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

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K22985
• 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
• キーワード: 髄鞘密度 / 大脳皮質 / 7テスラMRI / 皮質分節

研究実績の概要

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、4)Myeloarchitectonic 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課題を計画した。今年度は、昨年度に続き、大脳皮質微細髄鞘構造描出に関する技術的基盤整備を実施した。大脳皮質内の髄鞘微細構造描出に応用する磁化率効果に鋭敏な周波数画像および磁化率画像において、高感度化のために多チャンネルアレイコイルを利用する際の各エレメントから得られる複素信号の合成の制度改善のために、Computationally Efficient Combination of Multi-channel Phase Data From Multi-echo Acquisitions (ASPIRE) シーケンスを導入した。また、皮質内拡散情報収集のための拡散強調MRIのエンコードスキームとしてDiffusion Spectrum Imaging(DSI)を導入し、1.5mm istoropic voxel にて203軸のMPG印可方向を持つプロトコールを作成し、皮質内拡散パラメータの算出に適用した。これらの基盤技術をもとにヒト計測を進める予定であったが、新型コロナウイルス感染症拡大に伴い、ヒトを対象とする実験に制限を受けたため、麻酔下マカクサルおよびその固定脳を対象に計測パラメータの最適化と実計測を実施した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

昨年度までに、大脳皮質内の髄鞘微細構造描出に応用するグラディエントエコーパルスシーケンス、拡散強調エコープラナーイメージングシーケンスの開発、導入および各種アーチファクト補正のための画像処理パイプライン構築は当初の計画通り順調に進んでいた。これらの計測系を用いたヒト計測実験の結果をもとにさらなる改良を予定していたが、新型コロナウイルス感染症拡大に伴い、ヒト被験者をリクルートする様式での脳計測実験が著しく制限を受ける状況が続いたため、ヒト in vivo 実験を対象とする定量的磁化率画像・緩和画像計測および細胞微細形状計測を反映する拡散画像計測による皮質内髄鞘分布画像の計測に遅滞が生じた。ヒト実験が困難であった期間、動物実験実施は制限を免れたため、マカクサルを対象とした in vivo 実験および長時間の計測時間を要する ex vivo 固定脳を対象とする計測実験の頻度を増やすことで、研究計画の遅延を吸収すべく取り組んだが、年度内にヒト実験の遅滞分を吸収する事が困難であったため、当初２年間の計画であった研究期間の１年延長を申し出て受理された。

今後の研究の推進方策

本研究は、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、4)Myeloarchitectonic 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。今年度は、技術的な検討およびマカクサルを対象とした in vivo および ex vivo 計測実験は、概ね計画通りの進捗であったが、新型コロナウイルス感染症拡大に伴いヒト計測実験に遅れが生じた。次年度は、今年度実施が困難であった日と計測実験を推進、複数のMRI画像モダリティを組み合わせることによるマルチパラメトリッククラスタリングを適用し、大脳皮質区分への最適化を実施する。ヒト生体を対象に髄鞘密度分布様態の画像化を試みると共に、マカクサルおよび組織学的対応付けが可能となるサル固定脳データとの検証を行う。以上の過程により確立したMyeloarchitectonic imaging法を用いて、個人脳を対象とした大脳皮質髄鞘密度分布解析を実施する予定である。

次年度使用額が生じた理由

今年度は、新型コロナウイルス感染症拡大に伴い、ヒトを対象とする実験に大きく制限を受けたため、ボランティアデータの収集を予定通り進めることが困難であった。これらのことから、当初２年間の計画であった実験期間の１年延長を申し出て受理された。本来、ボランティア実験に充当を予定していた被験者謝金、ヒト収集データの解析のための実験・解析補助への謝金に余剰が生じたため次年度に繰り越すこととした。技術的問題にて実験が遅れているわけではないため、新型コロナウイルスに伴う行動制限の状況を確認しつつ、実験を推進する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] Seoul National University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Seoul National University
• [国際共同研究] NeuroSpin(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: NeuroSpin
• [国際共同研究] Maastricht University(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: Maastricht University
• [国際共同研究] National Institutes for Health/University of Minnesota(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: National Institutes for Health/University of Minnesota
• [国際共同研究] National Health Research Institutes(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Health Research Institutes
• [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 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, COCORO, Fukunaga M, Okada N, Morita K, Nemoto K, ..., Hashimoto R, Takahashi T, Hori T, Nakataki M, Onitsuka T, Holleran L, Jahanshad N, van Erp TGM, Turner J, Donohoe G, Thompson PM., Kasai K, Hashimoto R
  • 雑誌名: Molecular Psychiatry 巻: 25 ページ: 697～698
  • DOI: 10.1038/s41380-020-0700-1
  • 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
  • DOI: 10.1002/hbm.25040
  • 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 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
• [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
• [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