2017 Fiscal Year Annual Research Report
Developmental dynamics of human brain from pattern formation to generation of behaviors
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26220004
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
多賀 厳太郎 東京大学, 大学院教育学研究科(教育学部), 教授 (00272477)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 重人 京都大学, 医学研究科, 教授 (80432384)
藤本 仰一 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (60334306)
高橋 尚人 東京大学, 医学部附属病院, 教授 (50197159)
高桑 徹也 京都大学, 医学研究科, 教授 (40244933)
保前 文高 首都大学東京, 人文科学研究科, 准教授 (20533417)
佐藤 譲 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (30342794)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | 胎児 / 乳児 / 脳 / 睡眠 / NIRS / MRI / 複雑系 / ネットワーク |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒトの胚子・胎児・新生児・乳児の脳の構造と機能の発達について、イメージング・行動・理論モデルの研究を推進した。
(1) 胎児期MRIデータを用いて、手動及び半手動抽出による脳の３次元モデルの作成が可能になり、脳実質・脳室・神経核の形態形成についての定量的解析を行った。また、μCT画像を用いて、骨化済頭部骨格の三次元再構築を行い、MRIデータとμCTデータの統合を検討した。さらに、顎顔面の形成についての幾何学的形態計測を用いた解析、脳血流分配に重要な役割を果たすWillis輪の形成、聴覚器（中耳、内耳）の形成についても解析を行った。
(2) 新生児、３ヶ月児、６ヶ月児の睡眠時の多チャンネルfNIRSデータより、hPod（酸素化・脱酸素化ヘモグロビン位相）の分析を行い、脳活動および脳血流動態の発達についての脳領域依存性を明らかにした。生後２ヶ月から１０ヶ月の乳児のfNIRSデータにおいて、視聴覚刺激に対する応答・機能的ネットワーク・hPodの分析を行い、覚醒時と睡眠時の視聴覚処理の違いとその発達過程を明らかにした。生後３ヶ月児におけるfNIRS計測を行い、聴覚刺激の有無が睡眠中の自発活動の機能的ネットワークにもたらす影響について分析を行った。睡眠中の乳児において、fNIRSに加え、酸素飽和度・脳波・眼電図・筋電図・心電図・呼吸・体温のような生体信号計測を行い、動睡眠と静睡眠による脳活動の違いを分析した。
(3) 胎児期の脳溝形成について、皮質の物理的変形を表す数理モデルを定式化し、計算機シミュレーションを行った。皮質の表面に沿う方向の組織の成長率の不均一性が、溝形成を引き起こすことを見出した。また、曲がった皮質表面上の神経活動の伝搬モデルを構築し、興奮性の伝搬波は曲面上の最短経路を通ること、伝搬波の一部の分断が起きる現象等、曲面形状が神経活動伝搬に与える影響の一端を明らかにした。
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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
本研究は、ヒトの脳の発達に関して、胚子・胎児、新生児・病的児、乳児、理論モデルの４つの領域にまたがる課題を含んでいる。それぞれの領域での研究が進展するとともに、密な協力・連携の実施による、重要な成果も得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
脳の発達について、胚子・胎児、新生児、乳児、理論のそれぞれの領域・方法論に基づいて進めてきた研究をさらに深め発展させつつ、最終年度として、胚から乳児に至る脳の構造と機能の発達の包括的な理解を目指す。
胚子・胎児のMRI、μCT、組織切片のデータから、脳のマクロな形態の発達を明らかにするとともに、皮質の層構造の形成過程の定量化を行う。また、頭蓋骨と脳の発達の相関を明らかにする。これら形態学的データを基盤として、胚子期の脳形成から胎児期の脳溝や白質繊維ネットワーク形成を含む、形態形成の動的変化の全体像を明らかにする。さらに、こうした形態形成のメカニズムをモデル構築により理解する。エネルギー代謝と関連した組織の成長モデル、代謝と神経系の自発活動の動的モデル、連続体力学モデルによる大脳皮質の成長と折れ畳みの動的モデル、曲面での神経活動の反応拡散モデル、長距離結合を持つ神経場モデル等により、発達の各側面における本質的な事象を理解する。
一方、新生児から乳児期初期にかけての脳の機能発達において、特に睡眠に焦点を当てたNIRS、脳波、生体信号の計測を行い、代謝や脳血流動態をあらわすhPodの解析等を含め、多角的に脳活動の状態を定量化し、状態遷移を含めたダイナミクスを明らかにする。その上で、自発活動と刺激誘発活動との相互作用とその発達の機構を明らかにする。さらに、代謝、血流動態、神経活動の動的相互作用モデル、神経活動の動的パターン形成モデル等を構築し、乳児期の脳についての機能発達の過程を理論的に理解する。
最終的には、胚子・胎児期の脳の構造・機能発達過程と、生後の機能発現をつなぐ枠組みやモデルの構築を試み、胚から乳児に至る脳発達の包括的な理解を目指す。
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[Journal Article] Three-dimensional models of the segmented human fetal brain generated by magnetic resonance imaging2018
Author(s)
Yamaguchi Y, Miyazaki R, Kamatani M, Uwabe C, Makishima H, Nagai M, Katsube M, Yamamoto A, Imai H, Kose K, Togashi K, Yamada S
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Journal Title
Congenital Anomalies (Kyoto)
Volume: 58
Pages: 48-55
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Quantitation of nasal development in the early prenatal period using geometric morphometrics and MRI: a new insight into the critical period of Binder phenotype2017
Author(s)
Katsube M, Yamada S, Miyazaki R, Yamaguchi Y, Makishima H, Takakuwa T, Yamamoto A, Fujii Y, Morimoto N, Ito T, Imai H, Suzuki S
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Journal Title
Prenat Diag
Volume: 37
Pages: 907-915
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Three dimensional utilization of human embryo specimens of the “Kyoto Collection”2017
Author(s)
Makishima H, Katsube M, Miyazaki R, Yamaguchi Y, Kobayashi S, Uwabe C, Yamamoto A, Imai H, Yoneyama A, Funatomi T, Morimoto N, Takeda T, Nakatsukasa M, Kose K, Takakuwa T, Yamada S.
Organizer
第50回日本発生生物学会大会
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