経頭蓋脳刺激と超高磁場MRIで解き明かす運動記憶の神経基盤

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K19629
• Research Institution: National Institute for Physiological Sciences
• Principal Investigator: 濱野 友希 生理学研究所, システム脳科学研究領域, NIPSリサーチフェロー (00823254)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 運動記憶 / 記憶痕跡 / 超高磁場MRI / 経頭蓋磁気刺激

Outline of Annual Research Achievements

本申請課題では、系列運動学習により形成された実行に不可欠な系列運動の記憶痕跡は、使用する手によらず左半球頭頂間溝（左半球aIPS）に偏在することを明らかにすることを目的としている。使用する手によらず運動記憶痕跡が左半球aIPSにて形成されるのであれば、両手で系列学習を行った際にも変わらず同領域に記憶痕跡が偏在するという仮説を立証するため、両手で行う系列運動学習を用いたfMRI実験を行った。
両手の手指系列学習には、常に同じ指で打鍵するミラー条件と、空間的には同じ位置だが異なる指で打鍵するパラレル条件とランダム打鍵を繰り返し行う課題を用いた。これらの条件を設定することで、運動実行に必要な処理過程の複雑さによる影響にかかわらず、系列運動に関する記憶を共通して保持する脳領域を明確にできると考えている。この条件を繰り返す課題を用いて、超高磁場fMRI（7テスラMRI）実験を行なった。
右利きの被験者３０人を対象とし、7テスラMRI装置内で両手を用いた系列運動技能を学習している間にfMRI計測を行った。ミラーとパラレルの各学習条件において、視覚刺激を手掛かりに打鍵する学習エポックと、打鍵を行わない休憩エポックを等時間間隔で交互に実行した。実行に伴う課題関連活動成分を一般線形モデルによって評価した後、残差時系列を対象とするEigenvector centrality(EC）解析を用いて記憶痕跡を保持する領域を同定する。データ取得は今年度完了したため、現在解析を進めているところである。予想される結果として、両手により学習を強いられるミラー条件とパラレル条件では、系列運動の記憶痕跡は左aIPSにてECの上昇により描出されるが、学習の起きえないランダム条件では左半球aIPSのEC値に変化はないと考えられる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2020年より流行している感染症の影響により、申請書に記載した年次計画に沿って実験を進めることができなかった。経頭蓋刺激を用いた実験については新規の倫理申請を行う必要があり、予定よりも承認が大幅に遅れた。そのため、申請者がこれまで扱っていた超高磁場MRI装置を用いて、両手での系列運動学習の記憶痕跡を同定する研究を先に進めるように計画を修正した。また、学習過程の実行様式に応じて異なる脳領域に形成される系列運動技能に関する記憶痕跡を、実行に際してどのように統合し出力するのかについて検証する実験を、7テスラMRI装置を用いて完了し、国際誌へ投稿中である。
当初、申請者が予定していた経頭蓋刺激を扱う実験は、経頭蓋刺激の経験が豊富である東京都医学総合研究所の菅原翔主任研究員が、研究協力者として実験へ向けた準備を進めている。

Strategy for Future Research Activity

左半球aIPSに保持された記憶痕跡の運動実行時の役割を経頭蓋刺激を用いて検討する実験は、東京都医学総合研究所にて実施する。より局所的な刺激が可能な磁気刺激装置を用いる計画へと変更し、反復経頭蓋磁気刺激を用いた倫理申請を進めている。感染症の流行が続いているため、外部から参加者を募って行う研究が困難な状況が今後も継続すると予想される。状況が好転した後、速やかに本実験を進められるよう、予備実験等を進めていく方針である。
昨年度実施した7テスラMRI装置を用いた両手での系列運動学習に関する研究について、順調に解析を進めており、年度内には国際誌へ投稿することを目指している。

Causes of Carryover

2020年から世界的に流行している感染症の影響で国内外の学会のみならず、実験をも行うことが困難になったため、各予定額より大きく差額が生じている。学会や実験打ち合わせなども可能な限りオンラインで行われているため、旅費にも大きな差額が生じている。
2021年度は、未だこの感染症がどう影響するか予想がつかない。しかし、この感染症禍の中、いかに申請課題の実験を進めるかが重要となる。2020年度より得た感染症禍での最前に実験を行う知識を生かし、差額の分を可能な限り実験を行える環境づくり、また実験参加者に対する実験参加謝金として使用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Enhanced structural connectivity within the motor loop in professional boxers prior to a match (2021)
  • Author(s): Yuichi Ogino, Hiroaki Kawamichi, Daisuke Takizawa, Sho K. Sugawara, Yuki H. Hamano, Masaki Fukunaga, Keiko Toyoda, Yusuke Watanabe, Osamu Abe, Norihiro Sadato, Shigeru Saito & Shigeru Furui
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Pages: 9015
  • DOI: 10.1038/s41598-021-88368-4
  • Peer Reviewed / Open Access