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ヒト高次運動機能の超適応:皮質脳波コネクトミクスによる脳切除後の潜在回路の解明

Publicly Offered Research

Project AreaHyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction: Integrated empirical and system theoretical approaches
Project/Area Number 22H04777
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionKobe University

Principal Investigator

松本 理器  神戸大学, 医学研究科, 教授 (00378754)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Keywordsコネクトーム / 皮質皮質間誘発電位 / てんかん外科 / 高次運動 / 運動前野 / コネクトミクス / TVGL
Outline of Research at the Start

運動関連領域を外科切除する場合に高次運動障害が残存するか回復するかを術前に予測するのは困難であり、脳領域だけでなく領域間の結合も含めたネットワークの理解が不可欠である。本研究ではこれまで我々が作成してきた皮質脳波コネクトームのデータベースを用いて、脳切除前後のネットワークの構造上の変化を同定する。術前評価のために前頭葉・頭頂葉に頭蓋内電極を慢性留置したてんかん外科患者で本研究に同意を得られた方で、データベース化している25症例に前方視的に動員する患者を加え解析を行う。臨床的必要性から外科切除する場合のコネクトームの変化と運動障害の出現、回復から超適応に関与する潜在回路を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本新学術領域においては運動機能の適応メカニズムの解明のため、前頭前野からのtop down、頭頂葉からのbottom upの情報を統合する運動前野のネットワーク的理解が必要と考え、高頻度皮質電気刺激や皮質切除術などの介入に対するネットワークレベルの超適応メカニズムの解明を目指している。
2022年度は後方視および一部前方視的に蓄積した皮質・皮質間誘発電位(CCEP)データから、ネットワークレベルの超適応メカニズムの解明に必須となる皮質脳波コネクトームの作成を網羅的な低頻度電気刺激による因果的結合解析から進めた。電気生理的(CCEP)コネクトーム作成から、CCEPの分布と高頻度皮質電気刺激時に出現するGo/No-Go課題のパフォーマンスの関係、CCEPの因果的結合性とHuman Connectome Project (HCP) データベースの安静時機能的結合性の関連について研究を進めた。また領域内共同研究として、B班と共同でTime-Varying Graphical Lasso (TVGL)を用いて頭皮上、頭蓋内脳波記録の解析を進めた。
CCEPの手法(effective connectivity)を用いて、内側頭頂葉内での結合性の差異を示し、楔前部前方では運動前野との結合、楔前部後方では後頭葉との結合が多く、後部帯状回は内側前頭葉との結合が強いことを明らかにした。これらの部位がそれぞれ運動、視覚機能に異なった様式で関与していることが示唆された(Togo et al. Neuroimage. 2022)。また生物、非生物における視覚情報の皮質間での処理様式を明らかにした。具体的には、生物を見るときは非生物を見るときよりも、側頭葉底面後方領域内での情報のやり取りが視覚刺激呈示後250msあたりで大きいことを示した(Usami et al. Cereb Cortex. 2022).

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本公募研究では、CCEP計測による電気生理学的コネクトームの作成を個人脳・標準脳で行い、高頻度皮質電気刺激とCCEPの分布の関連、fMRIによる機能的結合性との相関、てんかん病態による変容について解析を推進した。
Go/No-Go課題中に事象関連電位(ERP)を計測し、No-Go関連ERPを同定した。No-Go ERPが記録された皮質領域(No-Goネットワーク)にHFECSで介入し、No-Goタスクのパフォーマンスを検討した。No-Go ERPの分布と高頻度刺激介入をした部位の低頻度刺激によるCCEP分布を比較検討した。
No-Go ERP陽性の電極(No-Goネットワーク)の内、CCEPが誘発される電極の比率が高いほど、HFECS介入でNo-Goタスクのパフォーマンスが低下していた。HFECSは脳機能局在を同定する手法であるが、刺激部位と電気的に結合する領域を含めて、ネットワークに影響を及ぼしている可能性が示唆されており、現在論文準備中である。その他にはCCEPによる因果的結合性とHCPデータベースにおける機能的結合性の比較を行い、CCEPのN2電位と機能的結合性の相関が強いことを示した。またてんかんを有する脳におけるてんかん原性と脳ネットワークの変容の関連はてんかん原性が強い部分ではネットワークの変容を認めるが、てんかん原性が弱い部分においてはネットワークの変容は少ないことを示しておりこちらも論文準備中である。

Strategy for Future Research Activity

今年度はCCEP計測による電気生理学的コネクトームの作成を個人脳で行い、高頻度皮質電気刺激とCCEPの分布の関連、fMRIによる機能的結合性との相関、てんかん病態による変容について解析を進めた。B班の近藤班、南部班と共に睡眠時の頭皮上脳波、到達把握運動時の頭蓋内脳波にTVGLの手法を適応して、睡眠ステージごとや到達把握運動時の脳内ネットワーク解析を行っている。今後は解析方法のブラッシュアップ、症例を増やしてネットワークの観点からの睡眠ステージや到達把握運動が識別可能か、研究を進めていく。
また網羅的電気生理的コネクトームのデータベースを用いたシミュレーションから、個々の患者での脳切除前後のネットワークの構造上の変化、超適応による回復の予測を予定している。本研究で作成する電気生理的コネクトームは、理論班との共同研究によるネットワーク解析手法や超適応機構の数理モデル構築に貢献できる。臨床システム神経科学の観点からの知見は、工学的知見によるモデル構築・検証やリハビリ介入によるネットワークの変容の重要な参照データとして「超適応」メカニズムの体系化へ貢献が期待される。

Report

(1 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 7 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] The dynamics of cortical interactions in visual recognition of object category: living versus nonliving2022

    • Author(s)
      Kiyohide Usami, Riki Matsumoto, Anna Korzeniewska, Akihiro Shimotake, Masao Matsuhashi, Takuro Nakae, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Ryosuke Takahashi, Nathan E Crone, Akio Ikeda
    • Journal Title

      Cerebral Cortex

      Volume: Online ahead of print Issue: 9 Pages: 5740-5750

    • DOI

      10.1093/cercor/bhac456

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Distinct connectivity patterns in human medial parietal cortices: evidence from standardized connectivity map using cortico-cortical evoked potential2022

    • Author(s)
      Masaya Togo, Riki Matsumoto, Kiyohide Usami, Katsuya Kobayashi, Hirofumi Takeyama, Takuro Nakae, Akihiro Shimotake, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Masao Matsuhashi, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
    • Journal Title

      Neuroimage

      Volume: Online ahead of print. Pages: 119639-119639

    • DOI

      10.1016/j.neuroimage.2022.119639

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Intraoperative cortico-cortical evoked potentials for monitoring the arcuate fasciculus: Feasible under general anesthesia?2022

    • Author(s)
      Yamao Yukihiro、Matsumoto Riki
    • Journal Title

      Clinical Neurophysiology

      Volume: 133 Pages: 175-176

    • DOI

      10.1016/j.clinph.2021.07.033

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enhanced phase-amplitude coupling of human electrocorticography selectively in the posterior cortical region during rapid eye movement sleep2022

    • Author(s)
      Togawa Jumpei、Matsumoto Riki、Usami Kiyohide、Matsuhashi Masao、Inouchi Morito、Kobayashi Katsuya、Hitomi Takefumi、Nakae Takuro、Shimotake Akihiro、Yamao Yukihiro、Kikuchi Takayuki、Yoshida Kazumichi、Kunieda Takeharu、Miyamoto Susumu、Takahashi Ryosuke、Ikeda Akio
    • Journal Title

      Cerebral Cortex

      Volume: - Issue: 2 Pages: 486-496

    • DOI

      10.1093/cercor/bhac079

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] The value of Cortico-Cortical Evoked Potentials in a neurosurgical perspective (Keynote Lecture 2), International Symposium: Bridging Neurosciences and Neurosurgery2023

    • Author(s)
      Riki Matsumoto
    • Organizer
      Bridging Neurosciences and Neurosurgery: New Frontiers in Intraoperative Neurophysiology
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Distinct connectivity patterns in human medial parietal cortices: evidence from standardized connectivity map using cortico-cortical evoked potential2022

    • Author(s)
      Masaya Togo, Riki Matsumoto, Kiyohide Usami, Katsuya Kobayashi, Hirofumi Takeyama, Takuro Nakae, Akihiro Shimotake, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Masao Matsuhashi, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
    • Organizer
      American Epilepsy Society 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Physiology of the Cortico-Cortical Evoked Potential (Educational Course: Management of the Awake Patient Surgeries)2022

    • Author(s)
      Riki Matsumoto
    • Organizer
      8th Congress of the Internaional Society of Intraoperative Neurophysiology and Educational Course (ISIN2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 皮質皮質感誘発電位(CCEP):歴史と展望(教育講演8)2022

    • Author(s)
      松本理器
    • Organizer
      第51回日本臨床神経生理学会学術大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 島回てんかんの機能解剖と症候学(シンポジウム13:島回てんかんの焦点診断を徹底的に考える)2022

    • Author(s)
      松本理器
    • Organizer
      第55回日本てんかん学会学術集会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Trends of intracranial electroencephalographic evaluation for epilepsy surgery (In: Neuroscience Frontier Symposium 01-3 New insights of epilepsy research)2022

    • Author(s)
      Riki Matsumoto
    • Organizer
      第63回日本神経学会学術大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] てんかんの生理学的・放射線学的評価法の進歩(シンポジウム20「てんかんの病態と治療Update」)2022

    • Author(s)
      松本理器
    • Organizer
      第40回日本神経治療学会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] The state-of-the art language mapping in neurosurgery. (Symposium 1: Forefront of Brain Mapping for Clinical Application)2022

    • Author(s)
      Riki Matsumoto
    • Organizer
      52nd Annual Meeting of the Japanese Society of Clinical Neurophysiology
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Characteristics of intercortical networks created with late cortico-cortical evoked potential2022

    • Author(s)
      Masaya Togo, Riki Matsumoto, Takuro Nakae, Katsuya Kobayashi, Kiyohide Usami, Akihiro Shimotake, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Masao Matsuhashi, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
    • Organizer
      第62回日本神経学会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Book] 2nd Edition Handbook of Clinical Neurophysiology2022

    • Author(s)
      Hallett M, DelRosso LM, Elble R, Ferri R, Horak FB, Lehericy S, Mancini M, Matsuhashi M, Matsumoto R, Muthuraman M, Raethjen H, Shibasaki H
    • Total Pages
      31
    • Publisher
      Chapter 1. Evaluation of movement and brain activity. Clinical Neurophysiology of Movement Disorders
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] 神戸大学大学院医学研究科脳神経内科学分野

    • URL

      https://www.med.kobe-u.ac.jp/sinkei/research/index.html

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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