2019 Fiscal Year Annual Research Report
人工神経接続による運動機能再建と機能回復機序の解明～神経適応から可塑性へ～
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18H05287
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science |
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Principal Investigator |
西村 幸男 公益財団法人東京都医学総合研究所, 認知症・高次脳機能研究分野, プロジェクトリーダー (20390693)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 人工神経接続 / 脊髄損傷 / 機能回復 / 機能再建 / 適応 / 可塑性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、脳と脊髄とを人工神経接続した際に、入力先である脳及び出力先である脊髄が如何にして新規の神経接合である人工神経接続に適応し、神経回路網を再組織化するのかをサルとヒトを対象にして解明することを目的とし研究を推進した。
＜テーマ1 サル大脳皮質の神経細胞は、運動に対する役割を変えられるか？＞脳部位の役割を人工神経接続により変えることができることを示した成果はNatCommに掲載され、脳と脊髄間の人工神経接続の一部である脊髄刺激の効果を記述した論文はJNeuralEngに掲載された。また脳と脊髄間の人工神経接続により皮質と脊髄間の神経結合が強化されることを見出し、筋肉と脊髄間の人工神経接続時には運動を促進する皮質細胞が活動を低下させ、新規の神経接続に適応することも見出した。
＜テーマ2 脊髄損傷患者の機能回復は脳・脊髄の機能的地図の変化によるものか？＞人工神経接続による介入を6か月継続したところ随意歩行を再建でき、また人工神経接続の繰り返しにより、人工神経接続から離脱しても、随意歩行が出来るようにまで回復した。予定していなかった自己嗅粘膜細胞移植手術と人工神経接続の組み合わせの研究を行い、細胞移植のみでは得られなかった大きな歩容が見られた。脊髄機能地図では磁気刺激で歩行を誘発出来る面積が脊髄損傷患者では健常者に比較して小さいことを見出した。皮質機能地図では、脚を支配している皮質領域がないことを見出し、2年目までの目標を達成した。研究は進展し、機能回復した脊髄損傷患者のこれらの脊髄・皮質機能地図はそれぞれ増大していることを見出すことも出来た。更にMRIにて脊髄損傷患者の脊髄の損傷部位と神経残存部位を判定する撮像法を確立し、損傷領域と損傷神経経路の定量化が可能になった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
モデル動物を対象としたテーマ1は最初の2年間で7つ全てに着手し、大変順調に研究が進展した。脳部位の役割を人工神経接続により変える[実験1-2]と[実験1-3]の成果はNatCommに掲載された。脳と脊髄間の人工神経接続の一部である脊髄刺激の効果を記述した論文はJNeuralEngに掲載された。皮質の可塑性誘導[実験1-4]では皮質と脊髄間の神経結合が強化されることを見出した。[実験1-5]では筋肉と脊髄間の人工神経接続時には運動を促進する皮質細胞が活動を低下させ、小さい脳活動で大きな運動を誘発出来ることを見出した。脊髄損傷サルでの人工神経接続の有効性を検証する[実験1-6]と[実験1-7]では機能回復過程と大脳皮質での可塑性について記述した論文は2本のCerebCortexに掲載された。
脊髄損傷患者を対象としているテーマ2では脊髄を対象とする実験と皮質を対象とする実験を実施した。人工神経接続による介入を6か月継続したところ随意歩行を再建でき、また人工神経接続の繰り返しにより、人工神経接続から離脱しても、随意歩行が出来るようにまで回復した。また、予定していなかった自己嗅粘膜細胞移植手術と人工神経接続の組み合わせの研究を行い細胞移植のみでは得られなかった大きな歩容が見られた。
脊髄機能地図では磁気刺激で歩行を誘発出来る面積が脊髄損傷患者では健常者に比較して小さいことを見出した。皮質機能地図では、脚を支配している皮質領域がないことを見出し、2年目までの目標を達成した。研究は進展し、機能回復した脊髄損傷患者のこれらの脊髄・皮質機能地図はそれぞれ増大していることを見出すことも出来た。
MRIにて脊髄損傷患者の脊髄の損傷部位と神経残存部位を判定する撮像法を確立し、損傷領域と損傷神経経路の定量化が可能になり当初の計画を達成できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
＜テーマ1＞[実験1-1]大脳皮質と脊髄間を繋ぐ人工神経接続による大脳皮質の適応現象の証明 皮質ニューロンと脊髄間の神経接続を行い、人工神経接続に対する皮質ニューロンの適応現象を調査する。[実験1-4]人工神経接続による大脳皮質の可塑性誘導 皮質ニューロン活動の可塑的な神経活動パターンの変化について調査する。[実験1-5]筋肉と脊髄間を繋ぐ人工神経接続による大脳皮質の適応現象の証明 サルの頭数を増やし、人工神経接続に対して皮質ニューロンが如何にして適応するか調査する。。[実験1-6]脊髄損傷モデルサルでの人工神経接続への適応 脊髄損傷サルに人工神経接続を行い、脊髄損傷サルの随意運動機能再建とそれに伴う運動野ニューロン活動の適応現象を調査する。[実験1-7]脊髄損傷サルでの人工神経接続による機能回復人工神経接続離脱後の随意運動の機能回復とそれに伴う運動野ニューロン活動の可塑的な活動パターンの変化を調査する。
＜テーマ2＞ [実験2-1] 脊髄マッピング １）脊髄MRI 脊髄損傷患者を対象にして、介入の前後での脊髄の機能的・構造的変化を評価する。２）神経生理学的手法による脊髄支配筋マッピング 介入の前後で、脊髄支配筋マッピングを行い脊髄内神経回路の可塑的変化を調査する。３）皮質支配筋マッピング 介入の前後で、脊髄歩行中枢マッピングを行い脊髄歩行中枢の可塑的変化を調査する。[実験2-2]皮質マッピング 1）MRIによる皮質における機能と構造マッピング 介入の前後での脳の機能的・構造的変化を評価する。2）神経生理学的手法による大脳皮質における支配筋マッピング介入の前後で、継続して皮質と脊髄間の神経結合の可塑的変化を調査する。
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[Journal Article] 歩行障害2020
Author(s)
田添歳樹, 兼重美希, 西村幸男
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Journal Title
Clinical Neuroscience, Non-invasive Neuromodulation-基礎・検査・治療
Volume: 38
Pages: 80-84
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