2018 Fiscal Year Annual Research Report
Neural basis of semantic memory network: A combined electrocorticographic decoding, stimulation and lesion study
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18H02709
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
松本 理器 神戸大学, 医学研究科, 教授 (00378754)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池田 昭夫 京都大学, 医学研究科, 特定教授 (90212761)
佐藤 直行 公立はこだて未来大学, システム情報科学部, 教授 (70312668)
國枝 武治 愛媛大学, 医学系研究科, 教授 (60609931)
澤本 伸克 京都大学, 医学研究科, 教授 (90397547)
松橋 眞生 京都大学, 医学研究科, 特定准教授 (40456885)
菊池 隆幸 京都大学, 医学研究科, 助教 (40625084)
下竹 昭寛 京都大学, 医学研究科, 特定助教 (80726000)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 意味記憶 / 皮質電気刺激マッピング / 皮質脳波 / 皮質皮質間誘発電位 / 神経心理 / 機能代償 / デコーディング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
意味記憶ネットワークの脳内神経基盤解明のため包括的研究を推進した。術前評価に硬膜下電極を慢性留置した難治てんかん外科患者で研究に同意を得た者を対象とした。皮質脳波記録から側頭葉前方領域が視覚・聴覚モダリティに関連した意味記憶機能のハブ機能を有することを示した(国内学会発表)。脳律動解析の手法を運動関連の皮質脳波記録から考案し（論文発表２報）、機能マッピング方法として皮質電気刺激に替わる低侵襲マッピング法を確立した。また、呼称課題を用いて低い刺激強度による意味機能マッピング法の有用性について提唱した（国内学会発表）。意味記憶と密接に関連する日本語漢字／仮名読み課題に同期して、通常の皮質電気刺激マッピングより低侵襲の強度で介入することで、定量的な精神物理学的評価を行い、優位半球側頭葉底部前後方向に意味記憶から形態認知への機能勾配を明らかにした（国内学会発表、論文準備中）。
意味記憶ネットワーク動態の解明のため、電気的白質線維追跡法（皮質皮質間誘発電位 CCEP）によるネットワークマッピングの症例を蓄積した。言語・意味記憶課題の障害程度と、CCEPから同定した機能結合様式について定性的な相関を少数例で予備的にまとめた（国内学会発表）。CCEP前頭-頭頂葉・側頭葉間の皮質間結合に左右差があることも明らかにした（論文発表）
意味記憶のハブ領域切除後の機能代償機転の解明について、11例の難治側頭葉てんかん患者において、側頭葉前方領域の切除前・後 1週間、1か月、6か月、1年と経時的な機能評価を行い、正答率およびエラー内容の検討し、側頭葉前方領域の漢字書字・読字機能が同部位の意味記憶に基づくことを明らかにした（国内学会発表、論文準備中）。また、優位半球側頭葉を切除領域に含む脳腫瘍症例においても、術・前後の経時的神経心理検査と切除病変との対応から意味記憶の機能変容、可塑性を示した(国内学会発表)。
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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
(A) 皮質脳波解読・刺激介入によるネットワーク内の機能勾配の解明： 側頭葉前方領域が意味記憶のモダリティによらないハブであることを学会発表し、皮質脳波の律動解析による機能マッピング法についての論文2本公開を行った。優位半球側頭葉底部前後方向に意味記憶から形態認知への機能勾配について国内学会発表し論文準備中である。
(B) 機能的・因果結合解析を加味した意味記憶ネットワーク動態の解明：症例を蓄積し（過去からの症例25名超）、CCEPによる脳内機能的結合地図作成を推進した。意味記憶の障害程度とCCEPから同定した機能結合様式について定性的な相関を少数例で予備的にまとめた結果を学会発表した。脳内機能解剖学的結合の左右差について、前頭-頭頂葉・側頭葉間での違いを論文1本公開した。
(C) ハブ切除後のシステムレベルの機能代償機転の包括的解明：意味記憶機能について、脳機能外科術後に経時的(1週間、1か月、6か月、1年)に評価を行い、回復の変容・脳機能可塑性について、研究を推進した。切除皮質と神経心理検査の対応について、側頭葉（言語優位半球、非優位半球両方含む）を切除した10 名を超える症例での神経心理検査を経時的に評価した。てんかん外科症例の前部側頭葉切除前後における漢字・かな関連の脳機能含む意味記憶の機能代償機構について国内学会報告し、論文準備中である。意味記憶のうち非言語性の”社会性表象”の意味記憶についての評価の神経心理課題を設定し、側頭葉てんかん患者症例、正常被験者にて検査記録に着手した。
研究計画の上記3本柱それぞれで、研究実績に具体的に示したように、研究計画にそって、症例蓄積およびデータ解析、学会発表、論文公開を順次行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
術前評価に頭蓋内電極を留置する難治部分てんかん・脳腫瘍患者（項目A、B）、前部側頭葉を切除する難治部分てんかん・脳症患者（項目C）で、同意が得られた者を対象に、引き続き研究を進める。
A. 皮質脳波解読・刺激介入によるネットワーク内の機能勾配の解明：各種モダリティを用いた意味記憶関連課題中の皮質律動を直接記録し、ハブ内の階層性を解明する。言語性表象・社会性表象におけるハブの側方性・半球間の機能分担について明らかにする。皮質脳波を機械学習や重回帰解析から意味表象（生物・非生物やより詳細な意味表象マトリックス）のデコーディングを行う。デコーディング時の各電極の重み付け情報と高頻度皮質電気刺激による障害様式、そして後述の結合動態から、ネットワーク内のハブとスポークの同定をめざす。
B. 機能的・因果結合解析を加味した意味記憶ネットワーク動態の解明：網羅的に記録した皮質・皮質間誘発電位（CCEP）の分布から、関連皮質領野間の皮質間結合地図を優れた空間解像度で同定する。この青写真を参照し、課題下の重回帰解析の重み付け情報を用いたコヒーレンス解析や多次元因果性解析を行い、100ミリ秒毎の領域間の結合動態を明らかにする。
C. ハブ切除後のシステムレベルの機能代償機転の包括的解明：言語理解・社会的概念におけるハブの側方性に重点を置き、一側の前部側頭葉切除を行う脳外科患者で、切除直後の障害様式から半球間の機能分担を明らかにする。神経心理と各種MRI計測により縦断的な定量評価を行い、システムレベルの機能代償機転を解明する。また、自然読字課題時のハブ領域のデコーディングの重み付け情報から個々の患者で読字における意味アクセス依存度を定量化し、症例蓄積からハブ領域へのアクセス指数の読字障害予測マーカーとしての有用性を明らかにし、術後の読字障害（特に漢字）の予測を試みる。
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[Journal Article] The neural tides of sleep and consciousness revealed by single-pulse electrical brain stimulation2019
Author(s)
Kiyohide Usami, Anna Korzeniewska, Riki Matsumoto, Katsuya Kobayashi, Takefumi Hitomi, Masao Matsuhashi, Takeharu Kunieda, Nobuhiro Mikuni, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda, Nathan E Crone
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Journal Title
Sleep
Volume: 42
Pages: 1-9
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Rational cortical mapping algorithm for epilepsy surgery: non-stimuli, multi-intrinsic brain activities without cortical stimulation2018
Author(s)
Shuichiro Neshige, Katsuya Kobayashi, Masao Matsuhashi, Akihiro Shimotake, Takehumi Hitomi, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Riki Matsumoto*, Ryosuke Takahashi, Susumu Miyamoto, Hirofumi Maruyama, Akio Ikeda.
Organizer
the 12th Asian&Oseanian Epilepsy Congress
Int'l Joint Research
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[Presentation] Human medial parietal cortices have distinct connectivity patterns: Evidence from standardized connectivity map using cortico-cortical evoked potential2018
Author(s)
Masaya Togo, Riki Matsumoto, Takuro Nakae, Hirohumi Takeyama, Katsuya Kobayashi, Kiyohide Usami, Akihiro Shimotake, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
Organizer
第41回神経科学大会
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[Presentation] Electrocorticography-based non-primary motor area mapping comparable with cortical stimulation2018
Author(s)
Shuichiro Neshige, Katsuya Kobayashi, Masao Matsuhashi, Akihiro Shimotake, Takehumi Hitomi, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Riki Matsumoto*, Ryosuke Takahashi, Susumu Miyamoto, Hirofumi Maruyama, Akio Ikeda
Organizer
第59回日本神経学会学術大会
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[Presentation] Changes in human brain network connectivity during sleep and wakefulness: a study of neural propagation evoked by single-pulse electrical stimulation2018
Author(s)
Kiyohide Usami, Anna Korzeniewska, Riki Matsumoto, Takefumi Hitomi, Kunieda Takeharu, Nobuhiro Mikuni, Katsuya Kobayashi, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda, and Nathan E. Crone
Organizer
31st International Congress of Clinical Neurophysiology
Int'l Joint Research
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[Presentation] Double dissociation of the semantic and phonological processing in reading Kanji and Kana words - A quantitative low-intensity cortical stimulation study2018
Author(s)
Masako Daifu, Riki Matsumoto, Akihiro Shimotake, Makiko Ota, Mitsuhiro Sakamoto, Katsuya Kobayashi, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Ryosuke Takahashi, Matthew A. Lambon Ralph, Akio Ikeda
Organizer
第41回神経科学大会
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[Presentation] Compensation of semantic memory after dominant anterior temporal lobe resection in epilepsy surgery2018
Author(s)
Makiko Ota, Akihiro Shimotake, Riki Matsumoto, Mitsuhiro Sakamoto, Masako Daifu, Takuro Nakae, Takayuki. Kikuchi Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Matthew A. Lambon Ralph, Akio Ikeda
Organizer
第59回日本神経学会学術大会
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[Presentation] Underlying excitability at the focus modulates network dynamics of seizure propagation: a single-pulse electrical stimulation study time-locked to spike and post-spike slow.2018
Author(s)
Katsuya Kobayashi, Riki Matsumoto, Kiyohide Usami, Akihiro Shimotake, Masao Matsuhashi, Yukihiro Yamao, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda.
Organizer
American Epilepsy Society (AES) 2018 Annual Meeting
Int'l Joint Research
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