脳内ネットワークの機能的結合を選択的に強化する人工皮質間接続法の開発

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15J05875
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 小杉 亮人 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Keywords: 一次運動野 / 皮質電気刺激 / 皮質誘発電位 / オペラント運動課題

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、重度脊髄損傷に対するリハビリテーションを指向して、特定の随意運動に関わる神経経路を選択的かつ活動依存的に強化するための人工皮質間接続法を開発することである。この目標を達成するため、本年度は、人工皮質間接続法を用いた際に生じると考えられる神経経路の強化を定量する評価法の確立を行った。具体的には、昨年度確立した皮質脳波記録と皮質電気刺激を同時におこなうことが可能な実験条件のもとで、大脳皮質を硬膜外から電気刺激し、刺激箇所とは別の領域で観測される誘発電位を測定する実験系を確立した。市販のアンプと自作の回路を結合することで、測定に影響を及ぼす電気刺激によるアーチファクトを軽減し、また、刺激、記録箇所を任意に変更することが可能になったことから、技術的な問題が解消され、実験系が確立したと言える。また、測定した誘発電位が生理学的に妥当なものかを評価するために、当初予定されていなかった皮質二連発刺激法を用いた検証を新たにおこなった。その結果、誘発電位の潜時が生理学的に妥当であることが明らかになり、興奮性の入力が生じている可能性が示唆された。また、霊長類モデル動物であるコモンマーモセット用の新規オペラント運動課題装置を開発し、課題中に人工皮質間接続のトリガー信号となる運動関連脳波反応を観察できることを確認した。これにより、本研究の最終目標である、人工皮質間接続をおこなう上での技術的基盤が確立した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の計画で予定していなかった皮質二連発刺激法を用いた検証とその準備をおこなったため、皮質誘発電位を測定する実験系の構築に時間を要した。そのため、本年度予定していた人工皮質間接続の条件検討までおこなうことができなかった。しかし、新たにおこなった検証によって皮質誘発電位が生理学的に妥当であることが明らかになったため、次年度、最終目標である人工皮質間接続を検討する上での評価法を確立することができた。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、今年度構築した実験系を用いて人工皮質間接続の検討を進める予定である。運動課題時のコモンマーモセットの頭頂野の脳波を記録してリアルタイムで信号処理をし、その活動依存的に運動前野を電気刺激することで、頭頂野－運動前野間の神経経路を選択的に強化することができるかを検討する。神経経路が強化されれば、頭頂野を電気刺激し運動前野で記録される誘発電位の大きさは、介入前に比べ大きくなるはずである。また、人工皮質間接続にともなう行動の変化を、モーションキャプチャシステムを用いて定量的に解析する。

Research Products

• [Presentation] Characterization of somatosensory and motor cortices in common marmosets using nanocoated electrocorticographic electrodes (2016)
  • Author(s): Akito Kosugi, Mitsuaki Takemi, Elisa Castagnola, Alberto Ansaldo, Davide Ricci, Kenta Sato, Takafumi Nakamura, Banty Tia, Kazuhiko Seki, Luciano Fadiga, Atsushi Iriki, Junichi Ushiba
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22