2019 Fiscal Year Annual Research Report
磁気薬学の創発に向けた高精度な局所脳刺激法の開発：スパースモデリング法の応用展開
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19H04178
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
舘野 高 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (00314401)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神保 泰彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20372401)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁気刺激 / 脳活動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和元年度は，全体の研究計画の開始年度であったため，予備的実験としてマイクロサイズとミリサイズの単一コイルの電磁界解析を実施した．また，コイルと脳組織の連成モデルの解析を用いて，磁気刺激の効果を数値的に推定した．その結果，脳活動を誘発する最小刺激強度の条件を数値的に推定することができた．次に，その物理モデルの実験系を構築し，ホール効果素子等の磁気センサを用いて磁束密度の空間強度分布を計測した．その結果，数値的な電磁界解析と実測値の間に一致がみられ，数値的な推定が正しいことが判明した．
さらに，複数のコイルを多配列化した磁気刺激装置を設計し，実機の初期バージョンを製作した．この多配列コイル装置において，脳内に誘導する電場分布を予め定め，その電場分布を誘導する最適なコイル電流を算出する数値計算法を最適化手法に基づいて開発した．上記の課題を概ね達成できたために，評価に用いる生体脳の試料を対象に磁気刺激が脳活動を誘発する機序を細胞および局所回路網のレベルで解明する予備実験を実施した．
本研究課題の実施には，磁気刺激システムを構築する必要があり，その実現に高周波数出力が可能な高速バイポーラ電源装置の購入が不可欠であった．このため，令和元年度にその装置の性能を購入前に評価検討してから，その装置を購入する予定であった．しかし，当該装置の電子部品性能等の不足によって，業者の開発に大幅な遅れが生じ，測定系の構築とその結果の取り纏めの終了時期は，令和２年１１月末に延期となった．これに伴い，装置の購入経費の繰り越しを申請を行った．最終的に，今年度の研究課題の実施期間は延長（令和２年１１月まで）になったが，延長後の期間内に課題内容を全て達成することができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和元年１２月に予備実験の過程において，当初の想定に反して磁気刺激装置の構成電子部品の性能不足により，装置仕様が目的を満たしていないことが判明した．研究遂行上，磁気刺激システムの構築に高速の電圧出力源が不可欠なため，仕様を満たす装置の検討を行い，予備実験をやり直す必要が生じた．これに伴い，予算額の一部に対して繰り越し申請を行い，研究計画の完了時期を令和２年１１月末に変更して８ヶ月間の期間延長を行った．上記ような変更が生じたが，計画内容の課題を全て達成することができたため．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，物理モデルの数値解析や予備的な実験の結果に基づいて，マイクロサイズの刺入型単一コイルやミリサイズの経頭蓋磁気刺激用のコイルを実際の動物実験によって評価する．特に，単一パルス刺激と反復繰り返し刺激の時間パターンの最適条件を探索し，より大きな脳刺激応答を効果的に誘発する刺激方法を確立するために生理学的実験を実施する．また，その方法に基づき，生体脳において，神経回路網の可塑性を誘発可能かについて，実験的に検証および評価する．短期および長期の可塑性が磁気刺激によって誘発できた場合には，その可塑性誘発の神経メカニズムを解明するため，薬理的な方法を利用して，脳内の応答変化を急性および慢性的に観察する方法を確立する準備を行う．そして，最終年度に向けて，磁気刺激システムの効率的な刺激装置と可塑性誘発方法を検討する技術基盤を構築する予定である．
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