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内因性光信号を用いた多元脳機能イメージング法による神経活動と血流の時空間動態解析

研究課題

研究課題/領域番号 15K01276
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
研究分野 生体医工学・生体材料学
研究機関東北大学

研究代表者

片山 統裕  東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (20282030)

研究協力者 吉田 侑冬  
奥畑 大悟  
外川 龍之介  
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2017年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2016年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2015年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
キーワード脳 / 内因性光信号イメージング / フラビン / 神経血管カップリング / グリア細胞 / 脳血管 / ヘモダイナミクス / 脳局所血液量 / 局所脳血液量 / 血管 / 血液量
研究成果の概要

脳の機能と機構を理解するためには、脳の構成要素である神経系、グリア系、及び血管系の相互作用を明らかにする必要がある。本研究では、これらの構成要素の時空間ダイナミクスを解析可能な多波長光学イメージングシステム、及びその解析手法を開発した。この方法をin vivoマウス脳に適用することにより、ノンレム睡眠中の徐波活性に関連した1~2秒周期の神経代謝活性、10~100秒周期の皮質血液量変動の空間伝播、及び麻酔レベルに依存したグリア細胞の活性変化を可視化することに成功した。今後は、この手法を用いて睡眠覚醒サイクルに依存する神経系、グリア系、及び血管系の相互作用を研究する予定である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

脳の機能やメカニズムを理解するためには,その構成要素である,神経細胞,グリア細胞,及び血管系の相互作用を明らかにする必要がある.本研究では,これらの時空間動態を光学イメージングする新しい実験系及び解析法を開発した.本手法は生体脳が本来持っている光学特性を利用した計測法であるため,他の計測方法との組み合わせが容易であり,応用範囲が広いという特がある.

報告書

(5件)
  • 2018 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2017 実施状況報告書
  • 2016 実施状況報告書
  • 2015 実施状況報告書
  • 研究成果

    (51件)

すべて 2019 2018 2017 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (40件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] フランス国立保健医学研究機構(Inserm)(フランス)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [国際共同研究] フランス国立保健医学研究機構(フランス)

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 眼位・瞳孔径変動を考慮した内因性光信号イメージングに基づく覚醒時マウス脳視野地図の推定2018

    • 著者名/発表者名
      外川 龍之介、奥畑 大悟、吉田 侑冬、中尾 光之、片山 統裕
    • 雑誌名

      生体医工学

      巻: 56 号: 4 ページ: 157-163

    • DOI

      10.11239/jsmbe.56.157

    • NAID

      130007604778

    • ISSN
      1347-443X, 1881-4379
    • 年月日
      2018-08-10
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Resting-state functional connectivity analysis of the mouse brain using intrinsic optical signal imaging of cerebral blood volume dynamics2018

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Yuto、Nakao Mitsuyuki、Katayama Norihiro
    • 雑誌名

      Physiological Measurement

      巻: 39 号: 5 ページ: 054003-054003

    • DOI

      10.1088/1361-6579/aac033

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書 2017 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Some adverse actions of chlorothalonil at sublethal levels in rat thymic lymphocytes: Its relation to Zn2+2018

    • 著者名/発表者名
      Mizuki Ikeda, Junji Deguchi, Shota Fukushima, Ai Qingyu, Norihiro Katayama, Hajime Miura, Yasuo Oyama
    • 雑誌名

      Environmental Toxicology and Pharmacology

      巻: 59 ページ: 61-65

    • DOI

      10.1016/j.etap.2018.03.006

    • NAID

      120006592856

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Partial correlation-based functional connectivity analysis of the optical intrinsic signals of the mouse neocortex during resting state2016

    • 著者名/発表者名
      Yuto Yoshida, Mitsuyuki Nakao, Norihiro Katayama
    • 雑誌名

      Proceedings of 8th International Workshop Biosignal Interpretation

      巻: BSI2016 ページ: 53-56

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 独立成分分析を用いた内因性光信号の光源ノイズ除去アルゴリズムと評価2015

    • 著者名/発表者名
      吉田侑人, 中川大輝, 辛島彰洋, 中尾光之, 片山統裕
    • 雑誌名

      生体医工学

      巻: 53 ページ: 328-335

    • NAID

      130005155602

    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Reduction of Light Source Noise from Optical Intrinsic Signals of Mouse Neocortex by using Independent Component Analysis2015

    • 著者名/発表者名
      Yuto Yoshida, Daiki Nakagawa, Akihiro Karashima, Mitsuyuki Nakao, Norihiro Katayama
    • 雑誌名

      Proc. 37th Annual International Conference of the IEEE EMBS

      巻: 37 ページ: 6277-6280

    • DOI

      10.1109/embc.2015.7319827

    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] メチマゾール誘発一過性甲状腺機能低下症マウスの行動試験と安静時脳機能結合の解析2019

    • 著者名/発表者名
      吉田侑冬,内田竜生,内田克哉,井樋慶一,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      電子情報通信学会MEとバイオサイバネティクス研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 視覚刺激がマウスの歩行運動に及ぼす影響2019

    • 著者名/発表者名
      大﨑大輝,外川龍之介,和田みなみ,吉田侑冬,中尾光之,虫明元,片山統裕
    • 学会等名
      電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] バーチャルリアリティ技術を応用したマウス用学習行動実験系の開発2019

    • 著者名/発表者名
      和田みなみ,町田祉永,吉田侑冬,片山統裕,中尾光之
    • 学会等名
      第23回日本バーチャルリアリティ学会大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Evaluation of the resting-state functional connectivity of the mouse brain by the intrinsic optical signal of cerebral blood volume2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Yoshida, R. Uchida, M. Nakao, N. Katayama
    • 学会等名
      Life Engineering Symposium (LE2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 眼位・瞳孔径変動を考慮した内因性光信号イメージングに基づく覚醒時マウス脳視野地図の推定2019

    • 著者名/発表者名
      外川龍之介,奥畑大悟,吉田侑冬,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      生体医工学シンポジウム2018 (JBMES2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 眼球運動に対し頑健な新しい網膜地図推定アルゴリズム2019

    • 著者名/発表者名
      外川龍之介,奥畑大悟,吉田侑冬,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      視覚科学フォーラム2018 第22回研究会・シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Spatiotemporal dynamics and topology of spontaneous brain activity of the mouse neocortex measured by the intrinsic optical signal imaging2019

    • 著者名/発表者名
      Norihiro Katayama, Yuto Yoshida, Ryunosuke Togawa, Mitsuyuki Nakao
    • 学会等名
      The 9th Congress of Asian Sleep Research Society (ASRS)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] マウス大脳皮質拡散特性の高次間分解能計測方法の開発とイソフルラン麻酔深度依存性の計測への応用2019

    • 著者名/発表者名
      田中健也,廣谷唯,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      日本睡眠学会第43回学術集会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] The intrinsic optical signal of cerebral blood volume expresses the resting-state functional connectivity of the mouse brain2019

    • 著者名/発表者名
      Yuto Yoshida, Mitsuyuki Nakao, Norihiro Katayama
    • 学会等名
      The 41th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 脳波に基づくマウスの安静時脳機能的結合の睡眠・覚醒状態依存性解析2019

    • 著者名/発表者名
      内田竜生,吉田侑冬,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      第57回日本生体医工学大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 経頭蓋内因性光信号イメージングによるマウス大脳皮質自発性活動の解析2017

    • 著者名/発表者名
      片山統裕
    • 学会等名
      電子情報通信学会技術報告 医用画像研究会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 学習行動研究を志向したマウス用バーチャルリアリティ行動実験系の開発2017

    • 著者名/発表者名
      町田祉永,片山統裕,中澤邑支朗,和田みなみ,中尾光之
    • 学会等名
      電子情報通信学会技術報告 MEとバイオサイバネティクス研究会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] In vivo Integrative Optical Imaging 法によるマウス大脳皮質の細胞外拡散特性解析2017

    • 著者名/発表者名
      廣谷唯,田中健也,吉田侑冬,辛島彰洋,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      電子情報通信学会技術報告 MEとバイオサイバネティクス研究会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] バーチャル直線通路におけるストロボ効果の数理モデル化と解析2017

    • 著者名/発表者名
      片山統裕,中澤邑支朗,町田祉永,中尾光之
    • 学会等名
      第22回日本バーチャルリアリティ学会大会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 視覚再建技術評価のための脳イメージングに基づくマウス視覚能力定量化法の開発2017

    • 著者名/発表者名
      奥畑大悟,片山統裕,吉田侑冬,中尾光之
    • 学会等名
      計測自動制御学会 Life Engineering Symposium 2017
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] Comparison between functional networks estimated by marginal and partial correlation analysis of the optical intrinsic signals of the mouse neocortex2017

    • 著者名/発表者名
      Yuto Yoshida, Mitsuyuki Nakao, Norihiro Katayama
    • 学会等名
      The 40th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] Sleep-wake state-dependent synaptic plasticity in the hippocampus2017

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Karashima,Yukiteru Masuda,Norihiro Katayama,Hiroshi Tsubokawa, Mitsuyuki Nakao
    • 学会等名
      The 40th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] Correlation and temporal relationship between the mouse hippocampal theta activity and its locomotion speed2017

    • 著者名/発表者名
      Norihiro Katayama, Yushiro Nakazawa, Yoshihisa Machida, Mitsuyuki Nakao, Hajime Mushiake
    • 学会等名
      The 40th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 短期間で学習可能なマウス用オペラント学習装置の開発とその評価2017

    • 著者名/発表者名
      外川龍之介,高橋優斗,奥畑大悟,虫明元,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      文部科学省新学術領域研究 学術研究支援基盤形成 先端モデル動物支援プラットフォーム 若手支援技術講習会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] マウス大脳皮質における緑色自家蛍光の時空間ダイナミクス血液量動態の偏相関解析に基づいた機能的ネットワークの睡眠・覚醒状態依存性解析2017

    • 著者名/発表者名
      吉田侑冬,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      日本睡眠学会第42回定期学術集会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 睡眠-覚醒状態に依存した海馬神経回路におけるシナプスホメオスタシス2017

    • 著者名/発表者名
      辛島彰洋,益田幸輝,片山統裕 ,坪川宏,中尾光之
    • 学会等名
      日本睡眠学会第42回定期学術集会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] Integrative Optical Imaging法を用いたマウス大脳皮質拡散特性の計測と解析2017

    • 著者名/発表者名
      廣谷唯,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      日本睡眠学会第42回定期学術集会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 経頭蓋フラビン蛍光イメージング法によるマウス大脳皮質徐波活動の伝播特性解析2017

    • 著者名/発表者名
      片山統裕 ,佐藤杏莉,田中健也,中尾光之
    • 学会等名
      日本睡眠学会第42回定期学術集会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of Si opto neural probe with embedded optical fiber enabling layer-by-layer optical stimulation in the brain2017

    • 著者名/発表者名
      Takumi Morikawa, Takuya Harashima, Hisashi Kino, Takafumi Fukushima, Norihiro Katayama, Hajime Mushiake, Tetsu Tanaka
    • 学会等名
      第56回日本生体医工学会大会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] マウス・ヴァーチャルリアリティ順応システムの開発2017

    • 著者名/発表者名
      坂本一寛,洞口学志,Janos Negyesi,片山統裕,虫明元
    • 学会等名
      文部科学省 新学術領域研究 学術研究支援基盤形成 先端モデル動物支援プラットフォーム成果発表会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 経頭蓋フラビン自家蛍光イメージングで計測されたマウス大脳皮質徐波活動の時空間特性解析2016

    • 著者名/発表者名
      佐藤杏莉,吉田侑冬,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      電子情報通信学会 MEとバイオサイバネティクス研究会
    • 発表場所
      東北大学(仙台市)
    • 年月日
      2016-11-18
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] Estimation of functional connectivity by partial correlation of optical intrinsic signals of the mouse neocortex2016

    • 著者名/発表者名
      Yuto Yoshida, Mitsuyuki Nakao, Norihiro Katayama
    • 学会等名
      Life Engineering Symposium 2016, SICE
    • 発表場所
      大阪国際交流センター(大阪市)
    • 年月日
      2016-11-03
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] Functional connectivity analysis baed on optical intrinsic signals of the mouse neocortex2016

    • 著者名/発表者名
      Norihiro Katayama, Yuto Yoshida, Mitsuyuki Nakao
    • 学会等名
      Life Engineering Symposium 2016, SICE
    • 発表場所
      大阪大阪国際交流センター(大阪市)
    • 年月日
      2016-11-03
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] Sleep-wake state dependent reorganizationof cortical excitatory circuits2016

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Karashima, Yukiteru Masuda, Aritaka Nakamura, Norihiro Katayama, Mitsuyuki Nakao
    • 学会等名
      Life Engineering Symposium 2016, SICE
    • 発表場所
      大阪大阪国際交流センター(大阪市)
    • 年月日
      2016-11-03
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] 経頭蓋フラビン自家蛍光イメージングで計測されたマウス大脳皮質徐波活動の伝播特性2016

    • 著者名/発表者名
      佐藤杏莉,吉田侑冬,中尾光之,片山統裕
    • 学会等名
      生体医工学シンポジウム2016
    • 発表場所
      大雪クリスタルホール国際会議場(旭川市)
    • 年月日
      2016-09-17
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] レバー操作行動学習のためのマウス用スパウトレバー装置の開発2015

    • 著者名/発表者名
      高橋優斗, 片山統裕, 吉田侑冬, 辛島彰洋, 中尾光之
    • 学会等名
      電子情報通信学会MEとバイオサイバネティクス研究会
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2015-11-20
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [学会発表] 技能課題が睡眠時に観測される自発脳波に及ぼす影響2015

    • 著者名/発表者名
      塚田僚, 辛島彰洋, 安齋友花, 片山統裕, 中尾光之
    • 学会等名
      電子情報通信学会MEとバイオサイバネティクス研究会
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2015-11-20
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [学会発表] Estimation of functional brain map of mice based on optical intrinsic imaging and independent component analysis2015

    • 著者名/発表者名
      Yuto Yoshida, Norihiro Katayama, Daiki Nakagawa, Akihiro Karashima, Mitsuyuki Nakao
    • 学会等名
      Life Engineering Symposium 2015, SICE
    • 発表場所
      飯塚
    • 年月日
      2015-09-02
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [学会発表] Model-based Evaluation of mutidrug cancer chronotherapy2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Inokawa, Norihiro Katayama, Mitsuyuki Nakao
    • 学会等名
      XIV European Biological Rhythms Society (EBRS) & IV World Congress of Chronobiology (WCC)
    • 発表場所
      Manchester, GB
    • 年月日
      2015-08-02
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Velocity Response-based Modeling of Photoperiod-dependent Synchronization Patterns of Pacemaker Cells in Suprachiasmatic Nucleus2015

    • 著者名/発表者名
      Mitsuyuki Nakao, Ayumi Yoshioka, Norihiro Katayama
    • 学会等名
      XIV European Biological Rhythms Society (EBRS) & IV World Congress of Chronobiology (WCC)
    • 発表場所
      Manchester, GB
    • 年月日
      2015-08-02
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Transcranial green-reflected-light macro imaging of spontaneous cortical activities in unanesthetized mice2015

    • 著者名/発表者名
      Yuto Yoshida,Norihiro Katayama, Daiki Nakagawa, Akihiro Karashima, Mitsuyuki Nakao
    • 学会等名
      38th Ann Meet Japan Neurosci Soc (Neuroscience 2015)
    • 発表場所
      Kobe
    • 年月日
      2015-07-30
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of somatosensory feedback on behavior of mouse in the virtual reality environment2015

    • 著者名/発表者名
      Norihiro Katayama, Toshio Araya, Yuto Yoshida, Akihiro Karashima, Mitsuyuki Nakao
    • 学会等名
      38th Ann Meet Japan Neurosci Soc (Neuroscience 2015)
    • 発表場所
      Kobe
    • 年月日
      2015-07-29
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Computer simulations of distance selective recruitment of myelinated nerve fibers in central nervous system by electrical stimulation2015

    • 著者名/発表者名
      Anri Sato,Norihiro Katayama, Ayako Ueno, Akihiro Karashima, Mitsuyuki Nakao
    • 学会等名
      38th Ann Meet Japan Neurosci Soc (Neuroscience 2015)
    • 発表場所
      Kobe
    • 年月日
      2015-07-28
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 経頭蓋フラビン蛍光イメージング法によるマウス大脳皮質自発活動の睡眠状態依存性解析2015

    • 著者名/発表者名
      片山統裕, 中川大輝, 吉田侑冬, 辛島彰洋
    • 学会等名
      日本睡眠学会第40回定期学術集会
    • 発表場所
      宇都宮
    • 年月日
      2015-07-02
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [学会発表] 無麻酔下マウスにおける大脳皮質自発活動の内因性光イメージング解析2015

    • 著者名/発表者名
      吉田侑冬, 片山統裕, 中川大輝, 辛島彰洋, 中尾光之
    • 学会等名
      第54回生体医工学会大会
    • 発表場所
      名古屋
    • 年月日
      2015-05-09
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [備考] フラビン緑色自家蛍光を利用した自発性脳活動の機能イメージング解析

    • URL

      http://www.biomd.ecei.tohoku.ac.jp/kata/iosi/

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [備考] 内因性光信号イメージング法による脳機能の解析

    • URL

      http://www.biomdl.ecei.tohoku.ac.jp/ois/

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [備考] in vivo 脳機能イメージング

    • URL

      http://www.biomdl.ecei.tohoku.ac.jp/imaging/

    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書

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公開日: 2015-04-16   更新日: 2023-12-25  

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