霊長類のMRI脳区分マップに基づくヒトの脳構造の進化・発達過程の統合的理解

• 研究課題/領域番号: 17K18097
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 自然人類学; 神経解剖学・神経病理学
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 (2019); 慶應義塾大学 (2017-2018)
• 研究代表者: 酒井 朋子 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 脳機能イメージング研究部, 研究員(任常) (30640099)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2018年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2017年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: オープンサイエンス / 計算解剖学 / 比較神経科学 / 脳進化 / 脳発達 / 霊長類 / DTI / MRI / MRI画像解析 / 計算解剖学的手法 / 比較脳解剖イメージング / コモンマーモセット / チンパンジー

研究成果の概要

本研究の成果は次の三つである。（１）20種類の非ヒト霊長類脳標本から高解像度の脳構造画像を撮像し、霊長類脳画像リポジトリの開発・公開を行った。（２）マーモセット、チンパンジー、ヒトを対象に大脳半球を結ぶ最の神経束である脳梁に着目して、養育や社会性に関わる脳領域の発達様式における相同性・相異性を見出した。（３）ヒト脳で開発された最先端の画像変形アルゴリズム (LDDMM)を展開することで、脳領域の進化的変化を包括的に定量画像分析を可能とする計算技術を開発した。これにより、霊長類における脳システムの相同性と特異性を見出し、ヒト特異的な脳回路の進化的起源を解明につながることが期待できる。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、ヒト脳で開発された最先端の画像変形アルゴリズムを霊長類脳にも展開することで、脳構造の進化的変化を高精度に検出する計算技術を開発した。さらに、9.4テスラ高磁場MRIにより、20種の霊長類脳の脳構造画像と拡散強調画像のデータベースを開発し、広く供した。このように計算解剖学で醸造された最先端技術の射程を、人類進化学や脳科学にまで拡大することは、学際的見地からみても新規であり、ヒトの認知機能の進化基盤を推測するうえでも重要であることから、非常に特色のある研究となった。さらに、霊長類モデルを用いた精神・神経疾患の前臨床研究への応用にも貢献できることから、大きな波及効果をもたらすと考える。

研究成果

• [国際共同研究] Radiology and Radiological Science/JHMI(米国)
• [国際共同研究] The National Chimpanzee Brain Resource(米国)
• [国際共同研究] Faculty of Science/Complex Traits Genetics, CNCR/VU Amsterdam(オランダ)
• [国際共同研究] JNCA/University of Strasbourg(フランス)
• [国際共同研究] Johns Hopkins University(米国)
• [国際共同研究] Department of Radiology/Johns Hopkins University/School of Medicine(米国)
• [雑誌論文] Accelerating the Evolution of Nonhuman Primate Neuroimaging (2020)
  • 著者名/発表者名: Milham Michael、et al
  • 雑誌名: Neuron 巻: 105 号: 4 ページ: 600-603
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2019.12.023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 霊長類比較脳MRI研究のためのJMC霊長類脳画像リポジトリ：精神・神経疾患の進化的起源の解明に向けて (2019)
  • 著者名/発表者名: 酒井 朋子 , 畑純一、太田裕貴、新宅勇太、木村直人、森進、岡野ジェイムス洋尚、濱田穣、岡野栄之、 大石健一
  • 雑誌名: 第47回日本磁気共鳴医学学会大会講演抄録集 巻: 39 ページ: 223-223
• [雑誌論文] The Japan Monkey Centre Primates Brain Imaging Repository for comparative neuroscience: an archive of digital records including records for endangered species. (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai T, Hata J, Ohta H, Shintaku Y, Kimura N, Ogawa Y, Sogabe K, Mori , Okano HJ, Hamada Y, Shibata S, Okano H, Oishi K.
  • 雑誌名: Primates. 巻: 59(6) 号: 6 ページ: 553-570
  • DOI: 10.1007/s10329-018-0694-3
  • NAID: 120006954914
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Developmental trajectory of the corpus callosum from infancy to the juvenile stage: Comparative MRI between chimpanzees and humans (2017)
  • 著者名/発表者名: Sakai Tomoko、Mikami Akichika、Suzuki Juri、Miyabe-Nishiwaki Takako、Matsui Mie、Tomonaga Masaki、Hamada Yuzuru、Matsuzawa Tetsuro、Okano Hideyuki、Oishi Kenichi
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 12 号: 6 ページ: 1-34
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0179624
  • NAID: 120006325120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Elucidation of developmental patterns of marmoset corpus callosum through a comparative MRI in marmosets, chimpanzees, and humans (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Sakai, Yuji Komaki, Junichi Hata, Junko Okahara, Norio Okahara, Takashi Inoue, Akichika Mikami, Mie Matsui, Kenichi Oishi, Erika Sasaki, and Hideyuki Okano
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 印刷中 ページ: 25-34
  • DOI: 10.1016/j.neures.2017.04.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 非ヒト霊長類の脳イメージング研究の発展・加速；The PRIMatE Data Exchange (PRIME-DE) Global Collaboration Workshop and Consortium (2020)
  • 著者名/発表者名: 酒井朋子、南本敬史、平林敏行
  • 学会等名: 第９回日本マーモセット研究会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Mapping the Evolution and Development of the Primate Brain by Various Neuroimaging Techniques (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Sakai
  • 学会等名: 日本発生生物学会第53回大会
  • 招待講演
• [学会発表] Comparison of various primates specimen brain structure using MRI image (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazumi Sogabe, Junichi Hata, Tomoko Sakai, Yuta Shintaku, Hiroki Ohta, Hideyuki Okano, Hirotaka James Okano
  • 学会等名: The 43st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] 霊長類比較脳MRI研究のためのJMC霊長類脳画像リポジトリ：精神・神経疾患の進化的起源の解明に向けて (2019)
  • 著者名/発表者名: 酒井 朋子 , 畑純一、太田裕貴、新宅勇太、木村直人、森進、岡野ジェイムス洋尚、濱田穣、岡野栄之、 大石健一
  • 学会等名: 第47回日本磁気共鳴医学学会大会
• [学会発表] 非ヒト霊長類の脳標本を使用した白質異方性拡散の拡散強調MRイメージングの特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 曽我部和美, 畑純一, 酒井朋子, 新宅勇太, 太田裕貴, 岡野ジェイムス洋尚
  • 学会等名: 第47回日本放射線技術学会秋季学術大会
• [学会発表] Mapping the Evolution and Development of the Primate Brain by Neuroimaging (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Sakai
  • 学会等名: Department of Experimental Psychology - Cognitive & Behavioural Neuroscience Seminar series (BEACON), Oxford University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 最先端の計算解剖学的手法による比較霊長類脳イメージング研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 酒井朋子
  • 学会等名: 京都大学脳機能統合センター セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 最先端の計算解剖学的手法による比較霊長類脳イメージング研究の確立 (2019)
  • 著者名/発表者名: 酒井朋子、畑純一、太田裕貴、新宅勇太、木村直人、岡野ジェイムス洋尚、濱田穣、岡野栄之、森進、大石健一
  • 学会等名: 第8回日本マーモセット研究会大会
• [学会発表] 最新のコンピュターサイエンスがもたらす霊長類脳画像データーベース：サルにもヒトにもやさしい『オープンサイエンス』を目指して (2019)
  • 著者名/発表者名: 酒井朋子、畑純一、太田裕貴、新宅勇太、木村直人、岡野ジェイムス洋尚、濱田穣、岡野栄之、森進、大石健一
  • 学会等名: 第63回プリマーテス研究会
• [学会発表] The Japan Monkey Centre Primates Brain Imaging Repository for comparative neuroscience: an archive of digital records including records for endangered species (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai, T., Hata, J., Ohta, H., Shintaku, Y., Kimura, N., Ogawa, Y., Sogabe, K., Mori, S., Okano, H.J., Hamada, Y., Shibata, S., Okano, H., and Oishi, K.
  • 学会等名: Annual Meeting of the Society for Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] The Japan Monkey Centre Primates Brain Imaging Repository for comparative neuroscience: an archive of digital records including records for endangered species (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai, T., Hata, J., Ohta, H., Shintaku, Y., Kimura, N., Sogabe, K., Mori, S., Okano, H.J., Hamada, Y., Shibata, S., Okano, H., and Oishi, K
  • 学会等名: International Symposium Towards Understandin “INDIVIDUALITY”
  • 国際学会
• [学会発表] The Japan Monkey Centre Primates Brain Imaging Repository for comparative neuroscience: an archive of digital records including records for endangered species (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai, T., Hata, J., Ohta, H., Shintaku, Y., Kimura, N., Ogawa, Y., Sogabe, K., Mori, S., Okano, H.J., Hamada, Y., Okano, H., and Oishi, K
  • 学会等名: The 41st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] Development and evolution of human brain: insights from comparative anatomical MRI between chimpanzees and humans (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Sakai
  • 学会等名: The LANA Conference,
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 心の進化を語ろうー比較認知科学からの人間探求 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松沢 哲郎 編
  • 総ページ数: 265
  • 出版者: 株式会社 岩波書店
  • ISBN: 9784000063364
• [備考] JMC Centre Primates Brain Imaging Repository
  • URL: http://www.j-monkey.jp/BIR/index_e.html
• [備考] Laboratory of Brain Anatomical MRI, JHM（共同研究先）
  • URL: http://lbam.med.jhmi.edu/
• [備考] The National Chimpanzee Brain Resource（共同研究先）
  • URL: https://www.chimpanzeebrain.org
• [備考] The dutch connectome lab, VU Amsterdam（共同研究先）
  • URL: http://www.dutchconnectomelab.nl/index.php#home
• [備考] LNCA, University of Strasbourg（共同研究先）
  • URL: https://lnca.fr/23.html
• [備考] Laboratory of Brain Anatomical MRI (JHMI)
  • URL: http://lbam.med.jhmi.edu/
• [備考] Laboratory of Brain Anatomical MRI
  • URL: http://lbam.med.jhmi.edu/