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2015 Fiscal Year Annual Research Report

脳・脊髄損傷後の機能回復過程における神経回路の動的変容

Planned Research

Project AreaMechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation
Project/Area Number 26112008
Research InstitutionNational Institute for Physiological Sciences

Principal Investigator

伊佐 正  生理学研究所, 発達生理学研究系, 教授(兼任) (20212805)

Project Period (FY) 2014-07-10 – 2019-03-31
Keywords大規模脳回路 / 脊髄損傷 / 機能回復 / 交連性回路 / 次元圧縮法 / 運動野 / 運動前野 / サル
Outline of Annual Research Achievements

2頭のサルの両側の運動前野、一次運動野、一次体性感覚野にそれぞれ15チャンネルの皮質脳波電極を慢性的に留置し、到達―把持運動時の活動を、頚髄レベルでの皮質脊髄路の損傷前、損傷後の訓練による回復過程においてそれぞれ損傷後約300日及び160日間にわたって持続的に観察した。そして得られた30チャネル、毎日30試行の到達―把持運動の各周波数帯域の活動というbig dataについて、次元圧縮の手法を用いて解析したところ、大別して2種類の回路によって全体の活動様式が説明できることがわかった。その回路とは
1.使用肢反対側(脊髄損傷の反対側)の運動前野から一次運動野に向かうGranger因果を示す回路で、運動の遂行中に80-120Hzのγ帯域を中心とする活動を有するもの
2.使用肢反対側の運動前野及び一次運動野から使用肢同側の運動前野及び一次運動野へ向かうGranger因果を示す回路で、運動の開始直前から運動時にかけて20-30Hzのβ帯域を中心とする活動を有するもの、であった。そしてこれらの回路成分のうち前者は脊髄損傷直後に一時的に増強されるが回復の過程で減衰する。そして回復の安定期に再びやや増加する。それに対して、後者は回復の進行とともに増強され、回復の安定期に入ると次第に減衰してくることが明らかになった。これらの結果は同様な損傷後の機能回復過程の脳活動を陽電子断層撮影装置(PET)を用いて解析した結果(Nishimura et al. 2007)をよく説明している。すなわち、このときの脳活動は回復初期に両側の運動野の活動が増加するが、その後、減衰し、両側の運動前野及び損傷反対側の活動の増加というパターンに収束するというものだった。今回の結果は、このような過程における損傷同側の運動野の活動増加が損傷反対側からもたらされていること、及び回復安定期に両側の運動前野の活動が増加することもまた、交連性の経路によってもたらされている可能性が強く示唆された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成27年度に全脳ECoGの手術を試みたが、術後の脳浮腫のため、実験を中止せざるを得なくなった。全脳ECoG技術の開発にはもうしばらく時間を要すると判断し、技術開発を薦めながら、一方で部分的な脳部位に留置した電極から得られる大規模データに対して先端的解析法の開発に目標を移し、大変興味深い結果を得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

今後再度チャネル数を増加させ、脳のより広い範囲からのECoG記録を可能にし、今回開発された次元圧縮法による重要回路の抽出とその動的変化の解析に邁進すれば、大変挑戦的だった当初目標が達成できると考えている。一方、今回の結果から反対側運動野から同側に向かう信号を形成する回路が回復過程とよく相関することから、今後、この経路を物理的切断ないしはウィルスベクターによる方法で選択的に遮断することで回復した運動が阻害されれば、このような大規模回路の動態変容と機能回復の因果関係を立証することが出来る。

Remarks

上記の内容「リハビリテーションは脳の配線を変え、機能の回復を導く」は、Ishida et al. (J Neurosci 2016)に関するもので、主要全国紙を含め全国47紙と1テレビ局にて報道されました。

  • Research Products

    (38 results)

All 2016 2015 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 2 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 6 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] リューベンカソリック大学(ベルギー)

    • Country Name
      BELGIUM
    • Counterpart Institution
      リューベンカソリック大学
  • [Int'l Joint Research] ニューカッスル大学(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      ニューカッスル大学
  • [Int'l Joint Research] ハーバード大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      ハーバード大学
  • [Journal Article] Causal link between the cortico-rubral pathway and functional recovery through forced impaired limb use in rats with stroke.2016

    • Author(s)
      Ishida A, Isa K, Umeda T, Kobayashi K, Kobayashi K, Hida H, Isa T
    • Journal Title

      Journal of Neuroscience

      Volume: 36 Pages: 455-467

    • DOI

      doi: 10.1523/JNEUROSCI.2399-15.2016.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Signal detection analysis of blindsight in monkeys.2015

    • Author(s)
      Yoshida M, Isa T
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 5 Pages: 1-5

    • DOI

      doi:10.1038/srep10755

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Temporal Plasticity Involved in Recovery from Manual Dexterity Deficit after Motor Cortex Lesion in Macaque Monkeys.2015

    • Author(s)
      Yumi Murata, Noriyuki Higo, Takuya Hayashi, Yukio Nishimura, Yoko Sugiyama, Takao Oishi, Hideo Tsukada, Tadashi Isa and Hirotaka Onoe
    • Journal Title

      The Journal of Neuroscience

      Volume: 35(1) Pages: 84-95

    • DOI

      doi: 10.1523/JNEUROSCI.1737-14

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Increased & expressionof the growth-associated protein-43 gene after primary motor cortex lesion in macaque monkeys.2015

    • Author(s)
      Murata Y, Higo N, Oishi T, Isa T
    • Journal Title

      Neurosci Res.

      Volume: 98 Pages: 64-69

    • DOI

      doi: 10.1016/j.neures.2015.04.007.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Function of nucleus accumbens in motor control during recovery after spinal cord injury2015

    • Author(s)
      Sawada M, Kato K, Kunieda T, Mikuni N, Miyamoto S, Onoe H, Isa T, Nishimura Y
    • Journal Title

      Science

      Volume: 350 Pages: 98-101

    • DOI

      doi: 10.1126/science.aab3825

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In vivo two-photon imaging of dendritic spines in marmoset neocortex2015

    • Author(s)
      Sadakane O, Watakabe A, Ohtsuka M, Takaji M, Sasaki T, Kasai M, Isa T, Kato G, Nabekura J, Mizukami H, Ozawa K, Kawasaki H, Yamamori T
    • Journal Title

      eNeuro

      Volume: 2(4) Pages: -

    • DOI

      doi: 10.1523/ENEURO.0019-15.2015.

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Histological and electrophysiological analysis of the corticospinal pathway to forelimb motoneurons in common marmosets.2015

    • Author(s)
      Kondo T, Yoshihara Y, Saito-Yoshino K, Sekiguchi T, Kosugi A, Miyazaki Y, Nishimura Y, Okano HJ, Nakamura M. Okano H, Isa T, Ushiba J
    • Journal Title

      Neurosci Res

      Volume: 98 Pages: 35-44

    • DOI

      doi: 10.1016/j.neures.2015.05.001

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 上丘浅層における側方抑制の空間ダイナミクス2016

    • Author(s)
      笠井昌俊、伊佐正
    • Organizer
      第93回日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-23 – 2016-03-23
  • [Presentation] 脊髄損傷からの回復過程における脳の関与2016

    • Author(s)
      伊佐正
    • Organizer
      第93回日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-23 – 2016-03-23
    • Invited
  • [Presentation] Global network plasticity for recovery after spninal cord injury2016

    • Author(s)
      Tadashi Isa
    • Organizer
      6th Annual Neuroscience Seminar
    • Place of Presentation
      University Putra Malaysia (Kuala Lumpur, Malaysia)
    • Year and Date
      2016-03-22 – 2016-03-22
    • Invited
  • [Presentation] 皮質盲視野に提示された条件刺激に対するドーパミンニューロン応答を駆動する視覚神経経路に関する研究2016

    • Author(s)
      高桑徳宏、加藤利佳子、レドグレイブ ピーター、伊佐正
    • Organizer
      第93回日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-22 – 2016-03-22
  • [Presentation] Neuroscience Advocacy in Japan2016

    • Author(s)
      Tadashi Isa
    • Organizer
      IBRO Global Neuroscience Advocacy Workshop
    • Place of Presentation
      University Putra Malaysia (Kuala Lumpur, Malaysia)
    • Year and Date
      2016-03-21 – 2016-03-21
    • Invited
  • [Presentation] 脊髄損傷後の機能回復過程における大規模回路の再編2016

    • Author(s)
      伊佐正
    • Organizer
      揺らぎ、脳階層、ヒトとモデル動物 合同終了シンポジウム
    • Place of Presentation
      生理学研究所(愛知県岡崎市)
    • Year and Date
      2016-03-10 – 2016-03-10
  • [Presentation] 中脳ドーパミンニューロンの報酬予測誤差表現に関わる視覚情報入力神経経路2016

    • Author(s)
      高桑徳宏、加藤利佳子、レドグレイブ ピーター、伊佐正
    • Organizer
      揺らぎ、脳階層、ヒトとモデル動物 合同終了シンポジウム
    • Place of Presentation
      生理学研究所(愛知県岡崎市)
    • Year and Date
      2016-03-10 – 2016-03-10
  • [Presentation] 霊長類の脳科学ー特に脊髄損傷からの機能回復機構について2016

    • Author(s)
      伊佐正
    • Organizer
      関西実験動物研究会
    • Place of Presentation
      京都大学(京都府京都市)
    • Year and Date
      2016-03-04 – 2016-03-04
  • [Presentation] Dissecting the circuit in the monkey brain2016

    • Author(s)
      伊佐正
    • Organizer
      新学術領域「適応回路シフト」国際シンポジウム
    • Place of Presentation
      同志社大学(京都府京都市)
    • Year and Date
      2016-03-04 – 2016-03-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Contribution of propriospinal neurons to recovery of hand dexterity after the corticospinal tract lesion in mokeys2016

    • Author(s)
      Takamichi Tohyama, Masaharu Kinoshita, Ryosuke Matsui, Shigeki Kato, Kenta Kobayashi, Kaoru Isa, Dai Watanabe, Kazuto Kobayashi, Meigen Liu and Tadashi Isa
    • Organizer
      第8回NAGOYAグローバルリトリート
    • Place of Presentation
      あいち健康プラザ(愛知県大府市)
    • Year and Date
      2016-02-12 – 2016-02-12
  • [Presentation] 運動野から脊髄運動ニューロンへの直接経路と間接経路が手の巧緻運動制御において果たす 役割について2015

    • Author(s)
      伊佐正
    • Organizer
      第45回日本臨床神経生理学会学術大会
    • Place of Presentation
      大阪国際会議場(大阪府大阪市)
    • Year and Date
      2015-11-07 – 2015-11-07
    • Invited
  • [Presentation] Spatial population dynamics of lateral interaction in supreficial superior colliculus2015

    • Author(s)
      Masatoshi KASAI, Tadashi Isa
    • Organizer
      5th NIPS-CIN Joint Symposium
    • Place of Presentation
      生理学研究所(愛知県岡崎市)
    • Year and Date
      2015-11-05 – 2015-11-05
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Visual pathways for dopamine response to reward predictors in blindsight monkeys2015

    • Author(s)
      Norihiro Takakuwa, Rikako Kato, Peter Redgrave, Tadashi Isa
    • Organizer
      5th NIPS-CIN Joint Symposium
    • Place of Presentation
      生理学研究所(愛知県岡崎市)
    • Year and Date
      2015-11-05 – 2015-11-05
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Deep brain stimulation of the mesolimbic system induces cortical responses in limbic and sensorimotor areas in monkeys.2015

    • Author(s)
      M.Suzuki, T.Isa, Y.Nishimura
    • Organizer
      SfN2015
    • Place of Presentation
      Chicago, USA
    • Year and Date
      2015-10-19 – 2015-10-19
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Pathway-selective optogenetic activation of output neurons in mouse superior colliculus2015

    • Author(s)
      K.Isa, T.Sooksawate, K.Kobayashi, K.Kobayashi, T.Isa
    • Organizer
      SfN2015
    • Place of Presentation
      Chicago, USA
    • Year and Date
      2015-10-18 – 2015-10-18
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Selective optogenetic control of tectal output pathways:Induction of orienting vs fear responses2015

    • Author(s)
      K.Isa,T.Sooksawate,K.Kobayashi, T.Isa
    • Organizer
      Cell Symposia:Engineering the Brain-Technologies for Neurobiological Applications
    • Place of Presentation
      Chicago, USA
    • Year and Date
      2015-10-15 – 2015-10-15
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dissecting the circuit for blindsight in macaque monkeys2015

    • Author(s)
      T.Isa,  M.Kinoshita, R.Kato, K.Kobayashi, K.Isa, H.Onoe
    • Organizer
      Cell Symposia:Engineering the Brain-Technologies for Neurobiological Applications
    • Place of Presentation
      Chicago, USA
    • Year and Date
      2015-10-15 – 2015-10-15
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マウス上丘浅層における側方抑制の空間的パタンの解析2015

    • Author(s)
      笠井昌俊,伊佐正
    • Organizer
      第5回 名古屋大学・生理学研究所合同シンポジウム
    • Place of Presentation
      生理学研究所(愛知県岡崎市)
    • Year and Date
      2015-09-19 – 2015-09-19
  • [Presentation] マウス上丘浅層における側方抑制の細胞集団の活動に基づいた空間的解析2015

    • Author(s)
      笠井昌俊,伊佐正
    • Organizer
      視覚科学フォーラム 第19回研究会
    • Place of Presentation
      ホテル福島グリーンパレス(福島県福島市)
    • Year and Date
      2015-08-19 – 2015-08-19
  • [Presentation] マウス上丘出力細胞の経路選択的な光遺伝学的な活性化により誘発される行動の解析2015

    • Author(s)
      伊佐かおる、Sooksawate Thongchai, 小林憲太、伊佐正
    • Organizer
      第38回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2015-07-30 – 2015-07-30
  • [Presentation] 随意運動時における皮質活動と体性感覚情報を用いた筋活動推定2015

    • Author(s)
      西原陽子、梅田達也、伊佐正、西村幸男
    • Organizer
      第38回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2015-07-30 – 2015-07-30
  • [Presentation] 皮質盲視野に提示された条件刺激に対する中脳ドーパミンニューロンの報酬予測の関わる活動2015

    • Author(s)
      高桑徳宏、加藤利佳子、Redgrave Peter, 伊佐正
    • Organizer
      第38回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2015-07-29 – 2015-07-29
  • [Presentation] 「盲視」サルにおける視覚ー運動変換の皮質神経機構2015

    • Author(s)
      加藤利佳子、池田琢朗、林拓也、尾上嘉代、河原正幸、高浦加奈、吉田正俊、塚田秀夫、尾上浩隆、伊佐正
    • Organizer
      第38回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2015-07-28 – 2015-07-28
  • [Presentation] 上丘浅層細胞集団活動イメージングによる側方抑制メカニズムの解明2015

    • Author(s)
      笠井昌俊、伊佐正
    • Organizer
      第38回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2015-07-28 – 2015-07-28
  • [Presentation] サル中脳辺緑系と前頭葉皮質との機能的神経結合2015

    • Author(s)
      鈴木迪諒、澤田真寛、伊佐正、西村幸男
    • Organizer
      第38回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2015-07-28 – 2015-07-28
  • [Presentation] 脊髄損傷後回復過程での大規模神経回路再編機構2015

    • Author(s)
      伊佐正
    • Organizer
      第50回日本理学療法学術大会
    • Place of Presentation
      東京国際フォーラム(東京都千代田区)
    • Year and Date
      2015-06-06 – 2015-06-06
    • Invited
  • [Presentation] 障害脳が示す新しい機能について2015

    • Author(s)
      伊佐正
    • Organizer
      第9回進行期パーキンソン病研究会
    • Place of Presentation
      名古屋マリオットアソシアホテル(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2015-05-29 – 2015-05-29
    • Invited
  • [Remarks] リハビリテーションは脳の配線を変え、機能の回復を導く

    • URL

      http://www.nips.ac.jp/release/2016/01/post_311.html

URL: 

Published: 2017-01-06  

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