視覚からコミュニケーションへ：皮質脳波法で読み解く大脳神経回路の情報流

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26242088
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 長谷川 功 新潟大学, 医歯学系, 教授 (60282620)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 北村 秀明 新潟大学, 医歯(薬)学総合研究科, 非常勤講師 (00361923) [Withdrawn] ; 奥田 修二郎 新潟大学, 医歯学系, 准教授 (00512310) ; 谷川 久 新潟大学, 研究推進機構, 准教授 (40373328) ; 中原 潔 高知工科大学, 総合研究所, 教授 (50372363) ; 神谷 之康 株式会社国際電気通信基礎技術研究所, 脳情報通信総合研究所, 研究室長 (50418513) ; 河野 剛士 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70452216) ; 鎌田 恭輔 旭川医科大学, 医学部, 教授 (80372374)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: マカクザル / 皮質脳波

Outline of Annual Research Achievements

様々な空間スケールで計測した皮質脳波（Electrocorticography: ECoG）の時空間パターンから視覚的コミュニケーションを担う階層的/再帰的な大脳神経回路における情報表現と伝播を明らかにすることを目指し、Aマカクザル下側頭葉における局所伝達エントロピー（Local Transfer Entropy: LTE）の定量化、B視覚野周辺抑制における微視的皮質回路の再帰的信号処理、C 記号の分節化を担う前頭前野の機能分化と情報処理の流れ、D 社会認知における脳内の情報流、E視覚イメージ想起における側頭葉と前頭葉の階層的信号の流れ、という5つの下位目標に沿って実験・解析を進めた。Aでは、マカクザル下側頭葉IT野に2.5 mm間隔で二次元格子状に留置した電極から、情報流の向きをLTEとして定量・グラフ化し、情報流は、解剖学的な階層性に一致してITの前後軸に沿った流れとして捉えられ、視覚情報処理にともなって順行性の流れと逆行性の流れが交互に現れることがわかった。Bでは、0.1mm間隔のECoGでラット1次視覚野から超高密度記録して時間-空間2次元フーリエ変換を施し、1次視覚野の周辺抑制の空間的・時間的周期構造を高い時空間分解能で特定した。C～Eでは、各課題のサル訓練・手術・脳活動多点記録を開始した。Dでは、定型発達の児童を対象とした自他の社会認知の行動学的実験の結果を論文にまとめた。Eでは、視覚イメージ想起の学習により、サル内側側頭葉における皮質脳波の空間パターンに可塑的変化が生じることが明らかになった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

下位目標A-Eのそれぞれにおいて、ほぼ所期の計画通りに実験の進捗が認められ、これらの成果をNeuroimage, BMC Genomics, Scientific Reports, Journal of Neurosurgery誌を始めとする、計10報の英文論本として発表し、北米神経科学大会や日本神経科学大会等に計27題の学会発表を行った。以上の理由により、おおむね順調に進展している、と判断することができる。

Strategy for Future Research Activity

Aでは、下側頭葉におけるフィードフォワード順行性とフィードバック逆行性の流れのLTE定量化解析を、サルの頭数を増やしてデータを追加取得・再構築し、特にネットワーック的性質に焦点を当てて、検証を進める。Bでは、視覚野周辺抑制の再帰的信号流について、実験動物のロングエバンスラットの頭数を科学的検証に必要最低限な数まで増やして、再現性を確認する。C文字列/記号操作の前頭葉情報流と、E前頭-側頭情報流によるイメージの解読のマカクザル動物実験については、行動認知課題の訓練を終えた1頭目の実験動物において、多チャネル脳機能計測のためのプローブを留置して、電気生理学的な記録実験および取得したデータの解析を進めながら、2頭目の動物の訓練も開始する。特に課題Eでは、内側側頭葉の実験のデータ解析を進め、論文の受理を目指す。また脳の局所部位ごとのサーチライトデコーディングの手法を中心に、データ解析を深める。D社会認知の脳内情報流視、については、社会認知に関する非言語的認知行動課題、視線計測系の開発、社会認知を担う広域大脳ネットワークからの皮質脳波留置部位の検討、という要素技術の開発を進めて統合し、実験を進める。CとDにおいては、ヒトの被験者を対象とした脳機能画像法の実験を並行して進める。

Research Products

• [Journal Article] Layer-by-layer assembled nanorough iridium-oxide/platinum-black for low-voltage microscale electrode neurostimulation. (2015)
  • Author(s): Yamagiwa S, Fujishiro A, Sawahata H, Numano R, Ishida M, Kawano T.
  • Journal Title: Sensors and Actuators B:Chemical Volume: 206 Pages: 205-211
  • DOI: 10.1016/j.snb.2014.09.048
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrocorticography-Based Real-Time Functional Mapping for Pediatric Epilepsy SurgeryElectrocorticography-Based Real-Time Functional Mapping for Pediatric Epilepsy Surgery. (2015)
  • Author(s): Korostenskaja M, Kamada K, Guger C, Salinas C M, Westerveld M, astillo E M, Salillas E, Chen Po-C, Harris E, Seddon I, Elsayed M, Kapeller C, Schaal A. Seo Joo-H, Baumgartner J, Lee Ki H.
  • Journal Title: Journal of Pediatric Epilepsy Volume: 4 Pages: 184-206
  • DOI: 10.1055/s-0035-1563728
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Combined use of diffusion tensor tractography and multifused contrast-enhanced FIESTA for predicting facial and cochlear nerve positions in relation to vestibular schwannoma. (2015)
  • Author(s): Yoshino M, Kin T, Ito A, Saito T, Nakagawa D, Ino K, Kamada K, Mori H, Kunimatsu A.
  • Journal Title: Journal of Neurosurgery Volume: 123 Pages: 1480-1488
  • DOI: 10.3171/2014.11.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proceedings of the seventh international workshop on advances in electrocorticography (2015)
  • Author(s): Ritaccio A, Matsumoto R, Morrell, M, Kamada K, Koubeissi M,Poeppel,J-P Lachaux D, Yanagisawa Y, Hirata M,Guger C, Schalk G
  • Journal Title: Epilepsy & Behavior Volume: 51 Pages: 312-320
  • DOI: 10.1016/j.yebeh
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Road to Nonawaking Functional Mapping Combining High Gamma Activity with Corticocortical Evoked Potential. (2015)
  • Author(s): Ogawa H, Kamada K.
  • Journal Title: World Neurosurgery Volume: 84 Pages: 187-188
  • DOI: 10.1016/j.wneu.2015.03.046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Developing a system to cover OTHER via rudimentary objective…subjective distinction. (2014)
  • Author(s): Nishiyama Y, Kato K, Kawasaki K, Nagasawa M, Hasegawa I.
  • Journal Title: Artificial Life and Robotics Volume: 19 Pages: 181-185
  • DOI: 10.1007/s10015-014-0147-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Decoding visual object categories from temporal correlations of ECoG signals. (2014)
  • Author(s): Majima K, Matsuo T, Kawasaki K, Kawai K, Saito N, Hasegawa I, Kamitani Y.
  • Journal Title: Neuroimage Volume: 90 Pages: 74-83
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2013.12.020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced translocation and growth of Rhodococcus erythropolis PR4 in the alkane phase of aqueous-alkane two phase cultures were mediated by GroEL2 overexpression. (2014)
  • Author(s): Takihara H, Ogihara J, Yoshida T, Okuda S, Nakajima M, Iwabuchi N, Sunairi M.
  • Journal Title: Microbes and Enviroments Volume: 29 Pages: 346-352
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME13158
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elucidation of the evolutionary expansion of phosphorylation signaling networks using comparative phosphomotif analysis. (2014)
  • Author(s): Yoshizaki H, Okuda S.
  • Journal Title: BMC Genomics Volume: 15 Pages: 546
  • DOI: 10.1186/1471-2164-15-546
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In-vivo neuronal action potential recordings via three-dimensional microscale needle-electrode arrays. (2014)
  • Author(s): Fujishiro A, Kaneko H, Kawashima T, Ishida M, Kawano T.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 4 Pages: 4868
  • DOI: 10.1038/srep04868
  • Peer Reviewed / Open Access