デフォルトモードネットワークの動作原理と機能解明

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Non-linear Neuro-oscillology: Towards Integrative Understanding of Human Nature
• Project/Area Number: 16H01626
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 林 拓也 国立研究開発法人理化学研究所, ライフサイエンス技術基盤研究センター, チームリーダー (50372115)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 安静時機能MRI / 独立成分分析 / 機能ネットワーク / 共振活動

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、デフォルトモードネットワーク（DMN）がどういった行動や脳機能を担うのか、DMNが他の神経機構とどのように関連しているか、の２つのアプローチで調べることでDMNの成因や機構を明らかにすることを目的とする。今年度は、基盤技術として重要な安静時脳活動・DMNの測定法の確立を進めた。再現性高い安静時脳活動・DMN測定のために独自にマルチアレイコイルの開発を行った。これにより高いＳＮ比と時間分解能の安静時機能ＭＲＩ画像を取得することが可能となった。安静時脳活動測定用に開発した麻酔法により安定した麻酔かけたマカクサル10頭において機能的MRI撮像（時間分解能0.75秒、50分×2回）を行った。また高精度・高効率な解析のために大脳皮質と皮質下構造物の標準座標（灰白質座標）への変換、構造的雑音判定と除去システムの構築を進め、これにより雑音の非常に少ない灰白質座標における時空間情報が取得できた。また大容量の安静時脳活動データを解析するために、並列計算による特異値分解・主成分分析を行い、その結果について独立成分分析を行う解析パイプラインを構築した。これにより従来法では計算時間・数週間、メモリー（RAM)を1TB以上を要する計算がそれぞれ１日、128G以下に短縮化できた。10頭の群として脳機能ネットワークを低次元(n=5)から高次元（n=）まで抽出・分解することに成功した。今後これら脳機能ネットワークの皮質分布に基づいたマルチモーダル皮質表面位置合わせ技術の融合を行い、さらなる高精度な皮質機能マップの解明を進める予定である。また新学術領域の他の研究班との融合的研究を積極的に推進した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

高性能な画像を得られるコイルが予定通り構築されたことにより、解析技術の開発も順調に進んだ。

Strategy for Future Research Activity

今後ＤＭＮの測定法の技術をさらに精度を向上し再現性高く機能ネットワークを抽出する技術を確立する。さらに他の神経機能（たとえばドパミン機能等）とＤＭＮの関係性、覚醒レベルとＤＭの関係性について調査を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ロンドン大学(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: ロンドン大学
• [Int'l Joint Research] ワシントン大学セントルイス(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ワシントン大学セントルイス
• [Journal Article] Molecular, Functional, and Structural Imaging of Major Depressive Disorder (2016)
  • Author(s): Zhang Kai, Zhu Yunqi, Zhu Yuankai, Wu Shuang, Liu Hao, Zhang Wei, Xu Caiyun, Zhang Hong, Hayashi Takuya, Mei Tian.
  • Journal Title: Neuroscience bulletin Volume: 32(3) Pages: 273-85
  • DOI: 1007/s12264-016-0030-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] A ‘grayordinate’ pipeline for magnetic resonance imaging of marmoset brain (2016)
  • Author(s): Hayashi Takuya, Glasser Matthew F, Yokoyama Chihiro, Ose Takayuki, Takeda Chiho, Kawasaki Akihiro, Autio Joonas, Van Essen David. A
  • Organizer: 第6回 日本マーモセット研究会大会
  • Place of Presentation: 東京大学農学部弥生講堂、東京
  • Year and Date: 2016-12-12 – 2016-12-12
• [Presentation] In vivo dopamine D2 receptor binding in the brain cortical surface of humans, macaque monkeys and common marmosets (2016)
  • Author(s): Yokoyama Chihiro, Autio Joonas, Kawasaki Akihiro, Takeda Chiho, Takahashi Kayo, Igesaka Ami, Doi Hisashi, Hayashi Takuya
  • Organizer: 第6回 日本マーモセット研究会大会
  • Place of Presentation: 東京大学農学部弥生講堂、東京
  • Year and Date: 2016-12-12 – 2016-12-12
• [Presentation] A ‘grayordinate’ pipeline for magnetic resonance imaging of marmoset brain (2016)
  • Author(s): Hayashi Takuya, Glasser Matthew F, Yokoyama Chihiro, Ose Takayuki, Takeda Chiho, Kawasaki Akihiro, Autio Joonas, Van Essen David
  • Organizer: Neuroscience 2016(Society for Neuroscience, SfN)
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, San Diego, United States
  • Year and Date: 2016-11-12 – 2016-11-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plastic resting-state network changes in MPTP-treated monkeys (2016)
  • Author(s): Autio Joonas, Tanki Nobuyoshi, Ose Takayuki, Takahashi Jun, Hayashi Takuya
  • Organizer: Neuroscience 2016(Society for Neuroscience, SfN)
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, San Diego, United States
  • Year and Date: 2016-11-12 – 2016-11-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In vivo cortical dopamine D2 receptor binding in humans, macaques and marmosets (2016)
  • Author(s): Yokoyama Chihiro, Autio Joonas, Ose Takayuki, Kawasaki Akihiro, Takeda Chiho, Takahashi Kayo, Igesaka Ami, Doi Hisashi, Watanabe Yasuyoshi, Hayashi Takuya
  • Organizer: Neuroscience 2016(Society for Neuroscience, SfN)
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, San Diego, United States
  • Year and Date: 2016-11-12 – 2016-11-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preclinical perspectives on the mechanism of aberrant brain network and dopamine dysfunction (2016)
  • Author(s): Hayashi Takuya, Autio Joonas
  • Organizer: 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター脳病態統合イメージングセンター5周年記念国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 国立精神・神経医療研究センター、東京
  • Year and Date: 2016-07-29 – 2016-07-29
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cortical surface and brain volume atlases of high-resolution diffusion and structural MRI in rhesus macaques (2016)
  • Author(s): Hayashi Takuya, Glasser Matthew F, Urayama Shin-ichi, Ose Takayuki, Watabe Hiroshi, Onoe Kayo, Tanki Nobuyoshi, Autio Joonas, Murata Yumi, Higo Noriyuki, Onoe Hirotaka, Van Essen David
  • Organizer: OHBM2016
  • Place of Presentation: Palexpo Exibision and Cogress Centre, Geneva, Switzerland
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Funded Workshop] Moleculer Imaging Seminar (2016)
  • Place of Presentation: 理化学研究所 ライフサイエンス技術基盤研究センター、神戸
  • Year and Date: 2016-08-01 – 2016-08-01