Neural circuit maniulation in post-storke critical periods for functional recovery

• Project Area: Inducing lifelong plasticity (iPlasticity) by brain rejuvenation: elucidation and manipulation of critical period mechanisms
• Project/Area Number: 20H05923
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 牛場 潤一 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (00383985)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥73,970,000 (Direct Cost: ¥56,900,000、Indirect Cost: ¥17,070,000); Fiscal Year 2021: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000); Fiscal Year 2020: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000)
• Keywords: ブレイン・マシン・インターフェース / 脳可塑性 / 磁気共鳴画像 / 回復曲線 / 脳卒中片麻痺 / 可塑性 / 神経機能再生 / 体性感覚運動野 / 頭皮脳波

Outline of Research at the Start

本研究計画では、標的脳領域に選択的に作用する次世代型BMI技術を脳卒中後の臨界期に経日的に適用して、機能代償回路の形成をガイダンスすることに挑戦し、機能回復臨界期が外因的に延長・増大できることを明らかにする。また、その過程で安静時機能結合MRIを計測し、傷害脳の回復期に誘導できる可塑的変化量を同定する。また、運動機能スコアへの利得を算出し、脳卒中後の機能回復臨界期における潜在的回復量を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

令和2-3年度は、実験プロトコルと解析パイプラインの確定を目標として研究活動を推進した。
具体的にはまず、近隣大学に設置されている3テスラMRI施設を実験実施場所として研究計画を起草して学内生命倫理委員会に提出し、承認を得た。安全委員会からも実施許諾を得た。
次に、手指運動想起課題中の脳状態を頭皮脳波から同定し、一側半球体性感覚運動野の興奮性上昇にともなって電動装具をアクチュエートするBMIをMRI前室に設置するための各種手続きを完了させ、装置設置を完了した。また、健常成人28名を被験者として、1回60分の操作訓練を実施し、脳波へのノイズ重畳性を検証。ノイズ低減のための装置改修とプログラムの修正を経て、ヒストリカルデータと同等の信号品質が取得できることを確認した。
次に、BMI前後で計測するrsfcMRIのパラメータプロトコルの作成をおこなった。TR 3,000ミリ秒にて安静開眼10分間のrsfcMRIを計測し、全脳ダイナミクスを取得することを想定し、各種ノイズ除去パイプラインを調整し（MP-PCA denoising, degibbs, splice timing correction, motion correction, spatial normalization/smoothing, nuisance signal regression, motion censoring）、脳領域間の相関マップやそのほか構造変化を捉えるための分析基盤の整備と表示のためのダッシュボード整備を実施した。また、神経回路の電気生理学的興奮性を確認するために、MRIナビゲート下で経頭蓋磁気刺激を適用し、誘発筋電図上の変化を取得する系の構築を実施し、慶應義塾大学理工学部に整備した。以上の検討を通じて、脳回路操作が可能となるBMI実験プロトコルと解析パイプラインの令和２年度版ドラフトを完成させた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

概要に示した通り、当初予定に沿って、各種委員会での承認取得、研究実施先機関への機材導入、固有ノイズ環境に適合したパラメータ調整、実験の実施、解析パイプラインの策定、ヒストリカルデータとの照合による品質確認を完遂できた。研究は予定通り順調に進展しており、令和3年度での研究計画が推進可能な状況が整備されている。

Strategy for Future Research Activity

共同研究先大学との協議を深め、倫理委員会への追加申請内容の特定と申請実施、導入教育の実施、テストスタディの実施等、当初予定通りの活動を遅滞なく推進するよう、計画的に活動する。