超適応現象を適切に強化する閉ループ脳刺激法

• 研究領域: 身体－脳の機能不全を克服する潜在的適応力のシステム論的理解
• 研究課題/領域番号: 22H04762
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 竹内 雄一 北海道大学, 薬学研究院, 准教授 (70588384)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2023年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2022年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: 脳波 / 機械学習 / 閉ループ制御 / 脳深部刺激 / 強化

研究開始時の研究の概要

運動・感覚疾患、神経・精神疾患は、脳―身体―環境システムの変化に我々が上手く適応できずに障害が生じている状態である。当該疾患を克服するためには、脳に潜在する冗長ネットワークの探索・再動員により、ネットワーク構造を再構成する「超適応現象」を適切に誘導する必要がある。もし超適応現象が不適切に生じた場合は例えば幻肢痛のような病態に陥ってしまう可能性があるが、これまで超適応現象を適切にガイドする方法は存在しなかった。本研究では、時間特異的な報酬系脳領域刺激によって好ましい脳状態を強化することで、超適応現象を適切に誘導する新しい脳刺激法の開発に挑む。

研究実績の概要

運動・感覚疾患、神経・精神疾患は、脳―身体―環境システムの変化に我々が上手く適応できずに障害が生じている状態である。当該疾患を克服するためには、脳に潜在する冗長ネットワークの探索・再動員によるネットワーク構造の再構成、即ち”超適応現象”を適切に誘導する必要がある。一方、もし超適応現象が不適切に生じた場合は例えば幻肢痛のような病態に陥ってしまう可能性がある。しかしながらこれまで超適応現象を適切に誘導する方法は存在しなかった。こうした状況下最近研究代表者らは、心的外傷後ストレス障害（PTSD）モデル動物において、時間特異的報酬系脳領域刺激による恐怖消去学習の適切な強化にプレリミナリに成功した。そこで本研究では、時間特異的報酬系脳領域刺激がPTSDのみならず他の神経・精神疾患の症状も制御可能か検討することで、超適応現象の適切な誘導法を確立することを目的とした。
本年度は、神経・精神疾患モデル動物（うつ病、アルツハイマー型認知症）において、時間特異的脳深部刺激による症状制御実験に成功した。具体的には、まず、うつ病モデルラットにおいて、減弱した嗅球―梨状皮質間におけるガンマ周波帯脳活動を時間特異的脳深部刺激で増強することで、うつ病様行動を寛解できることを見出した。さらに、家族性アルツハイマー病患者由来変異を有するヒト化アミロイド前駆タンパク質のノックインマウスにおいて、時間特異的報酬系脳領域刺激で、一度障害された認知機能を回復させることに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

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)
• [国際共同研究] セゲド大学(ハンガリー)
• [国際共同研究] ニューヨーク大学(米国)
• [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
• [雑誌論文] Time-targeted stimulation of the bran rewarding system as a novel brain disorder treatment (2023)
  • 著者名/発表者名: Hara K, Takeuchi Y
  • 雑誌名: Medical Science Digest 巻: 49 ページ: 154-156
• [雑誌論文] Editorial: Oscillotherapeutics - Toward real-time control of pathological oscillations in the brain (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Y, Li Q, Kawano T, Nagai J, Mima T
  • 雑誌名: Front Behav Neurosci 巻: 16 ページ: 1021616-1021616
  • DOI: 10.3389/fnbeh.2022.1021616
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Closed-loop brain stimulation to reduce pathologic fear (2022)
  • 著者名/発表者名: Sierra RO, Pedraza LK, Barcsai L, Peijin A, Kozak G, Takeuchi Y, Lorincz ML, Devinsky O, Buzsaki G, Berenyi A
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: 501314-501314
  • DOI: 10.1101/2022.07.24.501314
  • オープンアクセス / 国際共著
• [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
• [学会発表] Bidirectional GABAergic and cholinergic modulation of delta-band activities in a hippocampal-like circuit in silico (2023)
  • 著者名/発表者名: Itagaki K, Minami M, Takeuchi Y
  • 学会等名: The 100th Anniversary Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
• [学会発表] Transcranial sonoporation technology for non-invasive gene transfection to neurons in the cerebral cortex (2023)
  • 著者名/発表者名: Mimura T, Chan M, Minami M, Takeuchi Y
  • 学会等名: The 143rd Annual Meeting of the Pharmaceutical Society of Japan
• [学会発表] Controlling pathologic fear expression through closed-loop brain stimulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Sierra RO, Pedraza LK, Barcsai L, Peijin A, Kozak G, Takeuchi Y, Lorincz M, Berenyi A
  • 学会等名: The 52nd SfN Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Reinstating olfactory bulb derived limbic gamma oscillations alleviates depression-like behavioral deficits in rodents (2022)
  • 著者名/発表者名: Li Q, Takeuchi Y, Wang J, Barcsai L, Pedraza KL, Kozak G, Nakai S, Kato S, Kobayashi K, Ohsawa M, Lorincz ML, Devinsky O, Buzsaki G, Berenyi A
  • 学会等名: The 52nd SfN Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] A neural basis of decision-making under conflicting predictions of reward and punishment (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K, Chan M, Li Q, Pedraza L, Sierra R, Minami M, Berenyi A, Takeuchi Y
  • 学会等名: The 52nd SfN Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] A neural basis of decision-making under conflicting predictions of reward and punishment (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K, Chan M, Li Q, Pedraza L, Sierra R, Berenyi A, Minami M, Takeuchi Y
  • 学会等名: The 45th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] Decoding and quantification of seizure susceptibility with cross-regional oscillatory brain activity patterns in a rat model of temporal lobe epilepsy (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Y, Li Q, Berenyi A, Minami M
  • 学会等名: The 45th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] Reduced operant task engagement and altered neural oscillations in a triple-hit rat model of schizophrenia (2022)
  • 著者名/発表者名: Chan M, Li Q, Horvath G, Berenyi A, Minami M, Takeuchi Y
  • 学会等名: The 45th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] Closed-loop control of neurological and psychiatric disorders (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Y
  • 学会等名: BPCNPNPPP4
  • 招待講演
• [図書] Oscillotherapeutics - Toward Real-Time Control of Pathological Oscillations in the Brain (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Y, Kawano T, Li Q, Mima T, Nagai J
  • 総ページ数: 109
  • 出版者: Lausanne: Frontiers Media SA.
  • ISBN: 9782889764587
• [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/
• [備考] 研究グループウェブサイト
  • URL: https://ytakelab.notion.site/Takeuchi-lab-e8b576adbca245e3b633705c65abce80