Dynamic regulation system of brain network by the spontaneous eyeblinks

• Project/Area Number: 18H04084
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 59:Sports sciences, physical education, health sciences, and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中野 珠実 大阪大学, 生命機能研究科, 准教授 (90589201)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 黄田 育宏 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所脳情報通信融合研究センター, 副室長 (60374716)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥43,680,000 (Direct Cost: ¥33,600,000、Indirect Cost: ¥10,080,000); Fiscal Year 2022: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2021: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2020: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2019: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2018: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
• Keywords: 瞬き / 脳内ネットワーク / 動的制御 / 動的ネットワーク / 自律神経 / 自発性瞬目 / 瞳孔径 / 神経ネットワーク / MRS / DMN / 瞬目 / デフォルトモードネットワーク

Outline of Annual Research Achievements

自発性の瞬きに伴って、脳内ネットワークの活動交替と同時に、自律神経の活動交替が生じるという発見(Nakano & Kuriyama, 2017 Int. J. PsychoPhysiol.)を基に、瞬きや瞳孔径の自発的な活動変化と、脳の活動交替が関連する認知の変化、特に多義図形の知覚交替現象との関係を精査した。その結果、知覚交替の数秒前に、瞳孔径が一時的に縮小するという自律神経系の活動が大きく変化していることを発見した。このような自律神経活動の変化は、物理的な知覚交替では全く生じていなかった。つまり、自律神経の活動変化に現れる覚醒度の変化が、脳の自発的な活動にも変化を引き起こし、内発的な知覚交替を引き起こすと推測される。末梢の自律神経は、交感神経系と副交感神経系から二重の支配を受けている。そこで、どちらの神経系がこの現象に関与しているかを明らかにするために、散瞳を引き起こす点眼薬を用いて、末梢の交感神経系と副交感神経系の経路をブロックしたときに、知覚交替直前の瞳孔縮小現象がどのような影響を受けるかを調べた。その結果、末梢の副交感神経系をブロックしたときにだけ、この縮小現象が消失することを発見した。瞳孔径を調整する副交感神経系はEdinger-Westphal核（動眼神経副交感神経核）からの入力を受けているが、このＥＷ核への中枢神経からの入力が関係していることが推測される。さらに、知覚交替直前の瞳孔収縮と脳波の関係を調べたところ、前頭葉のデルタ波の活動が有意な相関を示したことから、比較的ゆっくりとした脳活動が、生体の覚醒度の変化と関係している可能性が視された。今後は、脳内ネットワークの動的な活動変化や自発的な身体活動を調整している脳の神経機構を明らかにすることで、生体のホメオスタシスを司る神経機序の解明に挑む。

Current Status of Research Progress

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

Reason

多義図形の見えの交替に関わる自律神経系の一過性の活動変化の神経機序を明らかにするために、瞳孔の末梢筋の活動を２種類の点眼薬を用いる薬理実験と脳活動計測を組み合わせる研究を行った。具体的には、交感神経支配の瞳孔散大筋、ならびに副交感神経支配の瞳孔括約筋を、それぞれα１受容体刺激薬、アセチルコリン受容体遮断薬を用いて、中枢からの信号が伝わらないような状態にして、瞳孔径の変化を調べた。その結果、自発的な知覚交替を引き起こす脳活動の変化が、末梢の副交感神経系を介して瞳孔径を変化させていることを発見した。

Strategy for Future Research Activity

瞬きや瞳孔といった自発的な身体活動の変化と脳内ネットワークの動的制御の相互作用や、これらの制御をしている神経機序を明らかにするために、脳活動計測に薬理実験を組み合わせる新たな研究計画を追加し、複雑な自律神経系がどのように脳内ネットワークの動的制御と相互作用しているか、その全体像を明らかにしていく。

Research Products

• [Journal Article] Phylogeny and ontogeny of mental time (2021)
  • Author(s): Hirata Satoshi、Betsuyaku Toru、Fujita Kazuo、Nakano Tamami、Ikegaya Yuji
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: in press Pages: 13-17
  • DOI: 10.1016/j.neures.2020.07.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neural correlates of beauty retouching to enhance attractiveness of self-depictions in women (2021)
  • Author(s): Ota Chisa、Nakano Tamami
  • Journal Title: Social Neuroscience Volume: 16 Pages: 121-133
  • DOI: 10.1080/17470919.2021.1873178
• [Journal Article] Risk Factors Leading to Preference for Extreme Facial Retouching (2020)
  • Author(s): Nakano Tamami、Uesugi Yusuke
  • Journal Title: Cyberpsychology, Behavior, and Social Networking Volume: 23 Pages: 52-59
  • DOI: 10.1089/cyber.2019.0545
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Threat anticipation in pulvinar and in superficial layers of primary visual cortex (V1). Evidence from layer-specific ultra-high field 7T fMRI. (2019)
  • Author(s): Koizumi A, Zhan M, Ban H, Kida I, De Martino FJ, Vaessen M, de Gelder B & Amano K
  • Journal Title: eneuro Volume: 6 Pages: 0429-19
  • DOI: 10.1523/eneuro.0429-19.2019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Blink synchronization is an indicator of interest while viewing videos (2019)
  • Author(s): Nakano Tamami、Miyazaki Yuta
  • Journal Title: International Journal of Psychophysiology Volume: 135 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1016/j.ijpsycho.2018.10.012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Brain tissue segmentation based on MP2RAGE multi-contrast images in 7 T MRI. (2019)
  • Author(s): Choi US, Kawaguchi H, Matsuoka Y, Kober T, Kida I
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 14 Pages: 0210803-0210803
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0210803
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 双安定仮現運動の内因的知覚交替に先行する自律神経活動と脳活動 (2020)
  • Author(s): 一木新、中野珠実
  • Organizer: 日本生理学会
• [Presentation] 深層学習を用いた瞬き確率推定によるハイライト映像の自動抽出 (2020)
  • Author(s): 中野 珠実、阪田 篤哉、岸本 章宏
  • Organizer: 情報処理学会全国大会
• [Presentation] 双安定仮現運動の内因的知覚交替に先行する自律神経活動と脳活動 (2020)
  • Author(s): 一木 新、中野 珠実
  • Organizer: 第97回日本生理学会大会
• [Presentation] Assessment of the olfactory function in the brain using ultra-high field functional magnetic resonance imaging (2020)
  • Author(s): 黄田 育宏
  • Organizer: Kyudai Oral Bioscience & OBT Research Center Joint International Symposium 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Why do we blink so frequently? (2019)
  • Author(s): 中野 珠実
  • Organizer: 第13回箱根ドライアイクラブ研究集会
  • Invited
• [Presentation] 視覚刺激の色と形が嗅覚知覚に及ぼす影響：NIRSによる影響 (2019)
  • Author(s): 姜 毅男、前川 修太、黄田 育宏、坂井 信之
  • Organizer: 日本味と匂学会第53回大会
• [Presentation] Cognitive and social functions of spontaneous blinks (2018)
  • Author(s): Nakano Tamami
  • Organizer: 41st European Conference of Visual Perception
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] なぜ我々は瞬きをするのか？ (2018)
  • Author(s): 中野 珠実
  • Organizer: 第36回日本生理心理学会
  • Invited
• [Book] 生理心理学と精神生理学 第III巻 展開 第9章 (2018)
  • Author(s): 中野 珠実
  • Total Pages: 380
  • Publisher: 北大路書房
  • ISBN: 4762830194
• [Patent(Industrial Property Rights)] 瞬きに基づく関心率の測定システム (2018)
  • Inventor(s): 中野 珠実
  • Industrial Property Rights Holder: 国立研究開発法人科学技術振興機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2018
• [Patent(Industrial Property Rights)] 瞬き制御によるコミュニケーション促進 (2018)
  • Inventor(s): 中野 珠実
  • Industrial Property Rights Holder: 国立研究開発法人科学技術振興機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2018