2019 Fiscal Year Research-status Report
Real-time closed-loop interventions of epileptic seizures by non-invasive deep brain stimulation
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18KK0236
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| Research Institution | Nagoya City University |
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Principal Investigator |
竹内 雄一 名古屋市立大学, 大学院薬学研究科, 研究員 (70588384)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大澤 匡弘 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(薬学), 准教授 (80369173)
McHugh Thomas 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, チームリーダー (50553731)
春田 牧人 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (40733663)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2022-03-31
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| Keywords | てんかん / 脳波 / 実時間処理 / 脳深部刺激 / 前脳基底部 / 超音波 / 光遺伝学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
薬剤抵抗性の難治性側頭葉てんかんには、高侵襲な外科的手術以外に有効な治療法が乏しく、新たな治療法の開発が望まれる。我々は先行研究において、脳深部に位置する前脳基底核の直接刺激で側頭葉てんかんの発作症状を軽減できることを見いだした。ただしこの成果の臨床応用に際し、持続的脳深部刺激で生じる副作用および侵襲性が問題になる。そこで本研究では、これらの問題を発作時選択的な刺激のデリバリー法および頭蓋外から脳深部を刺激する技術の開発・導入により克服できるか検討することを目的とした。初年度は、ラット側頭葉てんかんモデルにおいて、てんかんの発作をリアルタイムに検出するアルゴリズムを確立した。さらにそのアルゴリズムを用いて発作時選択的な内側中隔核の電気刺激で症状を緩解できることを見いだした。昨年度は初年度の成果を受け、以下の項目を達成した。
1. 内側中隔核における細胞種特異的な抗てんかん作用の検討：グルタミン酸作動性、GABA作動性、コリン作動性神経細胞に特異的なCreラットとCre依存的に光感受性カチオンチャネル（ChR2)を発現するウイルスベクターを用い、各細胞種特異的にその活動性の光操作を試みた。その結果、主としてGABA作動性ニューロンが、発作時選択的な内側中隔核刺激による抗てんかん作用を担うと明らかになった。
2. 独自に開発した経頭蓋集束電気刺激法（ISP法: Voroslakos M et al, 2018）に関して、刺激装置の設計を見直し、刺激効率の向上を達成した。
3. 海外研究実施拠点であるセゲド大学において、研究代表者、研究分担者、海外研究協力者らで、新規経頭蓋超音波刺激装置の研究開発方針を決定した。
4. 研究成果応用のため、海外研究協力者Berenyi博士が中心となり、ニューヨーク大学における、ISP法の効果を検証する臨床研究のプロトコルを作成し、認証を得た。
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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
本研究における中心的課題の一つである、「側頭葉てんかんの発作をリアルタイムに検出するアルゴリズムの確立」を既に達成したため。さらにそのアルゴリズムを利用した、側頭葉てんかんの発作のリアルタイム制御も、おおむね事前に想定していた精度で達成できている。そのため「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果を受け、本研究のもう一つの中心的課題「経頭蓋的に脳深部を刺激する技術」の開発を継続する。具体的には以下の研究項目に取り組む。
1. 内側中隔核における刺激タイミング依存的な発作終息作用の検討：内側中隔核の刺激プロトコルを最適化するため、発作の指標である集合後発射電位（てんかん波）をリアルタイムに検出し、各てんかん波の検出と刺激の間に０－６０ミリ秒の遅延時間を導入することで、刺激タイミング依存的な発作終息作用を検討する。
2. 経頭蓋集束電気刺激法による脳深部刺激法の確立：独自に開発した経頭蓋集束電気刺激法（ISP法）を用い、頭蓋外から内側中隔核をオンデマンドかつ選択的に刺激することで、てんかん発作を緩解する手法を開発する。まず麻酔下動物の頭蓋外に内側中隔核に刺激焦点をデザインした電極対セットを留置し、刺激を行う。刺激の集束精度は、電気生理学的手法および免疫組織化学的手法で評価する。内側中隔核への選択的刺激法を確立し次第、てんかんラットを用いてオンデマンド刺激による発作制御実験を行う。
3. 新しい経頭蓋脳深部刺激法の開発：最近報告されたポリマーによる新規超音波トランスデューサー技術を応用し、神経活動の修飾が可能な超音波刺激装置の開発を行う。プロトタイプが完成し次第、in vitroによる出力測定および麻酔下動物における電気生理記録により、その刺激装置の性能を評価する。また近赤外刺激による脳深部刺激法を開発する。即ち近赤外光を青色可視光に変換できるナノ粒子を介し、低侵襲に脳深部を光刺激できる方法を確立する。まずナノ粒子をChR2導入した内側中隔核に投与し、光ファイバーを介して近赤外光を直接照射することで、内側中隔核を介して海馬における局所電場電位を操作可能か、麻酔下動物で検討する。次に頭蓋外から照射した近赤外光で内側中隔核および海馬の神経活動を操作できるか検討する。
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| Causes of Carryover |
研究代表者が海外研究実施拠点（セゲド大学）において研究分担者と共同で行う実験に関して、事前の電子メールおよびSkype等による打ち合わせにより、研究代表者が単独で実施することが可能になり、研究分担者らが渡航費・滞在費の支出を取りやめたため。また当該年度予定していたウイルスベクターの作製実験を、本年度の実験結果に応じて翌年度行う計画に変更したため。その他、実験の進展に応じて、電極類、光学・電子部品類、遺伝子改変動物の飼育費など、消耗品の必要数量に変更が生じたため。
繰り越し分は翌年度請求分と合わせて、消耗品費、ウイルスベクター作製費、小型刺激デバイス開発費、研究代表者および研究分担者の海外研究実施拠点への渡航費・滞在費として使用する予定である。
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Research Products
(18 results)
