2016 Fiscal Year Annual Research Report
磁気刺激による神経跳躍伝導を電磁界変化で検出する食道がん術中反回神経探索システム
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16H03187
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
清水 一夫 東北大学, 医工学研究科, 特任教授 (00564296)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中野 徹 東北大学, 大学病院, 講師 (50451571)
出江 紳一 東北大学, 医工学研究科, 教授 (80176239)
今井 陽介 東北大学, 工学研究科, 特任准教授 (60431524)
永富 良一 東北大学, 医工学研究科, 教授 (20208028)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 神経科学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はまず、神経周囲の電気特性を解明するため、迷走神経より太く長い坐骨神経を使って、測定した。坐骨神経における跳躍伝導の速度は一般的に２０～４０m/sと言われているので、実験に使用する動物として、比較的長い坐骨神経を有するうさぎを使用することとした。電気緊張性伝導と跳躍伝導の特性の違いを解明できれば、神経を探索する上での足がかりになるためである。うさぎの坐骨神経を刺激するための電極や特性を測定するための電極を試行錯誤しながら試作し、測定した結果、刺激パルスの周期を１ｍｓ以下にすることにより、電気緊張性伝導は観測されるが、跳躍伝導は複数の刺激パルスに対して1度しか反応しないことを見出した。これは神経上のランビエ絞輪のNa＋チャネルの応答が１ｍｓ程度であることと、細胞膜上の各イオンチャネルは一度応答すると応答できない絶対不応期と刺激レベルが高いと応答可能な相対不応期を有しているため、これらの特性を利用することで、数発のバースト状の刺激パルスを連続して刺激すれば、電気緊張性伝導と跳躍伝導を識別できることが判った。例えば、パルス幅０．１ｍｓで3発の刺激パルスを神経に加えると3発の電気緊張性伝導と1発の跳躍伝導が観測されることを示している。また、刺激パルスのパルス幅を０．１ｍｓ以下にしていくと磁気センサーの応答特性から電気緊張性伝導の検出を無視できるレベルまで小さくできることも判った。さらに、神経周囲にどのような特性で跳躍伝導波形が観測されるか詳細な測定を行った結果、１．跳躍伝導を検出できるのは神経の周囲１０ｍｍくらいまでで、それより遠くなると検出されないこと。２．神経上、刺激ポイントから３５ｍｍくらい離れたところから電気緊張性伝導の影響を受けずに跳躍伝導が観測され、跳躍伝導の特徴である双方向性伝導により刺激ポイント側へも伝導が生じ、検出レベルが小さくなることが判った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究計画では、神経を電気刺激することにより、特定の神経が支配する筋肉等の応答特性を測定することであった。当初、ラットの坐骨神経を使用して、特性を測定したが、神経の跳躍伝導が電気刺激位置から３０ｍｍ程度離れたところから発生していることが判り、跳躍伝導測定には、もっと長い神経が必要であることが判ったため、うさぎの坐骨神経を使って測定することとした。これにより、坐骨神経における跳躍伝導速度、神経周囲への伝導特性など測定することができた。神経の位置を特定するには、神経特有な特性を見出す必要がある。本研究では、この特有な特性を見出すことに成功した。電気刺激により生ずる電気緊張性伝導と跳躍伝導では、電気刺激パルスによるバーストパルス周期に対する応答特性が違っており、周期１ｍｓ以下では、バーストパルス数が多くても、跳躍伝導は最初の1回しか応答できない。これは跳躍伝導が神経細胞における脱分極に起因する伝導であることから証明できる。Na+チャネルの応答特性に応じて、高速に応答をするが、不応期間も有している。従って、例えば、３発のバーストパルスを周期１ｍｓで神経刺激すると、電気緊張性伝導はそのまま伝送されるが、跳躍伝導は1回しか生じない。神経探索の際、この特性の差を利用することで、神経の識別を行うことができる。
次に、磁気センサーを用いて、応答特性を測定した。その結果、跳躍伝導の結果生じた筋肉の応答を検出することに成功した。このことは、神経探索において、特定の神経を刺激することにより、その神経が支配する筋肉の応答を検出可能であることを示している。また、跳躍伝導速度は坐骨神経で約２５m/sであることが判った。Na+チャネルの応答には１ｍｓ以上かかることから、一回の跳躍伝導には、神経上のランビエ絞輪の内、十数個が同時に応答しており、神経上のランビエ絞輪が順次反応するのではないことが判った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究での次年度の研究計画は、低侵襲な神経探索において、必須となる神経の励起に関する研究を行うことになっている。しかし、神経における跳躍伝導の検出についても、跳躍伝導で生じる筋肉応答は検出できたが、跳躍伝導そのものを検出するには磁気センサー感度が不足していることが判った。そこで、今回の磁気インピーダンスセンサーより10倍高感度な磁気センサーとして、TMR（トンネル磁気抵抗）素子が本学内で開発されているということなので、このセンサーの利用について、来期、研究利用について交渉し、跳躍伝導による磁界変化を直接検出可能かどうか検討を進めたいと考えている。
一方、神経の磁気励起については、１Tレベルの強磁界発生が必要となるが、今期の予備実験において、神経直下において、０．１Tレベルの電磁界を発生させても、神経の跳躍伝導誘発には至らなかった。当初予想としては、神経との距離が近ければ、多少弱い電磁界パルスで跳躍伝導を誘発できるのではないかと考えていたが、０．１T以下では誘発に至らなかった。脳のてんかん治療等に用いる磁気刺激装置のパルス磁界の磁束密度は１Tということが判っているので、この値を最大値にして、磁気パルス発生装置の検討を行っていく予定である。また、磁気シミュレーションにより、効率のよい強磁界発生コイルの形状を検討し、神経における跳躍伝導誘発の機序を解明していく予定である。
研究計画としては、当初予定通り、①励磁コイルの形状検討のため、磁気シミュレーションを行う。②励起コイルの作成。③高圧パルス電源装置の開発。④動物実験により神経の跳躍伝導の誘発検討。⑤磁気パルスによる誘発特性の検証。⑥磁気パルスと電気刺激の違いについて検証し、磁気刺激による神経の跳躍伝導の機序を解明していく予定である。
また、最終年度にはこれらの成果を踏まえ、非接触で神経探索可能なシステムの開発を行う予定である。
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