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

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K12768
• 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
• 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

研究実績の概要

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。
本年は、複数の神経細胞活動と局所脳波を同時に記録するオフラインシステムを用い、得られた情報から神経活動をリアルタイムに解析した。パーキンソン病症状に及ぼす影響を運動関連部位から検出し、その情報をもとに運動関連部位へフィードバック信号として電気刺激や光遺伝学を活用した光刺激を行い、PD症状の軽減や改善につながる刺激パターンを探った。光遺伝学では組換えアデノ随伴ウイルス(AAV)を用い、CaMKIIαプロモーターを介して興奮性のグルタミン酸作動性ニューロン選択的にチャネルロドプシン2を導入した。他にも異なる種類のAAVを用いた比較実験も行った。また、遺伝子組換え技術であるCre-loxPシステムを活用し、細胞種を選択的に刺激した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

PDモデル齧歯類の脳内での神経細胞活動や局所脳波を同時に記録するオフラインシステムを使い、神経活動解析をリアルタイムに実施した。そこから得られた情報をもとに、運動関連部位へフィードバック信号として、電気刺激や光遺伝学を活用した光刺激を実施した。また、様々な条件下での比較検討を行った。しかし、新型コロナウイルス感染拡大防止措置による緊急事態宣言のため、一時的に研究を中断した。そのため、予定していた比較検討実験が一部出来なかった。
よって、計画通りに一部実施できていないため、やや遅れていると判断した。

今後の研究の推進方策

継続して光遺伝学を用いた様々な種類のAAVやCre-loxPシステムを用いた細胞種選択刺激をPDモデル齧歯類に活用し、様々な条件下で比較検討を実施する。これまでに得られたデータの解析を進めると同時に、PD症状軽減や改善に適した刺激パターンを探っていく。また、刺激パターンだけではなく、刺激回数や刺激のタイミングなどを検討し、脳状態や行動解析から最適なパラメーターを網羅的に探索する。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルス感染拡大防止措置による緊急事態宣言のため、研究が一時中断した。そのため、予定していた比較実験の一部が実施できず、その実施のため次年度使用額が生じた。
次年度使用額は、未実施の比較実験に加え、これまでの比較検討実験から得れた情報を解析し、神経回路網へのフィードバック制御を実施する追加実験をさらに行うために使用する。

研究成果

• [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 ページ: 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 ページ: 5316
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19105-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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