経頭蓋脳深部刺激による発作感受性消去

• 研究課題/領域番号: 23K27481
• 補助金の研究課題番号: 23H02790 (2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分51030:病態神経科学関連
• 研究機関: 近畿大学 (2024); 北海道大学 (2023)
• 研究代表者: 竹内 雄一 近畿大学, 薬学部, 教授 (70588384)
• 研究分担者: 舘野 高 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (00314401) ; 鈴木 亮 帝京大学, 薬学部, 教授 (90384784) ; 松本 理器 神戸大学, 医学研究科, 教授 (00378754)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2027-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円); 2026年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2025年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2024年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2023年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: てんかん / 発作感受性 / 超音波 / 脳深部刺激 / 非侵襲的脳刺激

研究開始時の研究の概要

難治性てんかんの根治のためには脳内の発作感受性の消去が必要である。最近研究代表者らは、発作間欠期脳活動を用いた発作感受性の解読および定量化に成功し、さらにモデル動物において時空間特異的かつ細胞種特異的な深部脳領域刺激で発作感受性の低減・消去可能と見出した。しかしながら当該知見の応用には電極や光カニューラの脳実質への刺入に伴う侵襲性が課題である。一方、既存の非侵襲的脳刺激法は、深部到達性・空間特異性の不足および細胞種特異性のいずれかの欠如が課題である。そこで本研究は、非侵襲性、深部到達性、時空間特異性、および細胞種特異性を全て兼ね備えた新規脳深部刺激法の開発により、上記課題の解決を目指す。

研究実績の概要

難治性てんかんの根治のためには脳内の発作感受性の消去が必要である。最近研究代表者らは、発作間欠期脳活動を用いた発作感受性の解読および定量化に成功し、さらにモデル動物において時空間特異的かつ細胞種特異的な深部脳領域刺激で発作感受性の低減・消去可能と見出した。しかしながら当該知見の応用には電極や光カニューラの脳実質への刺入に伴う侵襲性が課題である。一方、既存の非侵襲的脳刺激法は、深部到達性・空間特異性の不足あるいは細胞種特異性の欠如いずれかが課題である。そこで本研究は、非侵襲性、深部到達性、時空間特異性、および細胞種特異性を全て兼ね備えた新規脳深部刺激法の開発による上記課題の解決を目的とした。当該新規脳刺激法と非侵襲的遺伝子導入法の融合により、革新的なてんかんの根治療法を創出する。さらにヒト頭皮上脳波から発作感受性を定量する手法の開発にも挑む。
初年度は、まずげっ歯類の頭蓋上にも留置可能なほど小型な集束超音波照射装置のプロトタイプを新規に作出するとともに、バクテリア由来の機械受容チャネルをげっ歯類の大脳に強制発現することで頭蓋外から非侵襲的に照射した超音波で大脳神経細胞の活動を制御する技術の開発に成功した。さらに共同研究により、哺乳類大脳における超音波ニューロモデュレーションに関わるイオンチャネルを新規に同定した。また健常ボランティアにおいて、頭皮上脳波記録を行う計測系を新たに立ち上げた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究遂行に際して重要な技術的課題である「超音波遺伝学による大脳神経細胞活動の非侵襲的制御」を既に達成できているため。さらに、共同研究を通じて当初は想定していなかった超音波ニューロモデュレーションに関わるチャネル分子を新規に同定できたため。そのため「当初の計画以上に進展している」と判断した。

今後の研究の推進方策

初年度において、小型集束超音波照射装置の作出およびげっ歯類大脳神経細胞の超音波遺伝学的制御を達成し、ヒト頭皮上脳波の計測系の立ち上げに成功した。次年度は、当該成果を発展させ、げっ歯類における超音波を用いた経頭蓋的神経活動制御法の研究開発、およびヒトの頭皮上脳波記録を利用した発作感受性の新規定量法開発を推進する。
1. 小型集束超音波照射装置の開発と評価：次年度は、初年度に作製した小型集束超音波照射装置をラットの頭蓋骨に急性または慢性的に留置し、経頭蓋的に神経活動を修飾可能かどうかその性能を評価する。
2. 超音波遺伝学的脳深部刺激法の研究開発：初年度に見出した超音波ニューロモデュレーションに関わる分子を超音波遺伝学素子として、侵襲的あるいは非侵襲的に深部脳領域における神経細胞に強制発現する。その後、経頭蓋集束超音波照射により標的神経細胞の活動操作が可能かどうか、組織学的および電気生理学的に評価する。
3. ヒト頭皮上脳波記録を用いた発作感受性定量法の開発：動物実験で見出しつつある発作感受性消去法の応用に向け、発作間欠期のヒト頭皮上脳波記録から発作感受性を定量する新技術を開発する。まず健常ボランティア被験者、てんかん患者、非てんかん患者各50人程度から常法に従って発作間欠期かつ安静時の頭皮上脳波を記録する。教師付き機械学習アルゴリズムの一種を用い、当該脳波記録から、健常ボランティア被験者、てんかん患者、および非てんかん患者を定量的に区別する識別機を構築する。

研究成果

• [国際共同研究] ニューヨーク大学(米国)
• [国際共同研究] セゲド大学(ハンガリー)
• [雑誌論文] TRPC6 is a mechanosensitive channel essential for ultrasound neuromodulation in mammalian brain (2024)
  • 著者名/発表者名: Matsushita YM, Yoshida K, Yoshiya M, Shimizu T, Tsukamoto S, Takeuchi Y, Higuchi M, Shimojo M
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 2024
  • DOI: 10.1101/2024.03.06.583779
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reinstating olfactory bulb-derived limbic gamma oscillations alleviates depression-like behavioral deficits in rodents (2023)
  • 著者名/発表者名: Li, Q.*, Takeuchi, Y.*, Wang, J., Barcsai, L., Pedraza, L.K., Kozak, G., Nakai, S., Kato, S., Kobayashi, K., Ohsawa, M., Lorincz, M.L., Devinsky, O., Buzsaki, G. and Berenyi, A. * Equal contribution
  • 雑誌名: Neuron 巻: 111 号: 13 ページ: 2065
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2023.04.013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Closed-loop brain stimulation augments fear extinction in male rats (2023)
  • 著者名/発表者名: Sierra RO, Pedraza LK, Barcsai L, Peijin A, Li Q, Kozak G, Takeuchi Y, Nagy AJ, Lorincz ML, Devinsky O, Buzsaki G, Berenyi A
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 3972-3972
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39546-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Toward non-invasive, precise control of internal organs via ultrasound neuromodulation of the autonomic nervous system (2023)
  • 著者名/発表者名: Xu Y, Yoshida K, Takeuchi Y
  • 雑誌名: Proc SPIE 巻: 12608 ページ: 59-59
  • DOI: 10.1117/12.3008167
  • 査読あり
• [学会発表] A closed-loop sonogenetic control of absence epilepsy (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K, Minami M, Takeuchi Y
  • 学会等名: The 101st Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
  • 招待講演
• [学会発表] A non-invasive gene transfection technology using transcranial focused ultrasound irradiation (2024)
  • 著者名/発表者名: Mimura T, Chan M, Minami M, Kudo N, Takeuchi Y
  • 学会等名: The 101st Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
• [学会発表] Reinstating olfactory bulb-derived limbic gamma oscillations alleviates depression-like behavioral deficits in rodents (2024)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Y
  • 学会等名: The 101st Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
• [学会発表] Reinstating olfactory bulb derived limbic gamma oscillations alleviates depression-like behavioral deficits in rodents (2024)
  • 著者名/発表者名: Li Q, Takeuchi Y, Wang J, Gellert L, Barcsai L, Pedraza LK, Nagy AJ, Kozak G, Nakai S, Kato S, Kobayashi K, Ohsawa M, Horvath G, Kekesi G, Lorincz ML, Devinsky O, Buzsaki G, Berenyi A
  • 学会等名: The 2nd International Symposium Hyper-Adaptability
  • 国際学会
• [学会発表] Transcranial sonoporation technology for non-invasive gene transfection (2023)
  • 著者名/発表者名: Mimura T, Chan M, Minami M, Omata D, Suzuki R, Takeuchi Y
  • 学会等名: The 150th Annual Meeting of the Hokkaido Branch of the Pharmaceutical Society of Japan
• [学会発表] A closed-loop transcranial ultrasound irradiation system for an awake rat model of absence epilepsy (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K, Minami M, Takeuchi Y
  • 学会等名: The 46th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] Non-invasive gene transfection to neurons in the cortex using transcranial ultrasound irradiation (2023)
  • 著者名/発表者名: Chan M, Mimura T, Minami M, Takeuchi Y
  • 学会等名: The 46th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] A neural basis of decision-making when faced with contradictory predictions of reward and punishment (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K, Chan M, Minami M, Takeuchi Y
  • 学会等名: CogFeel@ALIFE2023
  • 国際学会
• [学会発表] Non-invasive, spatiotemporal control of internal organs via sonogenetic stimulation of the autonomic nervous system (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K, Xu Y, Mimura T, Chan M, Kudo N, Minami M, Takeuchi Y
  • 学会等名: JNNS2023
• [学会発表] Toward non-invasive, precise control of internal organs via ultrasound neuromodulation of the autonomic nervous system (2023)
  • 著者名/発表者名: Xu Y, Yoshida K, Takeuchi Y
  • 学会等名: 9th Biomedical Imaging and Sensing Conference. Yokohama, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/ytake/
• [備考] 個人ウェブサイト
  • URL: https://ytake.org/
• [備考] 研究グループウェブサイト
  • URL: https://ytakelab.notion.site/