Development of non-invasive brain stimulation techniques that can icrease recruitment of the corticospinal motor indirect pathway during acquisition of hand motor skills

• Project Area: Hyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction: Integrated empirical and system theoretical approaches
• Project/Area Number: 20H05474
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: National Center of Neurology and Psychiatry
• Principal Investigator: 阿部 十也 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 脳病態統合イメージングセンター, 部長 (60588515)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: MRI / 脳脊髄運動回路 / 間接経路 / 手指巧緻運動 / 脳・脊髄運動経路 / 脳・脊髄間接経路 / 非侵襲性脳刺激

Outline of Research at the Start

手指運動の指令は, 一次運動野から脊髄運動ニューロンに届けられ, 筋肉を動かす. この経路は二種類存在する.間接経路は下等哺乳類の粗大運動を担う, 進化論的に古い経路である. 直接経路は高等霊長類の手指巧緻運動の獲得とともに発達させた新しい経路である. 最近, 直接経路だけでなく間接経路も手指巧緻運動を担う能力があることが分かった.本研究では, 直接経路が傷害されても間接経路の間接経路の活性化を最大化させ, 手指巧緻運動を改善させる脳刺激法を決定する. ここで得られる知見によって, ヒト間接経路を活用する脳刺激法のデザインを提供できる.

Outline of Annual Research Achievements

マカクサルの知見を参考にすると, 両側M1経路は脳幹や上位脊髄(頸髄C3-C4レベル)で中継神経核を持つ. 左手運動で両側M1経路の動員を示した. 頸髄C3-C4レベルの活動が確認された.
この予備結果をもとにデータ収集を行い, 右手運動と比べて左手運動で頸髄C3-C4レベルの神経活動が高いことを群解析で示した. C3-C4 髄節は呼吸・心拍の制御にも関わる. 日常生活であまり使わない左手を用いた運動負非利き手その要因を除外してより純度の高い神経活動抽出の技術を並行して開発する. 上記の結果は機能的脊髄MRIの解析技術の開発で実現した. 既存のソフトウエア(https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki [FSL], https://spinalcordtoolbox.com/en/stable/ [Spinal Cord Toolbox])をベースに解析パイプラインを構築した.
両側M1経路のC3-C4脊髄神経に神経可塑性を誘導する技術の開発マカクサルの知見によると, C3-C4脊髄には固有脊髄ニューロンが局在する. このニューロンは両側M1シグナルを中継する機能の他に, 末梢感覚入力を受け取る特徴を持つ. ヒト電気生理実験では, 両側M1刺激の重合がどの潜時で起こるか分かっていない. M1単独刺激で誘発される筋電位がタイミング依存的に末梢神経刺激の付加で 筋電位が変化することは分かっている. この現象はヒト脊髄固有ニューロンの機能を反映していると考えられている. M1・末梢神経刺激の重合がC3-C4脊髄の神経活動を変化させるかMRI計測技術で示す. 刺激重合を反復させると重合部位の神経可塑性を誘導できる. これで両側 M1経路の活性化ができるかを検証する実験準備を進めている.

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] High Correlation among Brain-Derived Major Protein Levels in Cerebrospinal Fluid: Implication for Amyloid-Beta and Tau Protein Changes in Alzheimer’s Disease (2022)
  • Author(s): Hoshi Kyoka、Kanno Mayumi、Abe Mitsunari、Murakami Takenobu、Ugawa Yoshikazu、Goto Aya、Honda Takashi、Saito Takashi、Saido Takaomi C.、Yamaguchi Yoshiki、Miyajima Masakazu、Furukawa Katsutoshi、Arai Hiroyuki、Hashimoto Yasuhiro
  • Journal Title: Metabolites Volume: 12 Issue: 4 Pages: 355-355
  • DOI: 10.3390/metabo12040355
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transferrin Biosynthesized in the Brain Is a Novel Biomarker for Alzheimer’s Disease (2021)
  • Author(s): Hoshi Kyoka、...、Hashimoto Yasuhiro
  • Journal Title: Metabolites Volume: 11 Issue: 9 Pages: 616-616
  • DOI: 10.3390/metabo11090616
  • Peer Reviewed / Open Access