| Project/Area Number |
22K18417
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 61:Human informatics and related fields
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
眞溪 歩 広島大学, 脳・こころ・感性科学研究センター, 教授 (50273842)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000)
Fiscal Year 2024: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
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| Keywords | 神経結合 / シナプス結合 / 体積電流結合 / 経頭蓋細胞外インピーダンス制御 / 経皮的細胞外インピーダンス制御 |
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| Outline of Research at the Start |
脳機能は，神経細胞が電気信号をやりとりすることにより実装されているとされる．シナプスはこのための器官であり，シナプスを介した神経細胞間の結びつきをシナプス結合と呼ぶ．一方，頭表で測ることのできる脳波の実体は，神経細胞から漏れ出し頭内を3次元的に流れる体積電流である．本研究では，シナプス結合とは別に神経細胞間が体積電流を介して結びつく体積電流結合の存在を証明し，その機能を調べることを目的としている．このため，頭部を電気的に接続した二人に(二人間にシナプス結合なし)，意味のある情報を通信させる実験を行なう．本研究は，体積電流制御による，将来的な人間拡張・電気治療への挑戦的な研究である．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，ヒトの脳機能は「神経結合=シナプス結合+体積電流結合」によって実装されるという仮説を実験的に証明し，その機能的役割を解明することである．ここで，体積電流結合とは，シナプスを介さない神経間直接の電気的結合を指す．このような電気的結合は，数10μm間隔の1対1神経細胞間においてephaptic couplingとして，その存在は認められている(ephaptic=touch)．一方，神経細胞は数万個(誘発活動)から数100万個(自発活動)で時間的・ベクトル空間的に同期し活動するため，多対多の神経細胞間(≒脳領野間)の場合の電気的結合距離は2乗反比例則から数mmから数10mmに延伸されると予測される．本研究では，この脳領野間の電気的結合を体積電流結合と呼んでいる．
本年度は，体積電流結合に電気的に介入するエレクトロニクスデバイスを開発した．このデバイスを体表に取り付け，感情画像を刺激とする感情評定課題に適用した．実験の背景には，感情の生成に内受容感覚(内臓等，身体内に関する感覚)が関与しているとする仮説と，内受容情報を伝達する迷走神経が細くかつかなり脱髄していることからシナプス結合が弱いことが存在する．進捗状況で後述するように，実験結果は体積電流結合の存在に対しポジティブであり(論文執筆中)，開発した電気介入デバイスは，感情評定に影響を与える装置として特許出願した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「神経結合=シナプス結合+体積電流結合」の証明では，シナプス結合の存在は既知なので，体積電流結合が脳機能を分担していることを証明する必要がある．体積電流結合に電気的に介入するためには，この結合に介在する媒体としての電気的生体インピーダンス分布を変化させればよい．このために，頭表あるいは体表に人工的インピーダンスを取り付け，電気媒体としての生体を生体外部に拡張した．実際には負性インピーダンスを用い，インピーダンス分布の変化を増大させている．この手法の開発では，頭表に取り付ける装置は経頭蓋細胞外インピーダンス制御(tEIC)として過去に作製したが．今回，体表に対する経皮的細胞外インピーダンス制御(pEIC)として改造した．頭表と体表は電気媒体としても，そのすぐ内側の頭内・体内電気媒体の構造も大きく異なるため，本改造ではインピーダンスマッチングを行なった．すなわち，体内体積電流をシームレスに体外デバイスに取り出す改造であった．このpEICとともに感情評定課題を行ない，課題の正解率に対しpEICの有無と課題の条件間の交互作用を見出した(論文執筆中)．なお，pEICは，感情生成に影響を与える装置として国内で特許出願した．その後，この実験による経験から，体動等に対するデバイス動作の安定性確保のために，回路シミュレーションを用いpEICを4端子インピーダンス素子化する設計を行なった．作製は外注したが，シミュレーションでは起こらなかった問題が生じ，納品は年度を越えてしまった．以上，論文化の遅延や装置作製で難航しているが，本研究が挑戦的研究(開拓)である以上，これらは想定内と考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の感情評定の実験において，仮にpEICは心電に作用したと考える．数Hzまでの心電図は，心臓の電気的活動の観測であって，おそらく一般的には心臓の筋電図という捉え方はされていない．一方，手足に対する数Hz以上の筋電図は，軸索から漏れ出る高周波スパイクであり，おそらく一般的に，数Hz以下の成分は体動によるアーチファクトと考えられている．これに照らせば，心筋も動いている筋肉なので，数Hzまでの心電図はアーチファクトということになってしまう．一方，脳は，送信側でシータ波・アルファ波のような低周波電気信号をガンマ波のような高周波スパイク列に変調して伝送し，受信側でまた復調し低周波電気信号を得ている．こちらに照らせば，数Hz以下の心電も含む筋電はアーチファクトとは言えない．そうであれば，筋活動においても体積電流結合は存在し得る．前述の体動耐性を有するpEICを用いて，手足の複数筋の連携活動における体積電流結合の働きを調べる．
「神経結合=シナプス結合+体積電流結合」の証明への基本かつ最終的な戦略は，二人の被験者の頭部を電気的に接続し，それ以外は隔離した状態で，二人に独立した行動課題を与え，二人が個別に持つ情報を電気的に通信しなければ起こらない現象を見つけることである．当然，二人の間に，体積電流結合は生じても，シナプス結合は存在し得ない．この被験者接続の予備実験は視覚課題ですでに行なっており，有意味情報の通信は統計的有意に至っていたが効果量が小さかった．このままの実験で被験者数を増やす方策もあるが，前述のような体積電流結合の性質を調べた上で，被験者に与える課題や体表(≠頭表)接続も含む実験自体の改良も検討する．
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
