Neural basis of semantic memory network: A combined electrocorticographic decoding, stimulation and lesion study

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H02709
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 松本 理器 神戸大学, 医学研究科, 教授 (00378754)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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) ; 池田 昭夫 京都大学, 医学研究科, 特定教授 (90212761) ; 菊池 隆幸 京都大学, 医学研究科, 助教 (40625084) ; 國枝 武治 愛媛大学, 医学系研究科, 教授 (60609931) ; 松橋 眞生 京都大学, 医学研究科, 特定准教授 (40456885) ; 下竹 昭寛 京都大学, 医学研究科, 特定助教 (80726000) ; 澤本 伸克 京都大学, 医学研究科, 教授 (90397547)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 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

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(国際学会発表)。高次機能の統合的な脳律動解析手法を高次運動野の皮質脳波記録から考案し（論文公開１報）、脳律動解析を応用した非侵襲マッピング法を確立した。意味記憶課題の類義語判断課題下の高周波律動を用いた脳機能マッピング法の有用性を発表した(国内学会発表)。呼称課題下の皮質脳波をEvent-Related Causalityによる電極間の情報伝播を解析し、側頭葉底面-後頭葉、後頭葉内部での情報処理の伝播が示された(国内学会発表)。刺激介入による複数の言語課題の言語マッピングの主成分分析から中核の言語・意味記憶機能を抽出し、その脳内結合様式から、意味記憶についての機能解剖学的分布について発表した（国内学会発表）。意味記憶の側頭葉底面内での時間解剖学的な情報処理の非線形・深層モデルを構築し、呼称課題下の皮質脳波活動との相同性を示した（論文投稿中）。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(CCEP）によるネットワークマッピングの症例を蓄積した。術中CCEP計測から、背側と腹側言語ネットワークの結合様式、および下側頭回前後軸での機能・結合様式の勾配が存在することを明らかにし、意味記憶関連のネットワークとの関連を解明した（論文公開１報）。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、難治側頭葉てんかん患者11例において、経時的な意味記憶評価を行い、側頭葉前方領域の意味記憶の機能可塑性につき明らかにし、引き続き論文準備中である。社会性表象についての神経心理課題を設定し、てんかん患者おいて検査症例の蓄積を行った。

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国際学会にて発表した。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引き続き論文準備中である。意味記憶課題下の高周波律動記録、Event-Related Causalityによる電極間の情報伝播につき学会発表し、意味記憶の皮質脳波解読・ネットワーク機能勾配の一部を解明した。皮質電気刺激介入による言語機能マッピング結果の主成分分析から、意味記憶に関連した機能を抽出し、機能・解剖学的に解析し学会発表した。今後、詳細な機能解剖部位の同定を行っていく。
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：CCEPによる脳内機能的結合地図作成を症例蓄積を行い推進した。術中CCEP記録から下側頭回の前後軸で機能・結合の両面から勾配の存在を示し、意味記憶関連のネットワークを解明し、国際共著論文を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。てんかん外科症例11例の前部側頭葉切除前後における意味記憶の機能代償機構について論文準備中である。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を継続した。
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。

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。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Johns Hopkins University/Epilepsy Center, Cleveland Clinic/Univeristy of Wisconsin-Madison(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Johns Hopkins University/Epilepsy Center, Cleveland Clinic/Univeristy of Wisconsin-Madison
• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Cambridge
• [Journal Article] Connectivity Gradient in the Human Left Inferior Frontal Gyrus: Intraoperative Cortico-Cortical Evoked Potential Study (2020)
  • Author(s): Nakae T, Matsumoto R, Kunieda T, Arakawa Y, Kobayashi K, Shimotake A, Yamao Y, Kikuchi T, Aso T, Matsuhashi M, Yoshida K, Ikeda A, Takahashi R, Lambon-Ralph M, Miyamoto S
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: 30 Pages: 4633-4650
  • DOI: 10.1093/cercor/bhaa065
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Engagement of cortico-cortical and cortico-subcortical networks in a patient with epileptic spasms: An integrated neurophysiological study (2020)
  • Author(s): Takeshi Inoue, Katusya Kobayashi, Riki Matsumoto, Morito Inouchi, Masaya Togo, Junpei Togawa, Kiyohide Usami, Akihiro Shimotake, Masao Matsuhashi, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Hisashi Kawawaki, Nobukatsu Sawamoto N, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Journal Title: Clinical Neurophysiology Volume: 00 Pages: in press
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intraoperative electrophysiological mapping of medial frontal motor areas and functional outcomes (2020)
  • Author(s): Sumiya Shibata, Yukihiro Yamao, Takeharu Kunieda, Rika Inano, Takuro Nakae, Sei Nishida, Taku Inada, Yuki Takahashi, Takayuki Kikuchi, Yoshiki Arakawa, Kazumichi Yoshida, Riki Matsumoto, Akio Ikeda, Tatsuya Mima, Susumu Miyamoto
  • Journal Title: World Neurosurgery Volume: 4 Pages: in press
  • DOI: 10.1016/j.wneu.2020.02.129.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 言語と意味記憶：Cognitive Neurophysiologyの立場から (2020)
  • Author(s): 松本理器，下竹昭寛，山尾幸広，菊池隆幸，國枝武治，池田昭夫．
  • Journal Title: 高次脳機能研究 Volume: 40 Pages: in press
• [Journal Article] The neural tides of sleep and consciousness revealed by single-pulse electrical brain stimulation (2019)
  • 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
  • Journal Title: Sleep Volume: 42 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1093/sleep/zsz050
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A score to map the lateral non-primary motor area: multi-spectrum intrinsic brain activity vs. cortical stimulation (2019)
  • Author(s): Shuichiro Neshige, Katsuya Kobayashi, Masao Matsuhashi, Masaya Togo, Mitsuhiro Sakamoto, Akihiro Shimotake, Takefumi Hitomi, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Riki Matsumoto, Hirofumi Maruyama, Ryosuke Takahashi, Susumu Miyamoto, Akio Ikeda
  • Journal Title: Epilepsia Volume: 60 Pages: 2294-2305
  • DOI: 10.1111/epi.16367
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Human entorhinal cortex electrical stimulation evoked short-latency potentials in the broad neocortical regions: Evidence from cortico-cortical evoked potential recordings (2019)
  • Author(s): Hirofumi Takeyama, Riki Matsumoto, Kiyohide Usami, Takuro Nakae, Katsuya Kobayashi, Akihiro Shimotake, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Journal Title: Brain and Behavior Volume: 9 Pages: e01366
  • DOI: 10.1002/brb3.1366. Epub 2019 Jul 30
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 陰性運動野に関わる運動制御ネットワーク：皮質皮質間誘発電位(CCEP)を用いた検討 (2019)
  • Author(s): 十河 正弥, 松本 理器, 下竹 昭寛, 小林 環, 中江 卓郎, 菊池 隆幸, 松橋 眞生, 吉田 和道, 國枝 武治, 宮本 享, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第60回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 類義語判断課題による言語機能マッピングの有用性 (2019)
  • Author(s): 下竹 昭寛, 松本 理器, 坂本 光弘, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 松橋 眞生, 國枝 武治, 宮本 享, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第60回日本神経学会学術大会
• [Presentation] Role of the CCEPs from SDG to Stereo-EEGs. (2019)
  • Author(s): Riki Matsumoto
  • Organizer: The Down-under Stereo-EEG Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] てんかん学とシステム神経科学の接点．教育講演 19-3 (2019)
  • Author(s): 松本 理器
  • Organizer: 第49回日本臨床神経生理学会学術大会
  • Invited
• [Presentation] 言語と意味記憶：Cognitive Neurophysiology の立場から (2019)
  • Author(s): 松本 理器
  • Organizer: 第43回日本高次脳機能障害学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] 視覚性物品呼称課題時の側頭葉底面と後頭葉の相互作用 硬膜下電極の高周波活動を用いた有向ネットワーク解析 (2019)
  • Author(s): 宇佐美 清英, 松本 理器, Anna Korzeniewska, 下竹 昭寛, 中江 卓郎, 松橋 眞生, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 國枝 武治, 髙橋 良輔, Nathan Crone, Matthew Lambon-Ralph, 池田 昭夫
  • Organizer: 第53回日本てんかん学会学術集会
• [Presentation] Assessment of language tasks in electrical cortical stimulations (ECS) for efficient functional mapping in epilepsy surgery (2019)
  • Author(s): Mayumi Otani, Riki Matsumoto, Akihiro Shimotake, Mitsuhiro Sakamoto, Takuro Nakae, Masao Matsuhashi, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Organizer: 第53回日本てんかん学会学術集会
• [Presentation] 運動、言語関連皮質における皮質間ネットワーク特性：皮質皮質間誘発電位を用いた検討 (2019)
  • Author(s): 十河 正弥, 松本 理器, 迎 伸孝, 武山 博文, 中江 卓郎, 小林 勝哉, 宇佐美 清英, 下竹 昭寛, 松橋 眞生, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 國枝 武治, 宮本 亨, 髙橋 良輔, 池田 昭夫
  • Organizer: 第49回日本臨床神経生理学会学術大会
• [Presentation] Human motor control network as revealed by CCEP connectivity analysis of the negative motor area (2019)
  • Author(s): Masaya Togo, Riki Matsumoto, Akihiro Shimotake, Tamaki Kobayashi, Takuro Nakae, Takayuki Kikuchi, Masao Matsuhashi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Organizer: 第60回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 再認記憶課題遂行中の海馬・海馬傍回脳波活動解析による記憶優位半球定量的童貞の試み：定位的深部電極を刺入した3例での検討 (2019)
  • Author(s): 光野 優人, 武山 博文, 松本 理器, 尾谷 真弓, 梶川 駿介, 大井 和起, 松橋 眞生, 山尾 幸広, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 高橋 良輔, 池田 昭夫, 宮本 享
  • Organizer: 第78回日本脳神経外科学会総会
• [Presentation] 言語白質モニタリングにおける皮質-皮質間誘発電位(CCEP)の有効性 ―覚醒不良例に有効か?― (2019)
  • Author(s): 山尾 幸広, 松本 理器, 荒川 芳輝, 溝田 敏幸, 峰晴 陽平, 菊池 隆幸, 吉田 和道, 宮本 享
  • Organizer: 第17回日本Awake Surgery学会
  • Invited
• [Presentation] Visual and auditory semantic processing converges in the anterior temporal lobe (2019)
  • Author(s): Akihiro Shimotake, Riki Matsumoto, Kiyohide Usami, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Masao Matsuhashi, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Matthew Lambon-Ralph, Akio Ikeda,
  • Organizer: the 11th Annual Meeting of Society for the Neurobiology of Language (SNL 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 事象関連電位皮質記録による側頭葉底面の言語・意味認知機能マッピング (2019)
  • Author(s): 下竹 昭寛、松本 理器、尾谷 真弓、坂本 光弘、太田 真紀子、菊池 隆幸、吉田 和道、松橋 眞生、國枝 武治、宮本 享、髙橋 良輔、池田 昭夫
  • Organizer: 第53回日本てんかん学会学術集会
• [Presentation] Functional mapping for semantic processing in the ventral anterior temporal lobe by synonym judgment (2019)
  • Author(s): Akihiro Shimotake, Riki Matsumoto, Masao Matsuhashi, Takayuki Kikuchi, Kazumichi Yoshida, Takeharu Kunieda, Susumu Miyamoto, Ryosuke Takahashi, Matthew Lambon-Ralph, Akio Ikeda
  • Organizer: 第42回神経科学大会.
• [Presentation] Predictability of electrocorticogram coherence using distributed semantic representatio (2019)
  • Author(s): Naoyuki Sato, Riki Matsumoto, Akihiro Shimotake, Masao Matsuhashi, Mayumi Otani, Takayuki Kikuchi, Takeharu Kunieda, Hiroaki Mizuhara, Ryosuke Takahashi, Akio Ikeda
  • Organizer: Annual meeting of Society for Neuroscience 2019
• [Book] Functional Mapping with Neurophysiologic Techniques In: Wyllie E, Gidal B, Goodkin H, Loddenkemper T, Jehi L. Wyllie’s Treatment of Epilepsy 7th edition (2020)
  • Author(s): Riki Matsumoto, Sasha Dionisio, Martin Staudt, Juan Bulacio, Dileep R Nair.
  • Total Pages: 1096
  • Publisher: Lippincott Williams&Wilkins
  • ISBN: 978-1-49-639769-0
• [Book] 硬膜下電極記録. (特集：てんかん診療の最前線) (2019)
  • Author(s): 十河 正弥，菊池 隆幸，松本 理器
  • Total Pages: 1720
  • Publisher: 日本医師会雑誌
• [Remarks] 神戸大学大学院医学研究科脳神経内科学分野研究紹介HP
  • URL: https://www.med.kobe-u.ac.jp/sinkei/research.html