神経細胞賦活による細胞内酸素濃度変動を直接検出するfMRI法の開発

• Project/Area Number: 23K14883
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 52040:Radiological sciences-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 唐 明輝 北海道大学, 医学研究院, 特任助教 (80794156)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2025: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: MRI / oxygen / paramagnetism / DWI-fMRI / 脳機能 / 細胞内酸素濃度 / fMRI

Outline of Research at the Start

広く用いられているfunctional MRIは賦活に伴う血流変化を利用するもので、賦活している神経細胞群に近隣する脳表静脈周辺が広く賦活領域として描出されることが多く、その70％が偽陽性であると指摘されている。我々は細胞内のような高粘性状態では常磁性体である酸素分子がMRI信号に与える影響が著しく増強されることに気付き、賦活神経細胞内の酸素濃度変動が引き起こすMRI信号変化を捉えることで、賦活領域を直接捉えられると考えた。本研究は、拡散強調撮像法を改良し細胞内からのMRI信号のみを強調し、細胞内の酸素濃度変化による信号変動を敏感に捉えることで、真の賦活領域を描出及び賦活強度の定量化を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

細胞内のような高粘性状態では常磁性体である酸素分子がMRI信号に与える影響が著しく増強され、賦活神経細胞内の酸素濃度変動が引き起こすMRI信号変化を捉えることで、賦活大脳皮質を直接捉えられると考えられる。本研究は、拡散強調撮像法を改良し細胞内からのMRI信号のみを強調し、細胞内の酸素濃度変化による信号変動を敏感に捉えることで、真の賦活領域を描出するとともに賦活強度の定量化も目指す。初年度では安静時の脳活動を対象とし、0.1Hz以下の安静時脳活動の信号変動を解析したところ、一部の結果では、MR信号変動が0となる特異的なTE(MR撮像パラメータ)の存在を確認し、常磁性分子である細胞内酸素の緩和時間短縮効果を観察できたが、他の結果では確認できなかった。その理由としては呼吸及び心拍が血流などの変動を引き起こし、その変動による信号変動の高調波成分が折り返され、0.1Hz以下の周波数領域に混入することがあると推測された。特に心拍のパワースペクトルが大きいため、影響が顕著だと思われている。呼吸及び心拍による影響を低減・除去することを向け、今年度ではまず混入しているかを確認するため、撮像中に呼吸及び心拍をモニタリングし、周期を解析した結果、多くの被験者では混入していたことが判明した。また、MR撮像パラメータであるTR(繰り返し時間)を調整することで、ナイキスト周波数が変わることで、心拍の高周波成分の折り返し位置が変わるので、記録した心拍の平均を中心に±0.1Hz変動しても、混入しないTRの計算理論式を求めた。この式を用いて、心拍の影響が少ないデータが撮れると思うが、現存TRの調整が100msオーダーしか調整できなく、パルスシーケンス改装により、細かく（10ms）調整できるようにする必要がある。現在改装が終わり、来年度に実装し、混入の影響を低減・除去することを検証する。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

生理的な要因（呼吸、心拍）の影響が想定よりも大きく、またその影響を取り除くためのパルスシーケンス改造は想定以上の時間がかかったためである。

Strategy for Future Research Activity

改装されたパルスシーケンスを利用し、理論式で計算された撮像パラメータTRを用いて、MR信号変動が0となる特異的なTE(MR撮像パラメータ)の存在を確認する。確認ができたあとに、光刺激のDWI-fMRIを行い、通常のfMRIより、ピンポイントで賦活部位を描出できるかを実験する。その際に、通常、fMRIでは血流動態反応関数(hemodynamic response function: HRF)を用いて解析を行い脳機能マップが得られるが、本研究では細胞内の酸素代謝に適合する “酸素動態反応関数”（oxy-dynamic response function）も合わせて開発する。