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Neural substrates of separate hand movements using brain state-dependent stimulation

Research Project

Project/Area Number 21K11174
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 59010:Rehabilitation science-related
Research InstitutionInternational University of Health and Welfare

Principal Investigator

緒方 勝也  国際医療福祉大学, 福岡薬学部, 教授 (50380613)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 桐本 光  広島大学, 医系科学研究科(保), 教授 (40406260)
中薗 寿人  福岡国際医療福祉大学, 医療学部, 准教授 (70814771)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords運動誘発電位 / 経頭蓋磁気刺激 / 一次運動野 / 脊髄前角細胞 / F波 / 巧緻性 / 筋電図 / 多チャンネル / 脳波 / ニューロリハビリテーション / ニューロフィードバック / 脳状態依存刺激
Outline of Research at the Start

本研究計画ではこれまで明らかにしてきた運動誘発電位(MEP)の時間的揺らぎに対して、MEPの標的筋と周囲筋の応答の差異(空間的揺らぎ)に着目する。MEPを多チャンネル(ch)で同時記録し、MEPの空間的揺らぎと脳波の関連(脳波-多chMEP連関)のシステムを構築、分離運動時の脳波律動を解析する。続いて脳波律動に合わせ磁気刺激を行う脳状態依存刺激で分離運動の誘発を行い、脳波-多ch MEP連関を検証する。これらの研究を基に、脳波律動を被験者に視覚提示するニューロフィードバックに応用する。
一連の研究を通じて手指分離運動の神経基盤の理解を深め、新たなニューロリハビリテーション方法の開発を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

手内筋群の運動の調節は手指分離・共同運動の基礎となり、精密な制御が背景にあるが、その詳細な神経基盤は未解明の部分が残されている。本研究計画ではF波、運動誘発電位(MEP)を手内筋群で記録し、その安静時での観察される変動から脊髄、一次運動野で生じている手内筋群の興奮性調節の神経基盤を明らかにすることを目的とする。
第一段階として右手短母指外転筋(APB)、第一背側骨間筋(FDI)、小指外転筋(ADM)より表面筋電図を計測し、正中神経、尺骨神経の単独刺激あるいは同時刺激によりF波を記録した。その中でADMに比しFDIで同時刺激による振幅促通が生じ、母指-示指間の方で母指-小指間よりも相互作用が強いことが示唆された。つまみ動作など母指-示指間での分離・共同運動を生じる場面は日常生活でも多く、その機能を反映している可能性が示唆された。
続いてF波とMEPの手内筋群での相互作用を評価した。健常被験者を対象に手内筋3箇所から筋電図を記録し、正中・尺骨神経刺激によるF波を記録した。またF波の刺激に先行し一次運動野(M1)に経頭蓋磁気刺激(TMS)を与え、その影響を評価した。F波は末梢神経単独刺激に比し正中尺骨神経同時刺激で振幅の増大を認めたが、M1の先行刺激により更に振幅が促通した。このことからAPB-FDIで観察された相互作用を生じる神経回路は錐体路と異なる配置であり錐体路の興奮で影響されることが示された。また手内筋群のF波は筋間で相関が乏しく脊髄内での手内筋群間の相互作用が健常者安静状態では非常に乏しいことが示された。一方MEPは筋間で弱~中等度の相関係数を認め、M1内で手指の協調運動、分離運動が調節されている状況に対応する知見が得られたと考えている。これらの結果を基に3箇所のMEP、F波振幅を規定する数理モデルを共分散構造分析を用いてモデル化を進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度は右手内筋3箇所より安静条件で記録し、正中神経、尺骨神経より刺激を行った。結果として、正中神経、尺骨神経単独刺激条件のF波に比し、同時刺激での短母指外転筋、第一背側骨間筋の振幅は増大したが、小指外転筋は増大を示さなかった。短母指外転筋、第一背側骨間筋の相互の促通はISI 10 msの間隔を開けると効果が減弱するものの促通傾向が観察され、母指-示指間の促通性相互作用が存在し、相互作用の時間窓があることが示された。一方母指-小指間ではそのような相互作用がなく、母指-示指は手指の中でもつまみ動作など非常に緊密に動作するため母指-小指間にない機能連関が存在することが示唆された。
脊髄とM1の相互作用についてはF波は末梢神経単独刺激に比し同時刺激で振幅の増大を認めたが、M1の先行刺激により更に振幅が促通した。すなわち脊髄内の手内筋群の相互作用と錐体路の影響は異なる神経基盤を有することが示唆され今後につながる知見を得ることができた。
またMEP振幅は筋群間で弱いながら相関が観察された一方でF波では無相関に近い相関係数であった。これは手内筋群の協同運動の調節は主にM1内で処理され、脊髄内では手内筋の相互作用は小さい状況が推察された。この結果を受けてMEP振幅とF波振幅を用いて共分散構造分析による神経基盤のモデル化を試みている。解析途中ではあるが、潜在変数としてMEPの振幅を規定するM1、MEP振幅を受けてF波の振幅を規定する脊髄の変数がモデルとして成立する結果が得られ、解剖学的な関係がMEP、F波振幅の決定に関わっていることがモデル上も示唆された。現在モデルの精度がより高まるよう調整を継続している。これらの研究を通じてM1から脊髄がMEP、F波の応答を規定する神経基盤をモデル化し、今後手指巧緻性を規定する特徴量が明らかになる基礎データを得つつある。

Strategy for Future Research Activity

次年度は今年度得られた手内筋群のM1、脊髄興奮性の調整を脳波の同時記録と解析を通じて進めて行く。頭皮上32箇所に電極を配置し、経頭蓋200試行記録する。TMSのみで得られるMEP、F波のみで得られるF波、またTMSを先行させMEPとF波を計測する条件を設定する。脳波解析はTMSの時刻を基準に1秒間刺激前区間を切り出し、刺激直前の脳状態を評価対象とする。解析法は周波数分析を主に用い、Θ~γ帯域まで各帯域を対象としてパワー値や位相を指標として取り出す。また電極間の結合度も解析対象として検討する。解析は、MEP、F波の手内筋群の振幅、手内筋群間の相関と脳波周期活動の関連について重回帰分析を中心として進めて行く。我々は先行研究にてα~β帯域が左M1周辺でパワー値が高い際にMEP振幅が高くなる結果を報告した。本研究で同様の結果が生じるのか仮説と異なる結果が得られるのか評価し考察を加える。
続いて上記研究を基に脳波で評価される大脳皮質の状態をリアルタイムで評価し、適切なタイミングでM1を刺激すること(脳状態依存刺激)で手内筋群の振幅の増減を制御できるか試みる。また前半の研究にて手内筋群の共同運動、分離運動が生じやすい脳状態を明らかにできれば、その脳状態依存刺激で手内筋群の共同運動、分離運動の誘発を試みる。計測する脳波32ch、筋電図は前段階と同様とする。脳波記録は外部コンピュータにリアルタイムで出力し、外部コンピュータ内で高速に周波数分析を通じて各周波数帯域のパワー値、位相など算出し、設定した条件を満たした場合に直ちにTMS刺激を送ることができる。本実験系では1人につき100~200回の刺激と計測を行い、手内筋群の振幅の増大や共同運動、分離運動を生じるための刺激条件を調整、見出していく。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 6 results) Presentation (5 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Effects of spatially filtered fearful faces and awareness on amygdala activity in adults with autism spectrum disorder: A magnetoencephalography study2023

    • Author(s)
      Maekawa Toshihiko、Kuroki Toshihide、Tanaka Mutsuhide、Ogata Katsuya、Yamasaki Takao、Matsubara Teppei、Tobimatsu Shozo
    • Journal Title

      Neuroscience Letters

      Volume: 800 Pages: 137135-137135

    • DOI

      10.1016/j.neulet.2023.137135

    • Related Report
      2023 Research-status Report 2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Asynchronous neural oscillations associated with subliminal affective face priming in autism spectrum disorder2023

    • Author(s)
      Tanaka Mutsuhide、Yamada Emi、Yamasaki Takao、Fujita Takako、Nakaniwa Yoichi、Ogata Katsuya、Nakazono Hisato、Maekawa Toshihiko、Tobimatsu Shozo
    • Journal Title

      NeuroReport

      Volume: 34 Issue: 3 Pages: 150-155

    • DOI

      10.1097/wnr.0000000000001871

    • Related Report
      2023 Research-status Report 2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Large-scale cortico-cerebellar computations for horizontal and vertical vergence in humans2022

    • Author(s)
      Mitsudo Hiroyuki、Hironaga Naruhito、Ogata Katsuya、Tobimatsu Shozo
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-022-15780-9

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Phase-dependent modulation of the vestibular?cerebellar network via combined alternating current stimulation influences human locomotion and posture2022

    • Author(s)
      Nakazono Hisato、Taniguchi Takanori、Mitsutake Tsubasa、Takeda Akinori、Yamada Emi、Ogata Katsuya
    • Journal Title

      Frontiers in Neuroscience

      Volume: 16 Pages: 1057021-1057021

    • DOI

      10.3389/fnins.2022.1057021

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Unilateral cathodal transcranial direct current stimulation over the parietal area modulates postural control depending with eyes open and closed2022

    • Author(s)
      Oka Shinichiro、Ikeda Takuro、Mitsutake Tsubasa、Ogata Katsuya、Goto Yoshinobu
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 17 Issue: 9 Pages: e0269145-e0269145

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0269145

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The effect of interictal epileptic discharges and following spindles on motor sequence learning in epilepsy patients2022

    • Author(s)
      Okadome Toshiki、Yamaguchi Takahiro、Mukaino Takahiko、Sakata Ayumi、Ogata Katsuya、Shigeto Hiroshi、Isobe Noriko、Uehara Taira
    • Journal Title

      Frontiers in Neurology

      Volume: 13 Pages: 979333-979333

    • DOI

      10.3389/fneur.2022.979333

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] After-Effects of Intermittent Theta-Burst Stimulation Are Differentially and Phase-Dependently Suppressed by α- and β-Frequency Transcranial Alternating Current Stimulation2021

    • Author(s)
      Ogata K, Nakazono H, Ikeda T, Oka S, Goto Y, Tobimatsu S.
    • Journal Title

      Frontiers in human neuroscience

      Volume: 15 Pages: 750329-750329

    • DOI

      10.3389/fnhum.2021.750329

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 正中神経と尺骨神経同時刺激による手内筋F波はTMSで促通する2023

    • Author(s)
      緒方勝也、松野豊、平田大勝、池田拓郎、後藤純信
    • Organizer
      第63回日本臨床神経生理学会学術大会
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  • [Presentation] Sensorimotor integration and its modulation by non-invasive neuromodulation2023

    • Author(s)
      Katsuya Ogata
    • Organizer
      第63回日本臨床神経生理学会学術大会
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  • [Presentation] 正中神経と尺骨神経同時刺激による手内筋F波の相互作用2022

    • Author(s)
      緒方 勝也, 松野 豊, 平田 大勝, 池田 拓郎, 後藤 純信
    • Organizer
      第52回日本臨床神経生理学会学術大会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 経頭蓋交流電流刺激(tACSの効果):経頭蓋磁気刺激による評価と相互作用2022

    • Author(s)
      緒方勝也
    • Organizer
      第27回 日本基礎理学療法学会
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      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 側頭部 rTMS 中の脳波周波数分析 : 左右半球差の検討2021

    • Author(s)
      緒方 勝也、池田 拓郎、岡 真一郎、後藤 純信
    • Organizer
      第51回日本臨床神経生理学会学術大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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