2021 Fiscal Year Annual Research Report
Neural Mechanisms of Functional Recovery via Artificial Neural Connection
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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, 脳・神経科学研究分野, 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 / 運動機能 / 上肢 / 歩行機能 / 脊髄 |
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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？＞モデル動物を対象としたテーマ1は7つ実験が計画されており、全ての実験が終了した。それらの結果から皮質ニューロンの役割は脳が決めているのではなく、脊髄の役割によって決められるということが見出された。
＜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？＞これまで、13名の脊髄損傷患者で人工神経接続の6か月間の介入研究が終了した。それにより、完全脊髄損傷患者・不完全脊髄損傷患者ともに腰髄の機能が残存していれば人工神経接続の即時効果があることが見出された。一方で、不完全脊髄損傷患者のみは6か月の介入により人工神経接続がなくても歩けるようになり機能回復した。
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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
モデル動物を対象としたテーマ1は計画されていた全ての実験が終了した。脊髄損傷患者を対象としたテーマ2では、13名の脊髄損傷患者で人工神経接続の6か月間の介入研究が終了した。どちらのテーマも順調に研究が推進され、下記の成果が得られた。
＜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？＞ [実験1-1] 結果より、皮質ニューロンの役割は脊髄サイトの役割によって決められていることを見出した。[実験1-2]での結果より、皮質のニューロンは体部位再現を超えて適応が可能であることが示された。[実験1-3]での結果より、脳機能地図を決定する要因は脳によって決められているのではなく、接続先の役割によって決定されていることが示された。[実験1-4]での結果より、自由行動下で脳と脊髄間の人工神経接続を行うと、皮質と脊髄間のシナプス結合が増強され、それに伴い入力先の皮質ニューロンの発火頻度が低下することが見出された。[実験1-5]の結果より、大脳皮質の細胞は人工的な脊髄反射回路に適応し、柔軟にその活動様式を変えることができた。[実験1-6]の結果より、脊髄損傷後の皮質ニューロンが人工神経接続により、運動機能を再獲得できることが実証できた。[実験1-7]の結果より、脊髄損傷モデルサルに長期間、人工神経接続によるリハビリを行ったところ、人工神経接続を外しても、麻痺していた手を自在に動かせるようになっていた。
＜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？＞完全脊髄損傷患者・不完全脊髄損傷患者ともに腰髄の機能が残存していれば人工神経接続の即時効果があることが見出された。一方で、不完全脊髄損傷患者のみは6か月の介入により人工神経接続がなくても歩けるようになり機能回復した。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である2022年は、脊髄損傷患者の実験では現在行っている6か月の介入実験を継続して行い、介入後の脳内・脊髄内の神経の可塑的変化をMRIによる脳機能・構造画像と電気生理学的手法による皮質地図・脊髄地図の変化を縦断的に追う。
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