７テスラ超高磁場 MRI による in vivo 大脳皮質分節マッピング法の開発

• 研究課題/領域番号: 19K22985
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分90:人間医工学およびその関連分野
• 研究機関: 生理学研究所
• 研究代表者: 福永 雅喜 生理学研究所, システム脳科学研究領域, 准教授 (40330047)
• 研究分担者: 梅田 雅宏 明治国際医療大学, 医学教育研究センター, 教授 (60223608)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2019年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: ７テスラMRI / 髄鞘密度 / 大脳皮質 / 高分解能MRI / 磁化率 / 7テスラMRI / 皮質分節 / 拡散 / ミエリン

研究開始時の研究の概要

レイヤーレベルの大脳皮質髄鞘密度を反映するMyeloarchitectonic imaging法の開発と、個人脳データに基づく脳アトラス構築のために、①皮質内髄鞘分布を高度に反映する定量的磁化率画像および緩和画像の開発、②細胞微細形状計測に特化した拡散画像法の開発と7テスラ超高磁場MRIへの導入、③定量的磁化率画像、緩和画像および拡散画像から髄鞘密度分布様態を画像化、④Myeloarchitectonic imagingによる大脳皮質髄鞘密度分布解析と皮質分節再構築、の４課題を実施する。これらにより、個体レベルのデータから髄鞘分布形態に由来する大脳皮質分節マップの再構築を目指す。

研究成果の概要

細胞微細構造計測に特化した定量的磁化率画像およびT2*緩和時間画像を導出するためのマルチエコーグラディエントエコー法の開発と、相反する磁化率をもつ組織に含有されるミエリンと鉄を分離同定するために必要な常磁性磁化率および反磁性磁化率を個別に描出する画像生成法の開発を実施した。前者では、エコー間の読み取り磁場勾配スキームを鏡像関係に維持することでアーチファクトの大幅な低減が可能であった。後者では、周波数シフトとR2'緩和時間情報から常磁性及び反磁性を分離するモデルを生成し、組織標本の染色像から得られた大脳皮質内髄鞘密度分布と高い一致を示す反磁性磁化率画像の取得が可能となった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来の脳画像は、脳の大局的な形状（脳回や脳溝形状、体積や厚さなど）から異常を見出すことを目的とされてきた。しかし、脳の機能局在を示す脳領野は、大脳皮質のメゾスコピックな微細構造形状に基づくため、これらの描出技術が望まれる。本研究では、ヒト生体に応用可能な磁気共鳴法を用いて脳内の微細構造描出技術を開発した。本成果は、脳研究の発展のみならず、神経疾患の病態メカニズム探索にも応用可能と考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] Seoul National University(韓国)
• [国際共同研究] NeuroSpin(フランス)
• [国際共同研究] Maastricht University(オランダ)
• [国際共同研究] National Institutes for Health/University of Minnesota(米国)
• [国際共同研究] National Health Research Institutes(その他の国・地域)
• [国際共同研究] Seoul National University(韓国)
• [国際共同研究] NeuroSpin(フランス)
• [国際共同研究] Maastricht University(オランダ)
• [国際共同研究] National Institutes for Health/University of Minnesota(米国)
• [国際共同研究] National Health Research Institutes(その他の国・地域)
• [雑誌論文] Layer-specific activation in human primary somatosensory cortex during tactile temporal prediction error processing (2022)
  • 著者名/発表者名: Yu Yinghua、Huber Laurentius、Yang Jiajia、Fukunaga Masaki、Chai Yuhui、Jangraw David C.、Chen Gang、Handwerker Daniel A.、Molfese Peter J.、Ejima Yoshimichi、Sadato Norihiro、Wu Jinglong、Bandettini Peter A.
  • 雑誌名: NeuroImage 巻: 248 ページ: 118867-118867
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2021.118867
  • NAID: 120007188347
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] χ-separation: Magnetic susceptibility source separation toward iron and myelin mapping in the brain (2021)
  • 著者名/発表者名: Shin Hyeong-Geol、Lee Jingu、Yun Young Hyun、Yoo Seong Ho、Jang Jinhee、Oh Se-Hong、Nam Yoonho、Jung Sehoon、Kim Sunhye、Fukunaga Masaki、Kim Woojun、Choi Hyung Jin、Lee Jongho
  • 雑誌名: NeuroImage 巻: 240 ページ: 118371-118371
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2021.118371
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The integrative role of the M1 in motor sequence learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Hamano Yuki H.、Sugawara Sho K.、Fukunaga Masaki、Sadato Norihiro
  • 雑誌名: Neuroscience Letters 巻: 760 ページ: 136081-136081
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2021.136081
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cognitive control affects motor learning through local variations in GABA within the primary motor cortex (2021)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Shuki、Fukunaga Masaki、Sugawara Sho K.、Hamano Yuki H.、Yamamoto Tetsuya、Sadato Norihiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 18566-18566
  • DOI: 10.1038/s41598-021-97974-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Association Study Between White Matter Microstructure and Intelligence Decline in Schizophrenia (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Junya、Miura Kenichiro、Fukunaga Masaki、Nemoto Kiyotaka、Koshiyama Daisuke、Okada Naohiro、Morita Kentaro、Yamamori Hidenaga、Yasuda Yuka、Fujimoto Michiko、Ito Satsuki、Hasegawa Naomi、Watanabe Yoshiyuki、Kasai Kiyoto、Hashimoto Ryota
  • 雑誌名: Clinical EEG and Neuroscience 巻: in press 号: 6 ページ: 0-0
  • DOI: 10.1177/15500594211063314
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vestibular Morphological Asymmetry Associated With Motion Sickness Susceptibility (2021)
  • 著者名/発表者名: Harada Takumi、Sugawara Tomoko、Ito Taeko、Wada Yoshiro、Fukunaga Masaki、Sadato Norihiro、Larroque Stephen K.、Demertzi Athena、Laureys Steven、Sakai Hiroyuki
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroscience 巻: 15 ページ: 763040-763040
  • DOI: 10.3389/fnins.2021.763040
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Relationship between white matter microstructure and work hours (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Junya、Fukunaga Masaki、Miura Kenichiro、Nemoto Kiyotaka、Koshiyama Daisuke、Okada Naohiro、Morita Kentaro、Yamamori Hidenaga、Yasuda Yuka、Fujimoto Michiko、Hasegawa Naomi、Watanabe Yoshiyuki、Kasai Kiyoto、Hashimoto Ryota
  • 雑誌名: Neuroscience Letters 巻: 740 ページ: 135428-135428
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2020.135428
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantitative Evaluations of Geometrical Distortion Corrections in Cortical Surface‐Based Analysis of High‐Resolution Functional MRI Data at 7T (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Tetsuya、Fukunaga Masaki、Sugawara Sho K.、Hamano Yuki H.、Sadato Norihiro
  • 雑誌名: Journal of Magnetic Resonance Imaging 巻: 53 号: 4 ページ: 1220-1234
  • DOI: 10.1002/jmri.27420
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Differences in fractional anisotropy between the patients with schizophrenia and healthy comparison subjects. (2020)
  • 著者名/発表者名: Koshiyama D, Fukunaga M, Okada N, Morita K, Nemoto K, Usui K, Yamamori H, Yasuda Y, Fujimoto M, et al.
  • 雑誌名: Mol Psychiatry 巻: 25(4) 号: 4 ページ: 697-698
  • DOI: 10.1038/s41380-020-0700-1
  • NAID: 120006950307
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neuroimaging studies within Cognitive Genetics Collaborative Research Organization aiming to replicate and extend works of ENIGMA (2020)
  • 著者名/発表者名: Koshiyama Daisuke、Miura Kenichiro、Nemoto Kiyotaka、Okada Naohiro、Matsumoto Junya、Fukunaga Masaki、Hashimoto Ryota
  • 雑誌名: Human Brain Mapping 巻: in press 号: 1 ページ: 182-193
  • DOI: 10.1002/hbm.25040
  • NAID: 120007180728
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Promoter Activity-Based Case-Control Association Study on SLC6A4 Highlighting Hypermethylation and Altered Amygdala Volume in Male Patients With Schizophrenia (2020)
  • 著者名/発表者名: Ikegame T, Bundo M, Okada N, Murata Y, Koike S, Sugawara H, Saito T, Ikeda M, Owada K, Fukunaga M, Yamashita F, Koshiyama D, Natsubori T, Iwashiro N, Asai T, Yoshikawa A, Nishimura F, Kawamura Y, Ishigooka J, Kakiuchi C, Sasaki T, Abe O, Hashimoto R, Iwata N, Yamasue H, Kato T, Kasai K, Iwamoto K
  • 雑誌名: Schizophrenia Bulletin 巻: 46 号: 6 ページ: 1577-1586
  • DOI: 10.1093/schbul/sbaa075
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Is Human Brain Activity During Driving Operations Modulated by the Viscoelastic Characteristics of a Steering Wheel?: An fMRI Study (2020)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Yoshihisa、Sasaoka Takafumi、Sadato Norihiro、Fukunaga Masaki、Yamamoto Tetsuya、Soh Zu、Nouzawa Takahide、Yamawaki Shigeto、Tsuji Toshio
  • 雑誌名: IEEE Access 巻: 8 ページ: 215073-215090
  • DOI: 10.1109/access.2020.3040231
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Differentiation of schizophrenia using structural MRI with consideration of scanner differences: A real-world multi-site study. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nemoto K, Shimokawa T, Fukunaga M, Yamashita F, Tamura M, Yamamori H, Yasuda Y, Azechi H, Kudo N, Watanabe Y, Kido M, Takahashi T, Koike S, Okada N, Hirano Y, Onitsuka T, Yamasue H, Suzuki M, Kasai K, Hashimoto R, Arai T.
  • 雑誌名: Psychiatry Clin Neurosci 巻: 74(1) 号: 1 ページ: 56-63
  • DOI: 10.1111/pcn.12934
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 超高磁場MRIによる脳機能イメージング -種間比較をめざして (2019)
  • 著者名/発表者名: 定藤規弘、福永雅喜
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 270 ページ: 685-691
• [雑誌論文] Comparison of 3T and 7T MRI for the visualization of globus pallidus sub-segments (2019)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Shuki、Fukunaga Masaki、Fautz Hans-Peter、Heidemann Robin、Sadato Norihiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 18357-18357
  • DOI: 10.1038/s41598-019-54880-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] White matter microstructural alterations across four major psychiatric disorders: mega-analysis study in 2937 individuals (2019)
  • 著者名/発表者名: Koshiyama Daisuke、(他38名18番目）Yamamoto Meeri
  • 雑誌名: Molecular Psychiatry 巻: 25 号: 4 ページ: 883-895
  • DOI: 10.1038/s41380-019-0553-7
  • NAID: 120006980539
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Reproducibility evaluation on resolving complex fiber orientations using diffusion spectrum imaging at 3T and 7T (2021)
  • 著者名/発表者名: Chen NH, Cho KH, Chao YP, Huang SM, Sadato N, Kuo LW, Fukunaga M
  • 学会等名: 2021 ISMRM & SMRT Annual Meeting & Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] Layer-specific activation of prediction in the human midcingulate cortex (2021)
  • 著者名/発表者名: Yang J, Fukunaga M, Yu Y,Huber L, Bandettini PA, Sadato N
  • 学会等名: 2021 ISMRM & SMRT Annual Meeting & Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] Ultra high field functional-structural MRI analysis of neural basis of intentional sharing (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukunaga M
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 追跡眼球運動中の大脳皮質活動特性：円滑追跡眼球運動と衝動性眼球運動の比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三浦健一郎，山本哲也，松田圭司，松本純弥，橋本亮太，小野誠司，定藤規弘，福永雅喜
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 追跡眼球運動中の大脳皮質活動特性：円滑追跡眼球運動と衝動性眼球運動の比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中山義久，菅原翔，福永雅喜，濱野友希，定藤規弘，西村幸男
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 7T-MR装置を用いた1H-CSIによる脳の代謝物計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 梅田雅宏, 福永雅喜, 定藤規弘, 渡辺康晴, 河合裕子, 村瀬智一, 樋口敏宏
  • 学会等名: 第49回日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] Inferotemporal Lobe High-Resolution fMRI at Ultra-High Field Using Multi-Shot EPI. (2021)
  • 著者名/発表者名: Waggoner RA, Fukunaga M, Tanskanen T, Ueno K, Sadato N, Tanaka K
  • 学会等名: 第49回日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] ７テスラ超高磁場MRIによる脳イメージング (2021)
  • 著者名/発表者名: 福永雅喜
  • 学会等名: 第39回神経治療学会学術大会シンポジウム
• [学会発表] Orientation Distribution Function (ODF) based reproducibility in diffusion spectrum imaging (DSI) at 3T and 7T (2021)
  • 著者名/発表者名: Chen NH, Cho KH, Chao YP, Huang SM, Sadato N, Kuo LW, Fukunaga M
  • 学会等名: ISMRM Diffusion Study Group Trainee Day: 24 Hours of DIFFUSION Around the World!
  • 国際学会
• [学会発表] Quantitative Evaluations of Geometric Distortion Corrections in Surface-Based Analysis of 7T fMRI (2020)
  • 著者名/発表者名: etsuya Yamamoto, Sho Sugawara, Yuki Hamano, Masaki Fukunaga, Norihiro Sadato
  • 学会等名: 2020 Organization for Human Brain Mapping Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Linking Multimodal Parcellation 1.0 of Human Connectome Project to MNI Coordinates (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Yamamoto, Masaki Fukunaga, Norihiro Sadato
  • 学会等名: 2020 Organization for Human Brain Mapping Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Parcellation of the human brain cortex using a model free, sparse acquisition diffusion MRI approach (S-index) (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, Tetsuya Fukunaga, Masaki Sadato, Norihiro Le Bihan, Denis
  • 学会等名: 2020 ISMRM & SMRT VIRTUAL CONFERENCE & EXHIBITION
  • 国際学会
• [学会発表] Diurnal fluctuation of glutathione measured with MR spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Urayama, Shin-ichi Yoshihara, Yujiro Fukunaga, Masaki Murai, Toshiya
  • 学会等名: 2020 ISMRM & SMRT VIRTUAL CONFERENCE & EXHIBITION
  • 国際学会
• [学会発表] 統合失調症のbiotypeである認知機能障害と大脳白質構造異常の関連 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松本純弥、三浦健一郎、坂元竜馬、福永雅喜、越山太輔、根本清貴、岡田直大、森田健太郎、大井一高、長谷川尚美、藤本美智子、山森英長、安田由華、笠井清登、渡邉嘉之、橋本亮太
  • 学会等名: NPBPPP 2020 合同年会
• [学会発表] 統合失調症患者と健常被験者における拡散テンソル画像を用いた大脳白質微細構造と認知機能、認知機能障害、労働時間との関連 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松本純弥、三浦健一郎、福永雅喜、越山太輔、根本清貴、大井一高、岡田直大、長谷川尚美、山森英長、安田由華、藤本美智子、鬼塚俊明、高橋努、尾崎紀夫、渡邉嘉之、橋本亮太
  • 学会等名: NPBPPP 2020 合同年会
• [学会発表] Kinetic Oscillatory Stimulation in the Nasal Cavity Elicits Functional Brain Activation in the Limbic System of the Brain (2020)
  • 著者名/発表者名: Xia Li, Masaki Fukunaga, Tie-Qiang Li
  • 学会等名: 11th Annual Scientific Symposium Ultrahigh Field Magnetic Resonance: Clinical Needs, Research Promises and Technical Solutions
  • 国際学会
• [学会発表] 7T-MRI装置におけるMP2RAGEを用いた視床内部構造の描出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中根俊樹、福永雅喜、田岡俊昭、川井恒、加藤裕、櫻井康雄、長縄慎二
  • 学会等名: 第48回日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] Feasibility study on a single-channel microstrip transmission-line RF coil integrated with PET detector module for a 7T whole-body MRI system. Virtual (2020)
  • 著者名/発表者名: Akram MSH, Fukunaga M, Nishikido F, Takyu S, Obata T, Yamaya T.
  • 学会等名: 2020 IEEE Nuclear Science Symposiu & Medical Imaging Conference.
  • 国際学会
• [学会発表] Brain Microstructure and Function using Ultra High Field MRI (2020)
  • 著者名/発表者名: Masaki Fukunaga
  • 学会等名: The 10th BRI International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Brain microstructure and function using ultra high field MRI (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaki Fukunaga
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] 超高磁場MRIによる脳機能画像研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 福永雅喜
  • 学会等名: 第47回日本磁気共鳴医学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 7TMRIを用いたヒト淡蒼球内部構造の描出: 3T MRIとの比較 (2019)
  • 著者名/発表者名: 丸山修紀、福永雅喜、定藤規弘
  • 学会等名: 第47回日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] 7T-MR装置を用いたCSIによる脳の代謝物計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 梅田雅宏、福永雅喜、定藤規弘、渡辺康晴、河合裕子、村瀬智一、樋口敏宏
  • 学会等名: 第47回日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] Origins of phase contrast in white matter (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaki Fukunaga, Jeff Duyn
  • 学会等名: 5th INTERNATIONAL WORKSHOP ON MRI PHASE CONTRAST & QUANTITATIVE SUSCEPTIBILITY MAPPING
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Separating positive and negative susceptibility sources in QSM (2019)
  • 著者名/発表者名: Hyeong-Geol Shin, Jingu Lee, Masaki Fukunaga, Yoonho Nam, Se-Hong Oh, Jongho Lee
  • 学会等名: 5th INTERNATIONAL WORKSHOP ON MRI PHASE CONTRAST & QUANTITATIVE SUSCEPTIBILITY MAPPING
  • 国際学会
• [図書] 超高磁場MRIによる脳機能評価の実際 (2020)
  • 著者名/発表者名: 福永雅喜
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: 株式会社インナービジョン
  • ISBN: 9784902131901
• [図書] 痛みのバイオマーカーとしての 機能的脳画像診断法 (2020)
  • 著者名/発表者名: 倉田二郎
  • 総ページ数: 384
  • 出版者: 真興交易 医書出版部
  • ISBN: 4880039292