanaka M, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Y Oshima, Tanaka S, Konishi S
  • Organizer: Neuroscience 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヒト大脳皮質および大脳基底核への低出力超音波刺激の実践例 (2022)
  • Author(s): 小西清貴、長田貴宏
  • Organizer: 第63回 日本神経学会学術大会
  • Invited
• [Presentation] 分配に対する反応における他者の公平への配慮に関する神経相関 (2022)
  • Author(s): 浅野早紀、小川昭利、栃木麗亜、田中政輝、長田貴宏、鎌形康司、青木茂樹、小西清貴
  • Organizer: NEURO2022
• [Presentation] Activity suppression of the motor cortex induced by transcranial ultrasound stimulation in humans (2022)
  • Author(s): Osada T, Nakajima K, Ogawa A, Tanaka M, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Konishi S
  • Organizer: 第6回 ヒト脳イメージング研究会
• [Presentation] Ultrasound stimulation revealed human anterior prefrontal-putamen circuit for response inhibition (2022)
  • Author(s): Nakajima K, Osada T, Ogawa A, Tanaka M, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Konishi S
  • Organizer: 第6回 ヒト脳イメージング研究会
• [Presentation] Counterfactual evaluation of partner’s decision in ultimatum game recruits right TPJ (2022)
  • Author(s): Ogawa A, Asano S, Osada T, Tanaka M, Tochigi R, Kamagata K, Aoki S, Konishi S
  • Organizer: 第6回 ヒト脳イメージング研究会
• [Presentation] ヒトでのTUSの安全性と応用 (2022)
  • Author(s): 長田貴宏、小西清貴
  • Organizer: 第52回 日本臨床神経生理学会学術大会
  • Invited
• [Presentation] Multiple cortical processing streams support response inhibition in humans (2022)
  • Author(s): Osada T, Ogawa A, Suda A, Nakajima K, Tanaka M, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Oshima Y, Tanaka S, Hattori N, Konishi S
  • Organizer: 第99回 日本生理学会大会
• [Presentation] Localization of hypothalamic nuclei using resting-state functional connectivity in standard voxels (2021)
  • Author(s): Ogawa A, Osada T, Tanaka M, Kamagata K, Aoki S, Konishi S
  • Organizer: OHBM 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Brain networks of the human mammillary body revealed by functional and diffusion MRI (2021)
  • Author(s): Tanaka M, Osada T, Ogawa A, Han S, Kamagata K, Aoki S, Konishi S
  • Organizer: 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society & 1st CJK International Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identifying likely locations of hypothalamic nuclei based on resting-state functional connectivity in standard voxel resolution (2021)
  • Author(s): Ogawa A, Osada T, Tanaka M, Kamagata K, Aoki S, Konishi S
  • Organizer: 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society & 1st CJK International Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two processing streams in response inhibition revealed by fMRI and time-resolved TMS (2021)
  • Author(s): Osada T, Ogawa A, Suda A, Nakajima K, Tanaka M, Oka S, Kamagata K, Aoki S, Y Oshima, Tanaka S, Hattori, N, Konishi S
  • Organizer: Neuroscience 2021
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 行動の抑制を生み出す新たな神経回路の発見
  • URL: https://www.juntendo.ac.jp/news/00630.html
• [Remarks] 不適切な行動の抑制に関わる脳の情報処理の回路を発見
  • URL: https://www.juntendo.ac.jp/news/20210922-01.html