2019 Fiscal Year Research-status Report
非侵襲的言語マッピング法の開発：刺激介入から脳情報解読へのパラダイムシフト
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18K19514
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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) |
下竹 昭寛 京都大学, 医学研究科, 特定助教 (80726000)
山尾 幸広 京都大学, 医学研究科, 特定病院助教 (90736810)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | 言語 / 皮質脳波 / 皮質皮質間誘発電位 / デコーディング / 脳磁図 / 神経心理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
非侵襲的言語マッピング法の開発を目指して、研究を推進した。言語優位半球に頭蓋内電極を留置した難治部分てんかん患者のうち研究に同意を得た者を対象に以下を行った。中核言語ネットワークの参照データ作成において、ネットワーク地図のための皮質皮質間誘発電位(CCEP)の波形パターンの分類と解剖学的分布について明らかにした（論文公開１報、準備中１報）。術中の低頻度刺激介入によるCCEP計測から、背側と腹側言語ネットワークの結合様式を明らかにし、下側頭回の前後軸で機能・結合の両面から勾配が存在することを明らかにした（論文公開１報）。刺激介入による複数の言語課題を用いた言語マッピング結果の主成分分析から中核の言語機能を抽出し、これらの中核言語機能に基づいた脳内の結合様式について症例を増やし解析をすすめた（国内学会発表）。皮質電気刺激に替わる低侵襲的脳機能マッピング法として、運動関連の皮質脳波の脳律動解析の手法やCCEPを用いた補足運動野機能の術中モニタリング法を考案し（論文公開2報）、言語機能マッピングの基盤の手法を確立した。臨床マッピングで用いる高頻度皮質電気刺激の刺激伝播の影響につき、刺激中の遠隔放電を解析し、ネットワークレベルの機能発現の観点から解析を進めた。非刺激介入の言語課題下の誘発皮質律動解析として、類義語判断課題の皮質脳波の高周波律動から前部側頭葉における意味処理のハブ機能について明らかにした（国内学会発表）。言語ネットワークの動態解析として、呼称課題下の皮質脳波に自然言語処理を応用し、言語情報と皮質脳波データの言語関連領域間のコヒーレンス解析により言語ネットワークの結合動態の解明を進めた（国際学会発表）。これらの研究内容を招待講演として国内・国際学会で成果発表した。
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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
理由：研究計画の下記項目それぞれにつき成果が挙げている。
A．中核言語ネットワークの参照データ作成：基本となる研究として①脳内ネットワークの青写真となるCCEP波形分類や解剖的分布・特徴、②低侵襲の脳機能マッピング法について学会発表、論文３報公開した。中核言語野の言語課題の障害程度と結合様式については、術中の腹側・背側言語ネットワークの結合様式を明らかにし（論文1報）、主成分解析を応用して症例数を増やし学会発表した。
B．デコーディングによるネットワーク内の重み付け評価：非刺激介入の言語関連課題として意味判断課題や類義語判断課題の皮質脳波の高周波律動から前部側頭葉における視覚性・聴覚性意味処理の機能について研究を進め、国内学会発表を行った。今後、言語課題脳波律動のデコーディングから各電極の誘発神経活動の重み付けを評価するために、引き続き症例蓄積とあわせて脳波データ解析を行っていく。
C．数理モデルによるネットワーク動態解析：言語ネットワークの動態解析として、呼称課題下の自然言語処理を応用した皮質脳波のコヒーレンス解析により言語領域間のネットワークの結合動態を10例に解析し国際学会発表した。今後、至適な数理モデルによる解析手法を検討しネットワーク動態の解明をめざす。
D．侵襲的頭蓋内研究から非侵襲脳波研究への橋渡し：代表研究者の異動に伴い、脳磁図計測に替えて、ウェアラブル対応可能なポータブル脳波計を導入し、より自然な環境下の言語関連機能の脳波計測から言語生理マーカーの開発を行う方針とし、基礎検討を始めた。
以上、研究計画のA~C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。DについてはA~Cの結果を踏まえて着手していく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
下記A～Dの項目に沿って、症例を蓄積しながら研究を進める。
A．中核言語ネットワークの参照データ作成：高頻度・低頻度電気刺激から、言語機能の皮質機能地図と皮質間結合地図を探索する。症例を蓄積し、主成分解析で抽出された各機能の高頻度刺激による障害程度と結合様式（言語関連領域との結合強度および数）からネットワーク内のハブとノードの同定をめざす。
B．デコーディングによるネットワーク内の重み付け評価：物品呼称、復唱、意味判断課題を課し、誘発皮質脳律動を計測する。各物品・単語の意味・音韻属性を用いた機械学習(LASSO)や相関（重回帰）解析から言語表出（音韻処理）と理解（意味表象）の脳内活動のデコーディングを行う。全電極の皮質脳律動パターンから、各電極の誘発神経活動の重み付けを判定をめざす。
C．数理モデルによるネットワーク動態解析：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、グランジャー変法(event-related causality: ERC)や多次元因果性解析といったネットワーク解析から、言語課題遂行中の言語領域間のネットワークの結合動態を明らかにする。症例を追加し、至適条件を検討しながら引き続き解析を行う。刺激介入の中核データ(A)と照合し、デコーディング・ネットワーク解析のパラメーター調整と至適化(B,C)から、非介入（非侵襲）言語ネットワークマッピング法の開発を目指す。
D．侵襲的頭蓋内研究から非侵襲脳波研究への橋渡し：A～Cで最適化された言語関連課題をウェアラブル脳波計測に応用し、正常被験者での計測を行う。次に脳外科手術を施行する患者を対象として、術前後に計測した脳波と言語神経心理データとの照合から、言語機能の生理的バイオマーカーの探索を目指す。言語関連課題が選定された時点で患者計測に着手する。
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| Causes of Carryover |
（理由）研究にリクルートした患者が予定より少なく、電極などの消耗品の購入が少なかった。このため計測脳波データの解析用ワークステーションおよび解析ソフトの購入、関連の消耗品費の購入が次年度の予定となったため。
（使用計画）
言語／意味認知課題下の皮質記録を行うにあたり、頭蓋内電極(ステレオ脳波深部電極)の消耗品費を次年度に計画する。関連の解析用ワークステーションとデータ保存用ネットワークハードディスク（設備備品費）、解析ソフト（消耗品費）の購入を予定する。ウェアラブル脳波計計測での計測系の確立に、正常被験者1回5千円 ｘ 2回 x 人数分の使用料を予定する。得られた研究成果を国内外の学会で発表し（研究成果発表：外国旅費、国内旅費）、また国内外共同研究者とのディスカッションを経て学術論文にまとめる（外国旅費、国内旅費、論文投稿費）。
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[Journal Article] Engagement of cortico-cortical and cortico-subcortical networks in a patient with epileptic spasms: An integrated neurophysiological study2020
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
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Journal Title
Clinical Neurophysiology
Volume: 0
Pages: in press
Peer Reviewed
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[Journal Article] Intraoperative electrophysiological mapping of medial frontal motor areas and functional outcomes2020
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
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Journal Title
World Neurosurgery
Volume: 4
Pages: in press
DOI
Peer Reviewed
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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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[Journal Article] A score to map the lateral non-primary motor area: multi-spectrum intrinsic brain activity vs. cortical stimulation2019
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
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Journal Title
Epilepsia
Volume: 60
Pages: 2294-2305
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Human entorhinal cortex electrical stimulation evoked short-latency potentials in the broad neocortical regions: Evidence from cortico-cortical evoked potential recordings2019
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
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Journal Title
Brain and Behavior
Volume: 9
Pages: e01366
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[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
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[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
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[Presentation] Assessment of language tasks in electrical cortical stimulations (ECS) for efficient functional mapping in epilepsy surgery2019
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
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[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
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[Presentation] Human motor control network as revealed by CCEP connectivity analysis of the negative motor area2019
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
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[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
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