脳情報フィードバック制御を活用した病態進行の予測・改善手法の開発

• 研究課題/領域番号: 19K12768
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分90110:生体医工学関連
• 研究機関: 同志社大学
• 研究代表者: 井出 薫 同志社大学, 研究開発推進機構, 助教 (90806671)
• 研究分担者: 高橋 晋 同志社大学, 脳科学研究科, 教授 (20510960)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
• キーワード: 脳神経回路 / オプトジェネティクス / 神経細胞活動 / マルチニューロン

研究開始時の研究の概要

脳神経回路網は動的に恒常性を維持・変容させる機構を備えているが、脳神経細胞が重度に変性・脱落した場合、恒常性変容機構が病的に作用し、神経変性疾患が発症すると考えられる。しかし、従来の脳深部刺激法は動的恒常性の乱れが考慮されておらず、刺激手順の体系的な最適化は成されていない。
本研究では、パーキンソン病に着目し、情報工学と最先端の電気生理学的手法を用い、脳神経回路の活動動態をリアルタイムに計測・解読し、解読した脳状態に応じた神経刺激を加え、脳機能ネットワーク活動をフィードバック制御する。更に、最適な解読情報、刺激パターン・タイミング等を探り出し、病態進行の予測・改善へ導く手法の開発を目指す。

研究成果の概要

我々が参画した共同研究成果により、パーキンソン病（PD)症状の検出や動物行動特徴の同定が可能になった。また、PDを起因とした動物の多個体インタラクションの阻害や特徴的行動に合わせたフィードバック制御が可能になった。我々が開発した自在に再構成可能な迷路を導入することで、症状改善度を動物行動学的に検証することも可能になり、脳情報を的確にフィードバックすることが可能になった。腹側被蓋野ドーパミン細胞が報酬位置課題において効果をもたらし、空間記憶持続と適応に関与することを確認した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

我々が参画した共同研究の成果により、PD動物の行動特徴の自動検出やPDを起因とした動物の行動の同定が可能になったことにより、PDの病態進行予測に大きく貢献していると考えられる。また、光遺伝学にもとづいた神経刺激により、ターゲットの神経細胞活動をリアルタイムで変容させることが可能になった。これらの成果は、PDの治療効果の向上と患者の生活の質の改善に寄与し、医療分野における革新的な進展を示すと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] The neural representation of time distributed across multiple brain regions differs between implicit and explicit time demands (2023)
  • 著者名/発表者名: Sawatani Fumiya、Ide Kaoru、Takahashi Susumu
  • 雑誌名: Neurobiology of Learning and Memory 巻: 199 ページ: 107731-107731
  • DOI: 10.1016/j.nlm.2023.107731
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Review of Neurologgers for Extracellular Recording of Neuronal Activity in the Brain of Freely Behaving Wild Animals (2022)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Ide, Susumu Takahashi
  • 雑誌名: micromachines 巻: 13(9) 号: 9 ページ: 1529-1529
  • DOI: 10.3390/mi13091529
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Utilizing a Reconfigurable Maze System to Enhance the Reproducibility of Spatial Navigation Tests in Rodents (2022)
  • 著者名/発表者名: Fumiya Sawatani, Yuta Tamatsu, Kaoru Ide, Hirotsugu Azechi, Susumu Takahashi
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: 190 号: 190
  • DOI: 10.3791/64754
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cross-species behavior analysis with attention-based domain-adversarial deep neural networks (2021)
  • 著者名/発表者名: Maekawa Takuya、Higashide Daiki、Hara Takahiro、Matsumura Kentarou、Ide Kaoru、Miyatake Takahisa、Kimura Koutarou D.、Takahashi Susumu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 5519-5519
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25636-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Wireless logging of extracellular neuronal activity in the telencephalon of free-swimming salmonids (2021)
  • 著者名/発表者名: Susumu Takahashi, Takumi Hombe, Riku Takahashi, Kaoru Ide, Shinichiro Okamoto, Ken Yoda, Takashi Kitagawa and Yuya Makiguchi
  • 雑誌名: Animal Biotelemetry 巻: 9 号: 1 ページ: 9-9
  • DOI: 10.1186/s40317-021-00232-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deep learning-assisted comparative analysis of animal trajectories with DeepHL (2020)
  • 著者名/発表者名: Takuya Maekawa, Kazuya Ohara, Yizhe Zhang, Matasaburo Fukutomi, Sakiko Matsumoto, Kentarou Matsumura, Hisashi Shidara, Shuhei J. Yamazaki, Ryusuke Fujisawa, Kaoru Ide, Naohisa Nagaya, Koji Yamazaki, Shinsuke Koike, Takahisa Miyatake, Koutarou D. Kimura, Hiroto Ogawa, Susumu Takahashi, and Ken Yoda
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 5316-5316
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19105-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Reconfigurable Maze Provides Flexible, Scalable, Reproducible, and Repeatable Tests (2020)
  • 著者名/発表者名: Hoshino Satoshi、Takahashi Riku、Mieno Kana、Tamatsu Yuta、Azechi Hirotsugu、Ide Kaoru、Takahashi Susumu
  • 雑誌名: iScience 巻: 23 号: 1 ページ: 100787-100787
  • DOI: 10.1016/j.isci.2019.100787
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Coding of elapsed time in the hippocampal CA1 of rats during a timeestimation task performance (2023)
  • 著者名/発表者名: 澤谷 郁哉、井出 薫、畦地 裕統、髙橋 晋
  • 学会等名: 日本生理学会第100回記念大会
• [学会発表] Representation of space and time in the avian hippocampus (2023)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 晋
  • 学会等名: 日本生理学会第100回記念大会
• [学会発表] 渡り鳥の幼鳥の内側外套にある頭方位細胞は北方位を好む (2022)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 晋 、本部 拓未 、松本 祥子 、井出 薫 、依田 憲
  • 学会等名: NEURO2022（第45回日本神経科学大会）
• [学会発表] 海馬における経路初期化表現 (2022)
  • 著者名/発表者名: 三重野 華菜 、井出 薫 、髙橋 晋
  • 学会等名: NEURO2022（第45回日本神経科学大会）
• [学会発表] 海馬における自発的な計時行動の神経相関 (2022)
  • 著者名/発表者名: 澤谷 郁哉、畦地 裕統、井出 薫、髙橋 晋
  • 学会等名: NEURO2022（第45回日本神経科学大会）
• [学会発表] VTAからのドーパミンがマウスのナビゲーション行動時の学習に与える影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 玉津 裕太、高橋 陸、畦地 裕統、井出 薫、髙橋 晋
  • 学会等名: NEURO2022（第45回日本神経科学大会）
• [学会発表] Role of VTA dopaminergic input to the hippocampus for novel learning during spatial navigation (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. TAMATSU, R. TAKAHASHI, H. AZECHI, K. IDE, S. TAKAHASHI
  • 学会等名: Society for Neuroscience 51st Annual Meetings(SfN2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Representation of active time perception in the hippocampal CA1 neurons (2022)
  • 著者名/発表者名: F. SAWATANI, H. AZECHI, K. IDE, S. TAKAHASHI
  • 学会等名: Society for Neuroscience 51st Annual Meetings(SfN2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 生物集団の軌跡から相互作用の規則を学習するための拡張行動モデル (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤井 慶輔、武石 直也、筒井 和詩、藤岡 慧明、西海 望、田中 良弥、福代 三華、井出 薫、河野 裕美、依田 憲、高橋 晋、飛龍 志津子、河原 吉伸
  • 学会等名: 第24回情報論的学習理論ワークショップ (IBIS2021)
• [学会発表] Learning interaction rules from multi-animal trajectories via augmented behavioral models (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Fujii, Naoya Takeishi, Kazushi Tsutsui, Emyo Fujioka, Nozomi Nishiumi, Ryoya Tanaka, Mika Fukushiro, Kaoru Ide, Hiroyoshi Kohno, Ken Yoda, Susumu Takahashi, Shizuko Hiryu, Yoshinobu Kawahara
  • 学会等名: Advances in Neural Information Processing Systems (NeurIPS'21)
  • 国際学会
• [学会発表] 時間細胞と場所細胞の類似性について (2021)
  • 著者名/発表者名: 三重野 華菜、星野 諭、井出 薫、髙橋 晋
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会（web開催）
• [学会発表] 時間細胞と場所細胞の類似性について (2020)
  • 著者名/発表者名: 三重野 華菜, 星野 諭, 井出 薫, 髙橋 晋
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] 同一実験室内における様々な迷路上での場所細胞の神経活動 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三重野華菜, 星野諭, 井出薫, 髙橋晋
  • 学会等名: 第97回 日本生理学会大会
• [学会発表] 歩行する海鳥および遊泳するサケ科魚類の脳における空間ナビゲーションの神経相関 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井出薫, 本部拓未, 岡本慎一郎, 松本祥子, 依田憲, 牧口祐也, 髙橋晋
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
• [学会発表] 再構成可能な迷路は記憶学習研究のための繰り返し精度の高い再現性を有するテストを提供する (2019)
  • 著者名/発表者名: 髙橋晋, 星野諭, 井出薫
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
• [学会発表] マウス用に開発された再構成可能な迷路における移動軌跡の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋陸, 玉津裕太, 井出薫, 髙橋晋
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会