ブレイン・マシン・インターフェースの背後で駆動する生物学的可塑性基盤に関する検討

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H03983
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 牛場 潤一 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (00383985)
• 研究分担者: 近藤 崇弘 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 助教 (70759886)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ブレイン・マシン・インターフェース / 運動学習 / 可塑性 / カルシウムイメージング / 運動皮質

研究実績の概要

小型蛍光顕微鏡nVistaは、脳へ直接埋め込んだ光ファイバーから皮質ニューロン活動由来のカルシウム動態信号を大規模に取得する装置である。応募者らはこれをマーモセットに適用し、世界で初めて運動野での随意運動中の皮質ニューロン活動(200個同時)を長期間計測(6ヶ月)することに世界で初めて成功した (Cell Reports 24(8):2191-5, 2018)。昨年度の令和2年度はこの技術を応用し、BMI用硬膜上電極に作られた微小窓から光ファイバーを脳内挿入して、運動関連脳波発生中の皮質ニューロン由来のカルシウム動態信号を同時計測する系を確立した。令和3年度は、レバー引き課題中にBMI用硬膜上電極から取得した運動関連脳電位を記録し、その信号強度に応じたジュース（報酬）の自動供与システムを駆動し、BMI機構を通じた運動関連脳電位のオペラントコンディショニングを実施して、BMI学習前後の脳内細胞の形状的、機能的変化の分析を試みた。運動野近傍からベータ帯域の信号強度増強が確認されたが、マーモセットはBMI課題への継続的な取り組みに難があり、途中で課題に取り組まなくなる等の問題が生じた。実験動物をラットに変更し、同様にBMI機構を通じた運動関連脳電位のオペラントコンディショニングを実施して、BMI学習前後の脳内細胞の形状的、機能的変化の分析を試みた。運動野近傍からベータ帯域の信号強度増強が確認された。実験殺後に、各種細胞染色を施して、皮質ニューロンとアストロサイトの切片画像を取得した。現在、その形態学的変化に関して、細胞数、細胞体サイズ、樹状突起の複雑性スコア、シナプス形状、アストロサイト密度などを候補とした生物学的性状分析の定量化を進めている。一連の研究過程で得た歩行中の神経機能評価に関しては先行的に論文化した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Modulation by DREADD reveals the therapeutic effect of human iPSC-derived neuronal activity on functional recovery after spinal cord injury (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kitagawa, Narihito Nagoshi, Yasuhiro Kamata, Momotaro Kawai, Kentaro Ago, Keita Kajikawa, Reo Shibata, Yuta Sato, Kent Imaizumi, Tomoko Shindo, Munehisa Shinozaki, Jun Kohyama, Shinsuke Shibata, Morio Matsumoto, Masaya Nakamura, Hideyuki Okano
  • 雑誌名: Stem Cell Reports 巻: Volume 17, Issue 1 ページ: 127-142
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2021.12.005
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Markerless analysis of hindlimb kinematics in spinal cord-injured mice through deep learning (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuta Sato, Takahiro Kondo, Munehisa Shinozaki, Reo Shibata, Narihito Nagoshi, Junichi Ushiba, Masaya Nakamura, Hideyuki Okano
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: Volume 176 ページ: 49-56
  • DOI: 10.1016/j.neures.2021.09.001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional reorganization of locomotor kinematic synergies reflects the neuropathology in a mouse model of spinal cord injury (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuta Sato, Takahiro Kondo, Reo Shibata, Masaya Nakamura, Hideyuki Okano, Junichi Ushiba
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: Volume 177 ページ: 78-84
  • DOI: 10.1016/j.neures.2021.12.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Preserved intersegmental coordination during locomotion after cervical spinal cord injury in common marmosets (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuta Sato, Takahiro Kondo, Akito Uchida, Kenta Sato, Kimika Yoshino-Saito, Masaya Nakamura, Hideyuki Okano, Junichi Ushiba
  • 雑誌名: Behavioural Brain Research 巻: Volume 425 ページ: 113816-113816
  • DOI: 10.1016/j.bbr.2022.113816
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-term selective stimulation of transplanted neural stem/progenitor cells for spinal cord injury improves locomotor function (2021)
  • 著者名/発表者名: Momotaro Kawai,Kent Imaizumi, Mitsuru Ishikawa,Shinsuke Shibata,Munehisa Shinozaki,Takahiro Shibata, Shogo Hashimoto,Takahiro Kitagawa,Kentaro Ago,Keita Kajikawa,Reo Shibata, Yasuhiro Kamata, Junichi Ushiba, Keisuke Koga,Hidemasa Furue,Morio Matsumoto,Masaya Nakamura, Narihito Nagoshi,Hideyuki Okano
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: Vol. 37, No. 8 ページ: 110019-110019
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.110019.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Markerless analysis of hindlimb kinematics in spinal cord injured mice: a deep learning approach (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuta Sato, Takahiro Kondo, Munehisa Shinozaki, Reo Shibata, Narihito Nagoshi, Junichi Ushiba, Masaya Nakamura, Hideyuki Okano
  • 学会等名: The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 国際学会
• [学会発表] Gait assessment in spinal cord injured mice by kinematic synergy (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuta Sato, Takahiro Kondo, , Hideyuki Okano, Junichi Ushiba
  • 学会等名: Neuroscience 2021
  • 国際学会