Evaluation of physiological and pathological brain activities by simultaneous recording of single unit and intracranial EEG

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26462221
• Research Institution: Jichi Medical University
• Principal Investigator: 川合 謙介 自治医科大学, 医学部, 教授 (70260924)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 國井 尚人 東京大学, 医学部附属病院, 助教 (80713940)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: single neuron recording / epilepsy / brain / human / electroencephalography / intracranial electrode / intracranial EEG / epilepsy surgery

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、微小電極と従来の頭蓋内脳波を同時に計測することで、てんかんに代表される病的脳活動および言語・視覚認知に代表される生理的脳活動をより正確に検出し、病的および生理的脳活動の基盤となる機構を明らかにすることを目的とするものである。
これまでに、てんかん患者の外科治療目的で頭蓋内に電極を留置する際に、カスタムメイドの微小電極・頭蓋内脳波同時記録用のハイブリッド電極を作成、留置し、てんかん発作時や課題負荷時における神経活動の計測を行ってきた。
今年度は、顔面運動領域に留置したハイブリッド電極によって記録した、発声に関連した単一ニューロン活動を解析した。電極は微小針電極30極（長さ1.4mm～3.0mm）と円盤状電極2極からなるものである。合計14個のニューロンから活動電位が記録できた。測定された神経活動を特徴量としたデコーディングを sparse logistic regression 解析を用いて施行したところ、従来型の電極を用いた場合よりも高い母音識別精度が得られた。
本研究は、病的・生理的な神経活動の解析対象をマクロの脳波レベルからミクロの単一ニューロンレベルまで拡大し解析する点に特徴がある。特にヒトにおける微小電極・頭蓋内脳波の同時記録は、日本では初めてのものである。解析対象をミクロ側に拡大することで、これまで捉えられなかった神経活動が明らかとなり、てんかんの病態や生理的脳活動の基盤への理解をさらに深められる可能性が期待できた。臨床に直結する側面としては、てんかん焦点診断の質や外科治療成績を向上させ、機能マッピングの精度を高める可能性が期待でき、将来的には、埋め込み型のneuromodulation therapyとして、てんかん以外の脳神経疾患の治療や、障害者支援機器としてのブレイン・マシン・インターフェースの開発にも発展する可能性が示唆された。

Research Products

• [Journal Article] Long-term outcome and neuroradiologic changes after multiple hippocampal transection combined with multiple subpial transection or lesionectomy for temporal lobe epilepsy (2016)
  • Author(s): Usami, K. Kubota, M. Kawai, K. Kunii, N. Matsuo, T. Ibayashi, K. Takahashi, M. Kamada, K. Momose, T. Aoki, S. Saito, N.
  • Journal Title: Epilepsia Volume: 57 Pages: 931-940
  • DOI: 10.1111/epi.13374
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effect of vagus nerve stimulation on neural adaptation in thalamo-cortical system in rats (2016)
  • Author(s): Shiramatsu, T. I. Hitsuyu, R. Ibayashi, K. Kanzaki, R. Kawai, K. Takahashi, H.
  • Journal Title: Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc Volume: 2016 Pages: 1834-1837
  • DOI: 10.1109/EMBC.2016.7591076
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Machine Learning of DTI Structural Brain Connectomes for Lateralization of Temporal Lobe Epilepsy (2016)
  • Author(s): Kamiya, K. Amemiya, S. Suzuki, Y. Kunii, N. Kawai, K. Mori, H. Kunimatsu, A. Saito, N. Aoki, S. Ohtomo, K.
  • Journal Title: Magn Reson Med Sci Volume: 15 Pages: 121-129
  • DOI: 10.2463/mrms.2015-0027
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Decoding articulation by neuronal spike frequency and power spectrum recorded from human face motor cortex (2016)
  • Author(s): Ibayashi K, Matsuo T, Kunii N, Ishishita Y, Shimada S, Kawai K, Saito N
  • Organizer: 北米神経科学会
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center (San Diego, California, USA)
  • Year and Date: 2016-11-14 – 2016-11-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Decoding articulation by neuronal spike frequency and power spectrum recorded from human face motor cortex (2016)
  • Author(s): Ibayashi K, Matsuo T, Kunii N, Ishishita Y, Shimada S, Kawai K, Saito N
  • Organizer: Human Single Unit Meeting
  • Place of Presentation: Beckman Institute, California Institute of Technology (Pasadena, California, USA)
  • Year and Date: 2016-11-10 – 2016-11-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新型ハイブリッド型電極を用いたヒト顔面運動野の神経活動計測と平仮名調音のデコーディング (2016)
  • Author(s): 井林賢志、國井尚人、松尾健、石下洋平、嶋田勢二郞、川合謙介、斉藤延人
  • Organizer: 第3回 脳神経外科BMI懇話会
  • Place of Presentation: 旭川医科大学研究棟１階小講堂 (北海道、旭川市)
  • Year and Date: 2016-10-15 – 2016-10-15
• [Presentation] Decoding articulation of Japanese alphabet by unit firing pattern and power spectrum obtained from the human face motor cortex (2016)
  • Author(s): Ibayashi K, Matsuo T, Kunii N, Ishishita Y, Shimada S, Kawai K, Saito N
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 (神奈川県、横浜市)
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-20