2019 Fiscal Year Research-status Report
New diagnostic method for Parkinson's disease by multimodal imaging
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19K17244
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| Research Institution | Juntendo University |
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Principal Investigator |
鎌形 康司 順天堂大学, 医学部, 准教授 (60568153)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 神経メラニンMRI / 深層学習 / 神経突起イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的はマルチモーダルMRI解析を用いて、客観的PD診断評価法の開発とPD病態の神経基盤を解明することである。
本年度は“客観的PD診断評価法の開発”として、神経メラニンMRIの自動定量を可能とする人工知能手法を開発し報告した（Le Berre, et al. Neuroradiol 2019）。従来、神経メラニンMRIで黒質緻密部のメラニン信号を定量する際には測定者が黒質緻密部を用手的にトレースする必要があり、測定に時間がかかる点、観察者の恣意が入りうる点などが問題であった。そこで我々はU-netと呼ばれる深層学習法を用いた神経メラニンMRIを基に黒質緻密部の自動抽出を精度良く行う手法を開発した。さらに“客観的PD診断評価法の開発”の有用な候補として期待される神経突起イメージング（NODDI）の精度評価を行い、異なるMRI装置を用いても定量値の再現性が高いことを報告した（Andica C, et al. Neuroradiol 2020）。また自由水イメージングを用いるとPDにおける神経炎症を反映すると思われる変化を検出しうることを報告した（Andica C, et al. Cells 2019）。
さらに本研究のもう一つの目的である“PD病態の神経回路基板解明”を達成すべく、本年度はPD患者の生活の質に大きな影響を与える認知障害・精神症状に焦点を絞り検討を行い、神経突起イメージングを用いて認知障害・精神症状を伴うPDでは後頭・頭頂葉など脳の後方部分の神経突起密度指標の低下が強いという神経基盤解明につながる新知見を得た（Andica C, J Neurosci Res. 2020）。
加えて、これらの研究結果を含む総説論文を発表し、広く研究結果の普及に努めた（Andica C, J Magn Reson Imaging 2019）。
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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
当初の今年度の研究計画は、特発性PD及び類縁疾患患者・健常者（PD患者50例、類縁疾患患者50例、健常対照者50例）を対象に高精度MRIデータを臨床データ（詳細な臨床情報、神経心理検査、血液・髄液データなど）と共に取得することであった。
本年度は当初の研究計画に沿って、特発性PD及び類縁疾患患者・健常者（PD及び類縁疾患患者100名、健常対照者50名程度）のMRIデータ・臨床データ収集を終えており、研究は計画通り順調に進行している。
さらに既存データを用いて、本研究の目的である“客観的PD診断評価法の開発”として、神経メラニンMR Iの自動定量を可能とする人工知能アルゴリズムの開発を行った（Le Berre, Neuroradiol 2019）。さらに“客観的PD診断評価法の開発”の有用な候補として期待される神経突起イメージング（NODDI）の精度評価を行い、異なるMRI装置を用いても定量値の再現性が高いことを報告した（Andica C, et al. Neuroradiol 2020）。合わせて、本研究のもう一つの目的である“PD病態の神経回路基板解明”を達成すべく、本年度はPD患者の生活の質に大きな影響を与える認知障害・精神症状に焦点を絞り検討を行い、認知障害・精神症状を伴うPDでは後頭・頭頂葉など脳の後方部分の神経突起密度指標の低下が強いという知見を得た（Andica C, J Neurosci Res. 2020）。PDの認知障害・精神症状は後頭・頭頂葉の神経突起密度の変化がその神経基盤となっている可能性を示している。さらにこれらの研究結果を含む総説論文を発表し、広く研究結果の普及に努めた（Andica C, J Magn Reson Imaging 2019）。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究遂行に必要なPD及び類縁疾患患者のリクルートは当初の計画通り順調に進行している。次年度も引き続き、PD及び類縁疾患患者のリクルートを進め、高精度MRIデータを臨床データ（詳細な臨床情報、神経心理検査、血液・髄液データなど）と共に取得する。
さらに収集したMRIデータを元にマルチモーダルMRI解析を用いて、客観的PD診断評価法の開発とPD病態の神経基盤解明を進める。具体的には取得データを元に定量MRI解析を行い、脳容積・皮質厚・神経突起イメージング定量値・拡散MRI定量値、メラニン量、脳ネットワーク指標などを算出し、他の神経変性性パーキンソニズムなど類縁疾患や健常群との比較を行い、PD脳で生じている特異的な変化を検出する。特定された脳領域および定量値変化について、疾患重症度や罹病期間との相関解析を行い、疾患進行による定量値変化を検討する。合わせて、ドパミントランスポーターSPECTを用いて線条体におけるドパミン活性の定性・半定量化を行い、他のPD類縁疾患との集積分布の違い、半定量値の変化を同定する。さらに得られた解析結果を用いて統合的なマルチモーダル解析を行い、客観的PD診断を可能とする定量値算出を行い、重症度・罹病期間との相関解析を行う。併せて定量値が変化する脳領域を抽出し、PD病態の神経基盤同定を目指す。
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| Causes of Carryover |
当初、本研究課題に関連する研究結果の発表を予定していた第22回日本ヒト脳機能マッピング学会がコロナウイルス蔓延の影響で次年度へ延期となったため、出張費用への支出がキャンセル料のみとなったため。次年度使用額は延期となった第22回日本ヒト脳機能マッピング学会への参加費用に充当するものとする。
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[Journal Article] Scan-rescan and inter-vendor reproducibility of neurite orientation dispersion and density imaging metrics2020
Author(s)
Andica C, Kamagata K, Hayashi T, Hagiwara A, Uchida W, Saito Y, Kamiya K, Fujita S, Akashi T, Wada A, Abe M, Kusahara H, Hori M, Aoki S.
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Journal Title
Neuroradiology
Volume: 62
Pages: 483-494
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Convolutional neural network-based segmentation can help in assessing the substantia nigra in neuromelanin MRI2019
Author(s)
Le Berre A, Kamagata K, Otsuka Y, Andica C, Hatano T, Saccenti L, Ogawa T, Takeshige-Amano H, Wada A, Suzuki M, Hagiwara A, Irie R, Hori M, Oyama G, Shimo Y, Umemura A, Hattori N, Aoki S.
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Journal Title
Neuroradiology
Volume: 61
Pages: 1387～1395
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Linked alterations in microstructural morphology of white matter in patients with Parkinson’s disease: A multimodal magnetic resonance imaging study2019
Author(s)
Koji Kamagata Kouhei Kamiya, Yuya Saito, Taku Hatano, Christina Andica, Tomoko Maekawa, Shohei Fujita, Asami Saito, Takashi Ogawa, Genko Oyama, Haruka Takeshige-Amano, Yasushi Shimo, Akifumi Hagiwara, Masaaki Hori, Nobutaka Hattori, Shigeki Aoki
Organizer
ISMRM 27th annual meeting and exhibition
Int'l Joint Research
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[Presentation] Free-Water Imaging Improves the Evaluation of White and Gray-Matter in Early Parkinson’s Disease2019
Author(s)
Christina Andica, Koji Kamagata, Taku Hatano, Yuki Takenaka, Asami Saito, Mana Kuramochi, Wataru Uchida, Akifumi Hagiwara, Takashi Ogawa, Haruka Takeshige-Amano, Masaaki Hori, Nobutaka Hattori, Shigeki Aoki
Organizer
ISMRM 27th annual meeting and exhibition
Int'l Joint Research
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[Presentation] 早期パーキンソン病における白質と灰白質のfree water imaging2019
Author(s)
クリスティナ・アンディカ, 鎌形 康司, 波田野 琢, 小川 崇, 竹重 遥香, 大山 彦光, 下 泰司, 梅村 淳, 堀 正明, 青木 茂樹, 服部 信孝
Organizer
第13回パーキンソン病・運動障害疾患コングレス
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[Presentation] パーキンソン病患者における衝動制御障害と白質微小構造の検討2019
Author(s)
竹重 遥香, 波田野 琢, 鎌形 康司, Andica Christina, 小川 崇, 下 泰司, 大山 彦光, 梅村 淳, 伊藤 賢伸, 堀 正明, 青木 茂樹, 服部 信孝
Organizer
第13回パーキンソン病・運動障害疾患コングレス
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[Presentation] LIDがあるパーキンソン病患者では白質構造が保たれる2019
Author(s)
小川 崇, 波田野 琢, 竹重 遥香, Andica Christina, 齊藤 麻美, 鎌形 康司, 濃沼 崇博, 中村 亮太, 岩室 宏一, 大山 彦光, 下 泰司, 梅村 淳, 伊藤 賢伸, 青木 茂樹, 服部 信孝
Organizer
第13回パーキンソン病・運動障害疾患コングレス
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[Presentation] Uncovering the heterogeneity and temporal complexity of Progressive supranuclear palsy and Parkinson's disease with Subtype and Stage Inference2019
Author(s)
Koji Kamagata, Taku Hatano, Christina Andica, Wataru Uchida, Yuya Saito, Mana Kuramochi, Takashi Ogawa, Haruka Takeshige, Akifumi Hagiwara, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Genko Oyama, Yasushi Shimo, Masaaki Hori, Nobutaka Hattori, Shigeki Aoki
Organizer
第47回日本磁気共鳴医学会大会
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[Presentation] Intra- and Inter-scanner Variability of Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging in the White and Gray Matter of Healthy Subjects at 3T MRI2019
Author(s)
Christina Andica, Koji Kamagata, Wataru Uchida, Kouhei Kamiya, Akifumi Hagiwara, Mana Kuramochi, Shohei Fujita, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Masahiro Abe, Hiroshi Kusahara, Masaaki Hori, Shigeki Aoki
Organizer
第47回日本磁気共鳴医学会大会
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[Presentation] Fibre-specific white matter reductions in Parkinson's disease2019
Author(s)
Ayumi Kato, Koji Kamagata, Taku Hatano, Christina Andica, Wataru Uchida, Yuya Saito, Takashi Ogawa, Haruka Takeshige, Akifumi Hagiwara, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Genko Oyama, Yasushi Shimo, Masaaki Hori, Nobutaka Hattori, Shinya Fujii, Shigeki Aoki
Organizer
第47回日本磁気共鳴医学会大会
