７テスラ超高磁場 MRI による in vivo 大脳皮質分節マッピング法の開発

• Project/Area Number: 19K22985
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
• Research Institution: National Institute for Physiological Sciences
• Principal Investigator: 福永 雅喜 生理学研究所, システム脳科学研究領域, 准教授 (40330047)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 梅田 雅宏 明治国際医療大学, 医学教育研究センター, 教授 (60223608)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2019: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: 髄鞘密度 / 大脳皮質 / 7テスラMRI / 皮質分節 / ７テスラMRI / 磁化率 / 拡散 / ミエリン

Outline of Research at the Start

レイヤーレベルの大脳皮質髄鞘密度を反映するMyeloarchitectonic imaging法の開発と、個人脳データに基づく脳アトラス構築のために、①皮質内髄鞘分布を高度に反映する定量的磁化率画像および緩和画像の開発、②細胞微細形状計測に特化した拡散画像法の開発と7テスラ超高磁場MRIへの導入、③定量的磁化率画像、緩和画像および拡散画像から髄鞘密度分布様態を画像化、④Myeloarchitectonic imagingによる大脳皮質髄鞘密度分布解析と皮質分節再構築、の４課題を実施する。これらにより、個体レベルのデータから髄鞘分布形態に由来する大脳皮質分節マップの再構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

レイヤーレベルの大脳皮質髄鞘密度を反映するMyeloarchitectonic imaging法の開発と、個人脳データに基づく脳アトラス構築のために、1)皮質内髄鞘分布を高度に反映する定量的磁化率画像および緩和画像の開発、2)細胞微細形状計測に特化した拡散画像法の開発と7テスラ超高磁場MRIへの導入、3)定量的磁化率画像、緩和画像および拡散画像から髄鞘密度分布様態を画像化、4)Myeloarchitectonic imagingによる大脳皮質髄鞘密度分布解析と皮質分節再構築の4課題を計画した。今年度は、昨年度に続き、大脳皮質微細髄鞘構造描出に関する技術的基盤整備を実施した。大脳皮質内の髄鞘微細構造描出に応用する磁化率効果に鋭敏な周波数画像および磁化率画像において、高感度化のために多チャンネルアレイコイルを利用する際の各エレメントから得られる複素信号の合成の制度改善のために、Computationally Efficient Combination of Multi-channel Phase Data From Multi-echo Acquisitions (ASPIRE) シーケンスを導入した。また、皮質内拡散情報収集のための拡散強調MRIのエンコードスキームとしてDiffusion Spectrum Imaging(DSI)を導入し、1.5mm istoropic voxel にて203軸のMPG印可方向を持つプロトコールを作成し、皮質内拡散パラメータの算出に適用した。これらの基盤技術をもとにヒト計測を進める予定であったが、新型コロナウイルス感染症拡大に伴い、ヒトを対象とする実験に制限を受けたため、麻酔下マカクサルおよびその固定脳を対象に計測パラメータの最適化と実計測を実施した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

昨年度までに、大脳皮質内の髄鞘微細構造描出に応用するグラディエントエコーパルスシーケンス、拡散強調エコープラナーイメージングシーケンスの開発、導入および各種アーチファクト補正のための画像処理パイプライン構築は当初の計画通り順調に進んでいた。これらの計測系を用いたヒト計測実験の結果をもとにさらなる改良を予定していたが、新型コロナウイルス感染症拡大に伴い、ヒト被験者をリクルートする様式での脳計測実験が著しく制限を受ける状況が続いたため、ヒト in vivo 実験を対象とする定量的磁化率画像・緩和画像計測および細胞微細形状計測を反映する拡散画像計測による皮質内髄鞘分布画像の計測に遅滞が生じた。ヒト実験が困難であった期間、動物実験実施は制限を免れたため、マカクサルを対象とした in vivo 実験および長時間の計測時間を要する ex vivo 固定脳を対象とする計測実験の頻度を増やすことで、研究計画の遅延を吸収すべく取り組んだが、年度内にヒト実験の遅滞分を吸収する事が困難であったため、当初２年間の計画であった研究期間の１年延長を申し出て受理された。

Strategy for Future Research Activity

本研究は、レイヤーレベルの大脳皮質髄鞘密度を反映するMyeloarchitectonic imaging法の開発と、個人脳データに基づく脳アトラス構築のために、1)皮質内髄鞘分布を高度に反映する定量的磁化率画像および緩和画像の開発、2)細胞微細形状計測に特化した拡散画像法の開発と7テスラ超高磁場MRIへの導入、3)定量的磁化率画像、緩和画像および拡散画像から髄鞘密度分布様態を画像化、4)Myeloarchitectonic imagingによる大脳皮質髄鞘密度分布解析と皮質分節再構築の4課題を実施する。今年度は、技術的な検討およびマカクサルを対象とした in vivo および ex vivo 計測実験は、概ね計画通りの進捗であったが、新型コロナウイルス感染症拡大に伴いヒト計測実験に遅れが生じた。次年度は、今年度実施が困難であった日と計測実験を推進、複数のMRI画像モダリティを組み合わせることによるマルチパラメトリッククラスタリングを適用し、大脳皮質区分への最適化を実施する。ヒト生体を対象に髄鞘密度分布様態の画像化を試みると共に、マカクサルおよび組織学的対応付けが可能となるサル固定脳データとの検証を行う。以上の過程により確立したMyeloarchitectonic imaging法を用いて、個人脳を対象とした大脳皮質髄鞘密度分布解析を実施する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Seoul National University(韓国)
• [Int'l Joint Research] NeuroSpin(フランス)
• [Int'l Joint Research] Maastricht University(オランダ)
• [Int'l Joint Research] National Institutes for Health/University of Minnesota(米国)
• [Int'l Joint Research] National Health Research Institutes(その他の国・地域)
• [Int'l Joint Research] Seoul National University(韓国)
• [Int'l Joint Research] NeuroSpin(フランス)
• [Int'l Joint Research] Maastricht University(オランダ)
• [Int'l Joint Research] National Institutes for Health/University of Minnesota(米国)
• [Int'l Joint Research] National Health Research Institutes(その他の国・地域)
• [Journal Article] Relationship between white matter microstructure and work hours (2021)
  • Author(s): Matsumoto Junya、Fukunaga Masaki、Miura Kenichiro、Nemoto Kiyotaka、Koshiyama Daisuke、Okada Naohiro、Morita Kentaro、Yamamori Hidenaga、Yasuda Yuka、Fujimoto Michiko、Hasegawa Naomi、Watanabe Yoshiyuki、Kasai Kiyoto、Hashimoto Ryota
  • Journal Title: Neurosci Lett Volume: 740 Pages: 135428-135428
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2020.135428
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative Evaluations of Geometrical Distortion Corrections in Cortical Surface‐Based Analysis of High‐Resolution Functional MRI Data at 7T (2020)
  • Author(s): Yamamoto Tetsuya、Fukunaga Masaki、Sugawara Sho K.、Hamano Yuki H.、Sadato Norihiro
  • Journal Title: Journal of Magnetic Resonance Imaging Volume: 53 Pages: 1220-1234
  • DOI: 10.1002/jmri.27420
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Differences in fractional anisotropy between the patients with schizophrenia and healthy comparison subjects. (2020)
  • Author(s): Koshiyama D, Fukunaga M, Okada N, Morita K, Nemoto K, Usui K, Yamamori H, Yasuda Y, Fujimoto M, et al.
  • Journal Title: Molecular Psychiatry Volume: 25(4) Pages: 697-698
  • DOI: 10.1038/s41380-020-0700-1
  • NAID: 120006950307
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neuroimaging studies within Cognitive Genetics Collaborative Research Organization aiming to replicate and extend works of ENIGMA (2020)
  • Author(s): Koshiyama Daisuke、Miura Kenichiro、Nemoto Kiyotaka、Okada Naohiro、Matsumoto Junya、Fukunaga Masaki、Hashimoto Ryota
  • Journal Title: Human Brain Mapping Volume: in press
  • DOI: 10.1002/hbm.25040
  • NAID: 120007180728
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Promoter Activity-Based Case-Control Association Study on SLC6A4 Highlighting Hypermethylation and Altered Amygdala Volume in Male Patients With Schizophrenia (2020)
  • Author(s): Ikegame T, Bundo M, Okada N, Murata Y, Koike S, Sugawara H, Saito T, Ikeda M, Owada K, Fukunaga M, Yamashita F, Koshiyama D, Natsubori T, Iwashiro N, Asai T, Yoshikawa A, Nishimura F, Kawamura Y, Ishigooka J, Kakiuchi C, Sasaki T, Abe O, Hashimoto R, Iwata N, Yamasue H, Kato T, Kasai K, Iwamoto K
  • Journal Title: Schizophr Bull Volume: 46 Pages: 1577-1586
  • DOI: 10.1093/schbul/sbaa075
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Is Human Brain Activity During Driving Operations Modulated by the Viscoelastic Characteristics of a Steering Wheel?: An fMRI Study (2020)
  • Author(s): Okamoto Yoshihisa、Sasaoka Takafumi、Sadato Norihiro、Fukunaga Masaki、Yamamoto Tetsuya、Soh Zu、Nouzawa Takahide、Yamawaki Shigeto、Tsuji Toshio
  • Journal Title: IEEE Access Volume: 8 Pages: 215073-215090
  • DOI: 10.1109/access.2020.3040231
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Differentiation of schizophrenia using structural MRI with consideration of scanner differences: A real-world multi-site study. (2020)
  • Author(s): Nemoto K, Shimokawa T, Fukunaga M, Yamashita F, Tamura M, Yamamori H, Yasuda Y, Azechi H, Kudo N, Watanabe Y, Kido M, Takahashi T, Koike S, Okada N, Hirano Y, Onitsuka T, Yamasue H, Suzuki M, Kasai K, Hashimoto R, Arai T.
  • Journal Title: Psychiat Clin Neurosci Volume: 74(1) Pages: 56-63
  • DOI: 10.1111/pcn.12934
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] White matter microstructural alterations across four major psychiatric disorders : mega-analysis study in 2937 individuals (2020)
  • Author(s): Koshiyama D., Fukunaga M., Okada N., Morita K., Nemoto K., Usui K., Yamamori H., Yasuda Y., Fujimoto M., Kudo N., Azechi H., Watanabe Y., Hashimoto N., Narita H., Kusumi I., Ohi K., Shimada T., Kataoka Y., Yamamoto M., Ozaki N., Okada G., Okamoto Y., Harada K., Matsuo K., Yamasue H., Abe O., Hashimoto R., Takahashi T., Hori T., Nakataki M., Onitsuka T., Holleran L., Jahanshad N., van Erp T. G. M.,
  • Journal Title: Molecular Psychiatry Volume: 25 Pages: 883-895
  • DOI: 10.1038/s41380-019-0553-7
  • NAID: 120006980539
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 超高磁場MRIによる脳機能イメージング -種間比較をめざして (2019)
  • Author(s): 定藤規弘、福永雅喜
  • Journal Title: 医学のあゆみ Volume: 270 Pages: 685-691
• [Journal Article] Comparison of 3T and 7T MRI for the visualization of globus pallidus sub-segments (2019)
  • Author(s): Maruyama Shuki、Fukunaga Masaki、Fautz Hans-Peter、Heidemann Robin、Sadato Norihiro
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 9 Pages: 18357-18357
  • DOI: 10.1038/s41598-019-54880-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantitative Evaluations of Geometric Distortion Corrections in Surface-Based Analysis of 7T fMRI (2020)
  • Author(s): etsuya Yamamoto, Sho Sugawara, Yuki Hamano, Masaki Fukunaga, Norihiro Sadato
  • Organizer: 2020 Organization for Human Brain Mapping Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Linking Multimodal Parcellation 1.0 of Human Connectome Project to MNI Coordinates (2020)
  • Author(s): Tetsuya Yamamoto, Masaki Fukunaga, Norihiro Sadato
  • Organizer: 2020 Organization for Human Brain Mapping Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Parcellation of the human brain cortex using a model free, sparse acquisition diffusion MRI approach (S-index) (2020)
  • Author(s): Yamamoto, Tetsuya Fukunaga, Masaki Sadato, Norihiro Le Bihan, Denis
  • Organizer: 2020 ISMRM & SMRT VIRTUAL CONFERENCE & EXHIBITION
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diurnal fluctuation of glutathione measured with MR spectroscopy (2020)
  • Author(s): Urayama, Shin-ichi Yoshihara, Yujiro Fukunaga, Masaki Murai, Toshiya
  • Organizer: 2020 ISMRM & SMRT VIRTUAL CONFERENCE & EXHIBITION
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 統合失調症のbiotypeである認知機能障害と大脳白質構造異常の関連 (2020)
  • Author(s): 松本純弥、三浦健一郎、坂元竜馬、福永雅喜、越山太輔、根本清貴、岡田直大、森田健太郎、大井一高、長谷川尚美、藤本美智子、山森英長、安田由華、笠井清登、渡邉嘉之、橋本亮太
  • Organizer: NPBPPP 2020 合同年会
• [Presentation] 統合失調症患者と健常被験者における拡散テンソル画像を用いた大脳白質微細構造と認知機能、認知機能障害、労働時間との関連 (2020)
  • Author(s): 松本純弥、三浦健一郎、福永雅喜、越山太輔、根本清貴、大井一高、岡田直大、長谷川尚美、山森英長、安田由華、藤本美智子、鬼塚俊明、高橋努、尾崎紀夫、渡邉嘉之、橋本亮太
  • Organizer: NPBPPP 2020 合同年会
• [Presentation] Kinetic Oscillatory Stimulation in the Nasal Cavity Elicits Functional Brain Activation in the Limbic System of the Brain (2020)
  • Author(s): Xia Li, Masaki Fukunaga, Tie-Qiang Li
  • Organizer: 11th Annual Scientific Symposium Ultrahigh Field Magnetic Resonance: Clinical Needs, Research Promises and Technical Solutions
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 7T-MRI装置におけるMP2RAGEを用いた視床内部構造の描出 (2020)
  • Author(s): 中根俊樹、福永雅喜、田岡俊昭、川井恒、加藤裕、櫻井康雄、長縄慎二
  • Organizer: 第48回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] Feasibility study on a single-channel microstrip transmission-line RF coil integrated with PET detector module for a 7T whole-body MRI system. Virtual (2020)
  • Author(s): Akram MSH, Fukunaga M, Nishikido F, Takyu S, Obata T, Yamaya T.
  • Organizer: 2020 IEEE Nuclear Science Symposiu & Medical Imaging Conference.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Brain Microstructure and Function using Ultra High Field MRI (2020)
  • Author(s): Masaki Fukunaga
  • Organizer: The 10th BRI International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Brain microstructure and function using ultra high field MRI (2019)
  • Author(s): Masaki Fukunaga
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
  • Invited
• [Presentation] 超高磁場MRIによる脳機能画像研究 (2019)
  • Author(s): 福永雅喜
  • Organizer: 第47回日本磁気共鳴医学会大会
  • Invited
• [Presentation] 7TMRIを用いたヒト淡蒼球内部構造の描出: 3T MRIとの比較 (2019)
  • Author(s): 丸山修紀、福永雅喜、定藤規弘
  • Organizer: 第47回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] 7T-MR装置を用いたCSIによる脳の代謝物計測 (2019)
  • Author(s): 梅田雅宏、福永雅喜、定藤規弘、渡辺康晴、河合裕子、村瀬智一、樋口敏宏
  • Organizer: 第47回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] Origins of phase contrast in white matter (2019)
  • Author(s): Masaki Fukunaga, Jeff Duyn
  • Organizer: 5th INTERNATIONAL WORKSHOP ON MRI PHASE CONTRAST & QUANTITATIVE SUSCEPTIBILITY MAPPING
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Separating positive and negative susceptibility sources in QSM (2019)
  • Author(s): Hyeong-Geol Shin, Jingu Lee, Masaki Fukunaga, Yoonho Nam, Se-Hong Oh, Jongho Lee
  • Organizer: 5th INTERNATIONAL WORKSHOP ON MRI PHASE CONTRAST & QUANTITATIVE SUSCEPTIBILITY MAPPING
  • Int'l Joint Research
• [Book] 超高磁場MRIによる脳機能評価の実際 (2020)
  • Author(s): 福永雅喜
  • Total Pages: 4
  • Publisher: 株式会社インナービジョン
  • ISBN: 9784902131901
• [Book] 痛みのバイオマーカーとしての 機能的脳画像診断法 (2020)
  • Author(s): 倉田二郎
  • Total Pages: 384
  • Publisher: 真興交易 医書出版部
  • ISBN: 4880039292