損傷後に大脳両半球で生じる適応機構

• Project Area: Hyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction: Integrated empirical and system theoretical approaches
• Project/Area Number: 22H04792
• 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 Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 肥後 範行 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 室付 (80357839)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 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: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: リハビリテーション / 脳損傷 / 機能回復 / 神経可塑性 / 非ヒト霊長類 / 巧緻動作 / 機能代償 / 動物モデル / 脳卒中 / 可塑性 / 脳イメージング / 組織化学 / マカクサル / 脳活動計測

Outline of Research at the Start

脳損傷後のリハビリテーションによる機能回復の背景にある脳の変化に着目する。これまでの研究により、脳損傷後の運動機能回復の背景として、損傷周囲の領野による機能の代償があることが明らかになっている。一方、大規模な脳の損傷を受けた後の機能回復の背景には、損傷を受けていない対側半球による機能代償も知られている。ただし、脳が “損傷同側半球による機能代償”と、“対側半球による機能代償”の適応戦略を選択するメカニズムと、その背景にある構造変化は充分に明らかになっていない。そこで本研究課題では脳損傷後の機能代償半球を決定づける損傷の要因を明らかにするとともに、機能代償の基盤となる脳の構造変化を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

T1強調MRIを用いたvoxel-based morphometry (VBM) 解析および免疫組織化学的染色を行い、内包梗塞後の雲合機能回復をもたらす機能的変化の背景にある構造的変化を検証した。VBM解析の結果から、脳梗塞後運動機能回復が見られた時期には、梗塞対側吻側運動前野腹側部（PMv）で灰白質(GMV)の増加が示唆された。錐体細胞を染色するSMI-32抗体を用いた免疫組織化学染色の結果、梗塞対側吻側PMvのV層に存在する錐体細胞では、樹状突起の分枝が増加していることが明らかになった。また神経可塑性に関与する神経栄養因子の一つであるbrain-derived neurotrophic factor (BDNF) と、興奮性シナプスのマーカーである vesicular glutamate transporter (VGLUT1)の発現も、梗塞対側吻側PMvで増加していることが示された。これらの実験結果から梗塞対側吻側PMv の運動出力細胞における代償的構造変化が内包梗塞後の運動機能回復に重要であること、VBM解析で見られたGMV変化の背景として樹状突起と興奮性シナプスの構造変化があると考えられる。さらに機能的近赤外分光分析法（fNIRS）による機能代償的変化がみられた吻側PMvでは、血流動態にも特徴的な変化がみられた。すなわち、損傷前の運動時に見られるオキシ、デオキシヘモグロビン変化は単一の山もしくは谷をもち、その到達時刻はどちらも同じ 5 秒程度であったのに対して、機能回復後のPMv ではオキシヘモグロビンの到達時刻が 2 秒以上早まる一方で、デオキシヘモグロビンでは到達時刻の早まりが見られず、オキシヘモグロビンと相反する傾向は失われた。 機能代償の指標として賦活領域だけでなくfNIRS波形の変化を使用できる可能性を示唆する。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 霊長類脳卒中モデルにおける痛覚変調 (2024)
  • Author(s): 肥後範行
  • Journal Title: ペインクリニック Volume: 45 Pages: 300-306
• [Journal Article] Motor Cortex Plasticity During Functional Recovery Following Brain Damage (2022)
  • Author(s): Higo Noriyuki
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 34 Issue: 4 Pages: 700-709
  • DOI: 10.20965/jrm.2022.p0700
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • Year and Date: 2022-08-20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pharmacological inactivation of the primate posterior insular/secondary somatosensory cortices attenuates thermal hyperalgesia (2022)
  • Author(s): Nagasaka Kazuaki、Takashima Ichiro、Matsuda Keiji、Higo Noriyuki
  • Journal Title: European Journal of Pain Volume: 26 Issue: 8 Pages: 1723-1731
  • DOI: 10.1002/ejp.1996
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural plasticity of motor cortices assessed by voxel-based morphometry and immunohistochemical analysis following internal capsular infarcts in macaque monkeys (2022)
  • Author(s): Matsuda Kohei、Nagasaka Kazuaki、Kato Junpei、Takashima Ichiro、Higo Noriyuki
  • Journal Title: Cerebral Cortex Communications Volume: 3 Issue: 4 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1093/texcom/tgac046
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accounting for the valley of recovery during post-stroke rehabilitation training via a model-based analysis of macaque manual dexterity (2022)
  • Author(s): Izawa Jun、Higo Noriyuki、Murata Yumi
  • Journal Title: Frontiers in Rehabilitation Sciences Volume: 3 Pages: 1042912-1042912
  • DOI: 10.3389/fresc.2022.1042912
  • Peer Reviewed / Open Access