2020 Fiscal Year Annual Research Report
A study of biological plasticity behind brain-machine interface learning
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19H03983
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
牛場 潤一 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (00383985)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 崇弘 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 助教 (70759886)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ブレイン・マシン・インターフェース / 運動学習 / 可塑性 / カルシウムイメージング / 運動皮質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「皮質脳波とカルシウム動態信号の同時計測系の確立による神経活動実体の同定」小型蛍光顕微鏡nVistaは、脳へ直接埋め込んだ光ファイバーから皮質ニューロン活動由来のカルシウム動態信号を大規模に取得する装置である。応募者は装置開発者のMark Schnitzer博士(Stanford大学生命応用物理学科准教授、Investigator of Howard Hughes Medical Institute)と共同でこれをマーモセットに適用し、世界で初めて運動野での随意運動中の皮質ニューロン活動(200個同時)を長期間計測(6ヶ月)することに世界で初めて成功した (Cell Reports 24(8):2191-5, 2018)。令和2年度はこの技術を応用し、BMI用硬膜上電極に作られた微小窓から光ファイバーを脳内挿入して、運動関連脳波発生中の皮質ニューロン由来のカルシウム動態信号を同時計測する系を確立し、１個体でその計測妥当性を検証することができた。具体的な取り組みとして次の3点を実施した。(1)中央部に微小窓がレイアウトされたBMI用硬膜上電極の設計と製造。(2)硬膜上電極に干渉しない光ファイバー用マウンタの設計とマーモセット頭部への組み込み。(3)硬膜上電極から記録される運動関連皮質脳波と光ファイバーから記録される皮質ニューロン由来カルシウム動態信号の同期的記録法の確立。パイロットスタディとして1個体での運用を実現し、硬膜上電極からの電気信号記録と神経細胞カルシウムイメージングの併用によるデータ取得を確認した。検証のため、硬膜上電極から微弱な定電流を流し続けた時の神経細胞カルシウムイメージングを実施したところ、電流の印加や極性変更にともなう神経細胞活動の変動が確認された。
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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
令和2年度はこの技術を応用し、BMI用硬膜上電極に作られた微小窓から光ファイバーを脳内挿入して、運動関連脳波発生中の皮質ニューロン由来のカルシウム動態信号を同時計測する系を確立し、１個体でその計測妥当性を検証することを研究計画に挙げていたが、本年度は計画通りにこれを実現することができた。概要に挙げたとおり、具体的な取り組みとして次の3点を実施した。(1)中央部に微小窓がレイアウトされたBMI用硬膜上電極の設計と製造。(2)硬膜上電極に干渉しない光ファイバー用マウンタの設計とマーモセット頭部への組み込み。(3)硬膜上電極から記録される運動関連皮質脳波と光ファイバーから記録される皮質ニューロン由来カルシウム動態信号の同期的記録法の確立。
パイロットスタディとして1個体での運用を実現し、硬膜上電極からの電気信号記録と神経細胞カルシウムイメージングの併用によるデータ取得を確認することも当初計画通り達成することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である令和3年度は、「BMIによる神経可塑性誘導と生物学的評価」を活動方針として研究を推進する計画である。具体的には、令和2年度に確立した「皮質脳波とカルシウム動態信号の同時計測が可能なマーモセット」に対して令和元年度に開発したBMI技術を適用し、皮質脳波で駆動するBMIを使用している際にみられる皮質ニューロン活動の大規模記録を実現することに挑戦する。
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