レーザスペックル現象を応用した脳皮質活動の内因性光学計測システムの試作研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09358016
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 佐藤 勝重 東京医科歯科大学, 大学院・医歯学総合研究科, 助手 (80291342)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 酒井 哲郎 東京医科歯科大学, 大学院・医歯学総合研究科, 助教授 (40153845) ; 佐藤 容子 東京医科歯科大学, 大学院・医歯学総合研究科, 講師 (70251501)
• Keywords: レーザスペックル / 脳皮質活動 / 非侵襲測定 / 脳機能マッピング / 光学的測定 / 画像イメージ

Research Abstract

本研究は脳皮質にレーザ光を照射したとき生じる動的スペックル現象を検出し、得られる光強度変動の特性を解析し、微小循環血流量変化やグリア細胞(and/orニューロン)の容積変化を光学的シグナルに変換して、そこから逆に脳皮質活動を検出する計測システムを試作するものである。
本年度は、昨年度までに終了した測定装置の基本セットアップの改造に引き続き、ラットを用いたin vivo標本および実験系の確立を行った。比較的脳皮質応答活動をディテクトしやすい体性感覚野を対象に、一本のひげの屈曲刺激に伴う単一バレルの機能イメージングを得ることを試みた。麻酔下および人工呼吸下にラットの頭蓋骨を露出し、頭蓋表面にプラスチック製のチェンバーを歯科セメントで固定した。チェンバー内の頭蓋骨を歯科ドリルで開頭し、体性感覚野を露出したうえで、チェンバー内をシリコンオイルで満たし、表面にカバーグラスをとりつけた。予備実験として、可視光線を用い、干渉フィルターを通した光を脳表面に照射して、ニューロン活動にともなう内因性の光学的変化を検出した。シグナルは光量差差分増幅装置で増幅し、リアルタイムで画像化してマッピングを行った。最適の実験条件を確立するために、測定領域とその拡大率、焦点面、ヒゲ屈曲刺激の大きさ及び持続時間、データ取得時間、シグナルの大きさの定量化について検討を行い、皮質活動を長時間にわたってモニターするための実験手技を確立した。さらに、得られたシグナルに対して周波数解析を行った。これにより、レーザスペックル現象を応用したシステムの開発に成功した。

Research Products

• [Publications] Tanaka et al.: "Physiological consistency in trial-to-trial variation in intrinsic-optical responses to single-whisker movement in the rat D1-barrel cortex."Neuroscience Research. 36. 193-207 (2000)
• [Publications] Sato et al.: "Optical detection of embryogenetic expression of vagal excitability in the rat brain stem."Neuroreport. 11. 3579-3763 (2000)
• [Publications] Sato et al.: "Optical responses to micro-application of GABA agonists in the embryonic chick brain stem."Neuroreport. 12. 95-98 (2001)
• [Publications] Momose-Sato et al.: "Optical approaches to embryonic development of neural function in the brainstem."Progress in Neurobiology. 63. 151-197 (2001)
• [Publications] Momose-Sato et al.: "Spreading depolarization waves triggered by vagal stimulation in the embryonic chick brain : optical evidence for intercellular communication in the developing CNS."Neuroscience. 102. 245-262 (2001)
• [Publications] Mochida et al.: "Multiple-site optical recording reveals embryonic organization of synaptic networks in the chick spinal cord."European Journal of Neuroscience. (in press). (2001)
• [Publications] Yazawa et al.: "Developmental changes in trial-to-trial variations in whisker barrel responses studied using intrinsic optical imaging : Comparison between normal and de-whiskered rats."Journal of Neurophysiology. (in press). (2001)
• [Publications] Mochida et al.: "Effects of anisomycin on LTP in the hippocampal CA1 : Long-term analysis using optical recording."Neuroreport. (in press). (2001)
• [Publications] 佐々木真一 他: "内因性光学イメージングを用いたin vivoラット脊髄神経活動のモニタリング"脊髄電気診断学. 22. 32-35 (2000)
• [Publications] 佐々木真一 他: "末梢神経刺激により脊髄に誘発されたニューロン応答の内因性光学イメージング"脊髄電気診断学. 23(in press). (2001)
• [Publications] 佐藤勝重: "細胞電気活動の光学的計測法-いかにして真のシグナルとノイズを見分けるか-"日本生理学雑誌. 62. 275-278 (2000)
• [Publications] 佐藤容子 他: "自律神経系の機能的解析における光学的計測法の適用"自律神経. (in press). (2001)
• [Publications] 大野喜久郎 他: "脳神経外科の最前線NO.2 21世紀の新領域とニューテクノロジー"先端医療技術研究所. 472 (2000)
• [Publications] 佐藤勝重: "ブレインサイエンス・レビュー2001"医学書院(in press). (2001)