内因性光学シグナル計測法のヒト脳皮質活動モニタリングへの適用

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09878187
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 神野 耕太郎 東京医科歯科大学, 医学部, 教授 (40025630)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高田 義章 東京医科歯科大学, 医学部, 助手 (00216665) ; 平川 公義 東京医科歯科大学, 医学部, 教授 (00010166) ; 佐藤 勝重 東京医科歯科大学, 医学部, 助手 (80291342) ; 佐藤 容子 東京医科歯科大学, 医学部, 助手 (70251501)
• Keywords: 内因性光学的シグナル / 脳皮質 / 非侵襲測定 / 脳機能マッピング / whisker barrel / 画像イメージ

Research Abstract

脳皮質のニューロンが電気的に活動するとき、これに光を照射すると内因性の光学的変化が記録される。したがって、逆に内因性の光学的変化を捉えることによって脳皮質の電気活動をモニターできることになる。本研究は、このような内因性光学シグナル計測法をヒト脳皮質へ適用することを目的として計画された。本年度は、ヒト脳皮質への応用に向けての予備実験として、ラット体性感覚野を用いて、測定方法の最適化について検討した。
麻酔下にラットの頭蓋骨を歯科ドリルで開頭し、体性感覚野を露出した。脳表面に干渉フィルターを通した光を照射し、whisker刺激によって得られる内因性の光学シグナルを、光量差差分増幅装置(IMAGER2001)で増幅し、リアルタイムで画像化して、機能的barrel構造のマッピングを行った。
まず、脳皮質表面とディテクターとのインターフェイスについて検討を行った。皮質表面を少量の生理的塩溶液で覆った状態では、液面からの散乱光の影響や、脳実質の呼吸に伴う動きが大きく、微弱な光学的シグナルを検出することが困難であることがわかった。そこで、頭蓋骨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、チェンバー内をシリコンオイルで満たして、表面にカバーグラスをつけるように工夫した。これにより、液面からの散乱光の影響を防ぐことができると同時に、オイルによって脳の動きをおさえることができるようになり、シグナル/雑音比が飛躍的に向上した。
次に、様々な波長の光を照射して、得られたシグナルの大きさについて検討を行った。光学的シグナルの大きさや応答領域は、照射波長によって変化し、波長605nmの光を用いたときに、最も大きいシグナルの得られることが明らかとなった。

Research Products

• [Publications] Sato,K.: "Optical illustration of glutamate-induced cell swelling coupled with membrane depolarization in embryonic brain stem slices." Neuro Report. 8. 3559-3563 (1997)
• [Publications] Momose Sato,Y.: "Optical characterization of a novel GABA response in early embryonic chick brainstem." Neuro Science. 80. 203-219 (1997)
• [Publications] Sasaki,T.: "Optical mapping of conduction patterns of normal and tachycardia-like excitations in the rat atrium." Japanese Journal of Physiology. 47. 179-188 (1997)
• [Publications] Sato,K.: "Optical mapping of neural responses in the embryonic rat brainstem with reference to the early functional organization of vagal nuclei." Journal of Neuroscience. 18. 1345-1362 (1998)
• [Publications] Momose・Sato,Y.: "GABA induced intrinsic light-scattering changes associated with voltage sensitive dye signals in embryonic brainstem-slices : coupling of depolarization and cell shrinkage." Journal of Neurophysiology. (in press). (1998)
• [Publications] Sasaki,T.: "Optical monitoring of synaptic transmisson in bullfrog sympathetic ganglia using a voltage-sensitive dye." Neuroscience Letters. (in press). (1998)
• [Publications] Yang,X.S.: "Photometric assessment of volume changes coupled with membrane potential in valinomycin-incorporated red blood cells." Japanese Journal of Physiology. 47. 217-230 (1997)
• [Publications] 新井嘉容: "脊髄神経活動の光学的計測" 脊髄電気診断学. 19. 33-36 (1997)
• [Publications] Sato,K.: "Optical mapping of neural responses in the embryonic rat brainstem : early functional organization of vagal nuclei : In“Frontiers of Neural Development"" Springer-Verlag,Tokyo(in press), (1998)
• [Publications] 神野耕太郎: "「脳の科学」創刊号,脳の機能発生/形成を光学的イメージングでとらえる." 星和書店(in press), (1998)