DfMRIに基づく匂い応答の脳活性化パターン解析：嗅覚障害の改善に向けて

• Project/Area Number: 22K19938
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 寺沢 宏明 熊本大学, 大学院生命科学研究部(薬), 教授 (10300956)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉永 壮佐 熊本大学, 大学院生命科学研究部(薬), 講師 (00448515) ; 武田 光広 熊本大学, 大学院生命科学研究部(薬), 助教 (90508558) ; 釣木澤 朋和 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 主任研究員 (10716210)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: DfMRI / 嗅覚 / 脳・神経 / 拡散 / 機能的MRI / 匂い / 独立成分解析

Outline of Research at the Start

匂い物質は、固有の脳神経回路を活性化し、行動・情動・生理変化を誘導する。どの匂い物質が、どの脳領域を活性化するかというパターンを明らかにできれば、匂いー脳活性化パターンー行動・情動・生理変化の三者の対応付けが可能となる。三者の対応付けが達成されれば、脳活性化パターンに基づいて、行動・情動・生理変化が予測できる。本研究において、熊本大学のICAを用いた嗅覚fMRI解析技術と、産総研のDfMRI技術を組み合わせて、神経活性化を高感度かつ正確に捉えるDfMRI-ICA法を開発する。本技術は、患者の嗅覚機能の診断や療養に応用できる可能性がある。

Outline of Annual Research Achievements

匂い物質は、固有の脳神経回路を活性化し、行動・情動・生理変化を誘導する。どの匂い物質が、どの脳領域を活性化するかというパターンを明らかにできれば、匂いー脳活性化パターンー行動・情動・生理変化の三者の対応付けが可能となる。対応付けにおいては、どの脳領域が活性化されるのかを、高い空間分解能に基づいて、正確に同定する必要がある。生体において脳の活性化領域を調べる最も有効な手法に、機能的ＭＲＩ（fMRI）がある。一般的なBOLD法では、神経発火にともなって生じる、毛細血管網における血流増大による磁場変化を捉える。しかし、神経発火以外に麻酔や飲酒等による血管の拡張・収縮の要因がある場合、ＭＲ信号が神経発火と相関せず、活性化部位の同定が困難になる。
一方、近年、研究分担者らは、活性化にともなう神経細胞の膨潤を、水の拡散のしやすさに基づいて捉える DfMRI（Diffusion fMRI）法を開発した。神経細胞そのものを観測するため、BOLD 法で懸念される神経発火以外の要因にとらわれず、活性化部位を正確に同定できる。また、ＭＲ信号応答が速く、定常状態に戻るのが早い。
本課題は、匂いー脳活性化パターンー行動・情動・生理変化の対応付けを念頭におき、匂い刺激によるマウスの脳活性化部位を DfMRI 法にて正確に同定するシステム構築を目的とする。
本研究により、DfMRI 法を利用するための研究環境を整備した。コンピュータプログラム制御の匂い曝露装置を用いて高精度で周期的に嗅覚刺激を与え、独立成分解析を組み合わせることにより、嗅覚応答を捉えることに成功した。

Research Products

• [Journal Article] Whole-brain fMRI study of mice under medetomidine/ketamine anesthesia to identify brain regions activated by musk odors. (2023)
  • Author(s): Yoshinaga, S., Tsubakihara, Y., Fukumoto, T., Maita, S., Takeda, M., and Terasawa, H.
  • Journal Title: Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. Volume: 31 Pages: 4022-4022
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Functional MRI study of olfactory responses induced by musk odor in the whole mouse brain under medetomidine and ketamine anesthesia (2024)
  • Author(s): Maita, S., Tsubakihara, Y., Yoshinaga, S., and Terasawa, H.
  • Organizer: The 11th Takeda Science Foundation Symposium on PharmaSciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imaging analysis of epidermal carcinoma based on time-dependent diffusion MRI (2024)
  • Author(s): Takeda, A., Yoshinaga, S., Shinjo, T., Kawachi, Y., Terashima, Y., Toda, E., Matsushima, K., Tsurugizawa, T., and Terasawa, H.
  • Organizer: The 11th Takeda Science Foundation Symposium on PharmaSciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 時間依存性拡散MRI に基づくがん微小環境イメージング (2023)
  • Author(s): 竹田篤史、吉永壮佐、新城拓人、河内祐樹、寺島裕也、遠田悦子、松島綱治、釣木澤朋和、寺沢宏明
  • Organizer: 第５１回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] 熊本大学におけるMRI・NMR 設備を用いた研究 (2023)
  • Author(s): 吉永壮佐
  • Organizer: 第１回研究用MRI共有プラットフォーム事業・若手研究交流会
• [Presentation] 熊本大学の小動物用MRI設備を用いた匂いと行動を結ぶ脳神経回路の解析 (2023)
  • Author(s): 吉永壮佐
  • Organizer: 日本生物物理学会九州支部セミナー「構造生物学の新展開：in vitroからin cell, in vivoへ」
  • Invited
• [Presentation] 拡散強調MRI に基づくがん微小環境イメージング法の開発 (2023)
  • Author(s): 竹田篤史、吉永壮佐、新城拓人、河内祐樹、寺島裕也、遠田悦子、松島綱治、釣木澤朋和、寺沢宏明
  • Organizer: 第１７回日本分子イメージング学会学術集会
• [Presentation] Whole-brain fMRI study of mice under medetomidine/ketamine anesthesia to identify brain regions activated by musk odors (2023)
  • Author(s): Yoshinaga, S., Tsubakihara, Y., Fukumoto, T., Maita, S., Takeda, M., and Terasawa, H.
  • Organizer: 2023 ISMRM & ISMRT Annual Meeting & Exhibition
  • Int'l Joint Research