拍動循環と脳機能・脳疾患の関連性：全脳摘出標本によるアプローチ

• Project/Area Number: 19K22990
• 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 of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 高島 一郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 上級主任研究員 (90357351)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 梶原 利一 明治大学, 理工学部, 専任准教授 (60356772) ; 冨永 貴志 徳島文理大学, 神経科学研究所, 教授 (20344046)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 脳機能 / 血液循環 / 血液脳関門 / 心拍

Outline of Research at the Start

「拍動する血液循環は脳にとって必要か否か？」本研究課題は、動物から取り出した“全脳摘出標本と人工血液循環装置”を利用し、以下、３つの問に対する答えを探求する。
（１）拍動流周期のどのタイミングで脳活動を惹起しても 脳の応答は不変か？ あるいは、拍動する血液循環が脳の応答に何らかの影響を与えるか？
（２）脳活動のゆらぎの一因として、拍動する血液循環の関与があるかどうか？
（３）拍動する脳血流は、脳細胞の生存にとって有利なのか不利なのか？
脳実質への拍動流効果についての知見は乏しく、人工心臓の研究開発分野、脳血管性の病態発現機構や創薬の研究分野に対し、有益な情報を提供することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、拍動する血液循環が脳機能をモジュレートするという仮説の検証を目指す。動物から取り出した全脳摘出標本と人工血液循環装置を利用し、摘出脳を拍動循環で維持しながら、拍動流周期の様々なタイミングで、摘出脳に電気刺激を与えて神経活動を惹起し、神経活動の生起や応答伝播に何らかの違いが生じるかどうかを解析する。脳活動のゆらぎと拍動流リズムの関係性にも着目し、拍動流は脳での物質代謝に有利な循環か、逆に、血液脳関門へのダメージを蓄積する循環か、について検証を行い、脳実質への拍動流効果に関して新しい知見を得ることを目的とする。予備実験において、動物から脳血管系を保存したまま全脳を摘出し、椎骨動脈よりカニュレーションを行い、実験チェンバー内で人工血液を定常流で脳灌流することにより、脳の生理活性を７時間程度維持する技術系は確立していた。そこで本年度は、従来用いてきた定常流を拍動流に置き換える実験系の構築を行った。循環ポンプをパソコンで外部制御することにより、内頚動脈血管の圧力波形を模擬した血液循環流の発生を試みた。超音波流量計を用いて脈動流を測定しながら、脳動脈の拍動を模擬する制御プログラミングを行った結果、循環ポンプの機械的な動作速度の限界から拍動数には上限が設定されるものの、実際の内頚動脈血流波形に近い尖頭状の拍動流波形を再現することに成功した。さらに、再現した人工拍動流を実際の脳標本に適用し、脳の生理活性が維持可能かどうかの評価実験を行った結果、約５時間にわたり全脳の生存を確認できた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

循環ポンプの回転数を外部信号で制御し、内頚動脈血流波形に近い尖頭状の拍動流波形を再現することができた。機械系のインパルス応答を求め、計算機シミュレーションと実測流量の超音波計測の比較を繰り返すことで、ある程度自在に流量波形の制御が可能になっている。現在は、～５時間、脳の生理活性を維持できているが、拍動流波形の工夫でさらに良い状態で脳標本を維持できる可能性がある。拍動流では本脳標本を正常に維持できない可能性もありうる挑戦的なスタートであったが、現在までの進捗はおおむね順調であり、次年度以降、本課題を継続実施していくための、最初の実験的ハードルはクリアできた。

Strategy for Future Research Activity

拍動流で全脳標本を維持する実験的準備は完了した。そこで次年度は、拍動流に同期した様々なタイミングで脳に電気刺激を与えて脳活動を惹起する。最初は、外側嗅索を刺激し梨状皮質で神経応答を記録する実験プロトコルを試みる。その後、虚血に弱い海馬など、いくつかの脳部位で神経応答を記録する。神経応答の生起や伝播は細胞外電位記録や膜電位イメージング法により解析する。ファイバー式の血流量計を導入して脳深部における毛細血流のスポット測定を行い、細動脈血管での拍動流の減衰など、より詳細な情報と脳応答との関連性を調べる。