脳内ネットワークの機能的結合を選択的に強化する人工皮質間接続法の開発

• Project/Area Number: 15J05875
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Brain biometrics
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 小杉 亮人 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2017: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2016: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 一次運動野 / 硬膜外皮質刺激 / 運動閾値推定 / 皮質脳波 / 皮質誘発電位 / コモンマーモセット / 皮質電気刺激 / オペラント運動課題 / 皮質微小電気刺激

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、重度脊髄損傷に対するリハビリテーションを指向して、特定の随意運動に関わる神経経路を選択的かつ活動依存的に強化するための人工皮質間接続法を開発することである。本年度の目標は、人工皮質間接続のin vivo実証評価であった。霊長類モデル動物であるコモンマーモセットにおいて運動課題時の頭頂野の脳波を記録し、その活動依存的に運動前野を電気刺激する人工皮質間接続を予定していたが、その効果を検証する評価系の確立に多くの時間を要したため、至適パラメータを見つけるまでに至らず、人工皮質間接続を用いた神経経路の選択的強化を実証することはできなかった。
しかし、昨年度までに開発した皮質脳波記録と皮質電気刺激を同時におこなうことが可能な実験系によって多くの知見を得ることができ、その成果について論文投稿並びに学会発表をおこなった。皮質脳波電極と皮質電気刺激を用いて覚醒下マーモセットの一次運動野を再現性よくマッピングするための新規アルゴリズムを考案し、コンピュータシミュレーションとin vivo電気生理実験をもって実現可能性を実証した。また、同様の電極を用いてマーモセットの運動野、体性感覚野から記録した把持到達運動中の皮質脳波から、把持運動を司る皮質内神経機構がマーモセットとマカクザルやヒトとで霊長類の種間差を超え広く維持されていることを明らかにした。さらに、皮質誘発電位、皮質に連発刺激法を用いて運動野内の局所神経回路の機能結合を電気生理学的に評価する方法を開発した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Istituto Italiano di Tecnologia(イタリア)
• [Journal Article] Accurate motor mapping in awake common marmosets using micro-electrocorticographical stimulation and stochastic threshold estimation (2018)
  • Author(s): Kosugi Akito、Takemi Mitsuaki、Tia Banty、Castagnola Elisa、Ansaldo Alberto、Sato Kenta、Awiszus Friedemann、Seki Kazuhiko、Ricci Davide、Fadiga Luciano、Iriki Atsushi、Ushiba Junichi
  • Journal Title: J Neural Eng Volume: 15 Issue: 3 Pages: 036019-036019
  • DOI: 10.1088/1741-2552/aab307
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cortical control of object-specific grasp relies on adjustments of both activity and effective connectivity: a common marmoset study (2017)
  • Author(s): Tia Banty、Takemi Mitsuaki、 Kosugi Akito、Castagnola Elisa、Ansaldo Alberto、Takafumi Nakamura、Ricci Davide、Ushiba Junichi、Fadiga Luciano、Iriki Atsushi
  • Journal Title: J Physiol Volume: 595 Issue: 23 Pages: 7203-7221
  • DOI: 10.1113/jp274629
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of the horizontal cortical connectivity in the primary motor cortex using micro-electrocorticographical stimulation (2017)
  • Author(s): Kosugi Akito、Castagnola Elisa、Carli Stefano、Ricci Davide、Fadiga Luciano、Iriki Atsushi、Ushiba Junichi
  • Organizer: Neuroscience 2017 (Society for Neuroscience)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of somatosensory and motor cortices in common marmosets using nanocoated electrocorticographic electrodes (2016)
  • Author(s): Akito Kosugi, Mitsuaki Takemi, Elisa Castagnola, Alberto Ansaldo, Davide Ricci, Kenta Sato, Takafumi Nakamura, Banty Tia, Kazuhiko Seki, Luciano Fadiga, Atsushi Iriki, Junichi Ushiba
  • 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
• [Presentation] Characterization of somatosensory and motor cortices in awake common marmosets using carbon nanotube coated ECoG electrodes (2015)
  • Author(s): Akito Kosugi, Mitsuaki Takemi, Elisa Castagnola, Davide Ricci, Kenta Sato, Takafumi Nakamura, Banty Tia, Kazuhiko Seki, Luciano Fadiga, Atsushi Iriki, Junichi Ushiba
  • Organizer: Neuroscience 2015 (Society for Neuroscience)
  • Place of Presentation: Chicago (USA)
  • Year and Date: 2015-10-17
  • Int'l Joint Research