【研究分野】人間医工学およびその関連分野

【研究領域課題番号】17K20090 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

聴覚野 / 電気刺激 / 微小電極アレイ / 脳 / 聴覚 / 電極 / 電極アレイ / 知覚

【研究成果の概要】

ラット頭部に固定具および聴覚野硬膜上に16チャンネルマイクロ皮質脳波電極アレイを埋め込み，ラットを固定した上でレバーを操作させて，知覚を報告するように訓練した．これらを用いてラットの可聴閾値音圧を調べ，閾値付近でのラット聴皮質の神経活動がどのように異なるか調べた．この実験系を利用して，ラットの視床の電気刺激による知覚補綴効果を検討した．その結果，視床への電気刺激が，聴覚野でP3波と類似した神経活動を介して，聴知覚を生成あるいは促進していることと，視床の感覚ゲーティング機能により，視床刺激が知覚に及ぼす影響は，刺激パラメータに強く依存することが示唆された．

【研究の社会的意義】

脳内で表現されている情報が，すべて主観的な「意識」にのぼるわけではない．そうならば，どのような活動パターンが，意識にのぼりやすいのだろうか，あるいは逆に，意識にのぼりにくいのだろうか？　意識に関わる脳活動パターンの知見は年々蓄積されている．これらの知見を治療や産業に生かすためには，脳活動と意識的な知覚との相関関係にとどまらずに，両者の因果性に踏み込まなければならない．そのためには，脳に直接的に刺激を与えることで生じる知覚を調べればよい．脳への直接刺激の断続的な効果や長期間に渡る慢性的な効果を調べるためには，げっ歯類による動物実験が最も有効であると考えた．

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2017-06-30 - 2020-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】知覚情報処理

【研究領域課題番号】15F15048 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

脳 / 電極 / 聴覚野 / 視床 / 意識 / 聴覚 / 誘発電位 / 電気計測 / 行動実験 / 新皮質 / 微小電極アレイ / 神経活動

【研究成果の概要】

本研究では，視床・聴覚野を同時計測し，意識的な知覚に関わる神経活動の特徴を調べることを目的とした．当初の計画では，聴知覚を報告できるように，ラットにレバー操作を学習させ，意識にのぼった刺激と意識にのぼらなかった刺激に対する視床・聴覚野の神経活動を調べようと考えた．実際に，ラットが聴知覚を報告できるような行動実験系は構築できたが，視床・聴覚野を同時計測しながらの行動実験は，技術的な問題から実現できなかった．そこで，迷走神経刺激 (VNS) による視床・聴覚野の神経活動の変化を調べることにした．なお，VNSは，セロトニン系やノルアドレナリン系を賦活し，覚醒作用を含む広範な調整作用を及ぼすと考えられている．生理実験では，大脳皮質の平面方向と深さ方向の神経活動に加え，皮質と視床を同時計測した．視床の聴覚中枢の内側膝状体は，一次聴覚野から脳表に対して垂直に5 mm刺入すればアクセスできる．刺入型電極に加え，脳表の神経活動を計測する表面電極アレイの基板上に穴を設け，刺入型電極アレイを通すことで，聴覚野の３次元的な計測と聴覚野・視床の同時計測を実現した．VNSの刺激では，パルス幅が130 µs，電流値が0.5 mAの，2相性の電流パルスとした．この電流パルスを，5分ごとに，10 Hzの頻度で300回，すなわち30秒間提示して，迷走神経を刺激した．VNS中の音刺激は，5分間の休止時間に提示した．麻酔下のラットに対して，聴覚野・視床における音に対する反応をVNS作動中と非作動中とで比較した．その結果，皮質表層 (1～3層) での誘発反応は亢進したが，皮質深層 (5/6層)や視床ではVNSの効果は認められなかった．このような層特異的な反応は，VNSによる音の識別・検出機能の向上に関わると考えられる．

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2015-10-09 - 2018-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】生体医工学・生体材料学

【研究領域課題番号】26242040 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

脳 / 神経活動 / 電極 / 聴覚野 / 迷走神経 / てんかん / 電極アレイ / 耳鳴 / 微小電極アレイ / 聴覚 / 大脳皮質 / 視床 / てんかん発作 / 迷走神経刺激 / 電気刺激 / 知覚 / 迷走神経刺激療法

【研究成果の概要】

迷走神経刺激療法 (Vagus nerve stimulation; VNS) は，難治性てんかん発作に対する緩和的治療の一つで，体内に電気刺激装置を埋植し，左迷走神経を間歇的かつ慢性的に刺激する．VNSによる臨床的てんかん発作抑制効果が広く認められる一方で，その作用機序は未だ解明されていない．本研究では，動物実験と臨床研究により，VNSが大脳皮質の神経活動に与える影響を調べ，てんかん病態，知覚・認知，記憶・学習など脳の諸機能において，VNSの影響を考察した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】43,810千円 (直接経費: 33,700千円、間接経費: 10,110千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】26630089 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

脳 / 神経細胞 / リカレントネットワーク / 培養 / ロボット / 微小電極アレイ / 培養神経回路 / 光刺激 / フィードバック

【研究成果の概要】

ラットの胎児から神経細胞を取り出し，それをシャーレの上に神経細胞を播種し培養すると，混沌とした活動パターンを自発的に生成する神経回路に成長する．本研究では，神経回路の活動に基づいて適切なフィードバック刺激を与えると，混沌とした活動パターンから秩序を抽出できることを示した．このような混沌から抽出された秩序を利用してロボットを制御すると，迷路課題のような目的志向型課題も解決できた．この結果から，混沌から秩序を抽出するメカニズムが，生物的な知能の源泉であると考える．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】24650252 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

聴覚 / 大脳皮質 / 脳 / 同期 / 神経修飾物質 / 神経活動パターン / 知覚 / 神経活動 / 迷走神経刺激 / 微小電極アレイ

【研究成果の概要】

感覚皮質の神経活動において，神経修飾物質が，情報処理の機能集団の形成と安定性に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした．特に，迷走神経刺激 (Vagus Nerve Stimulation; VNS) は，セロトニン系やノルアドレナリン系を介して，大脳皮質の神経活動に広範な調整作用を及ぼすことに着目し， VNSが聴覚皮質の神経活動に及ぼす影響を精査した．その結果，VNSにより，自発活動では局所的な同期が脳の状態に応じて変化すること，音刺激による誘発活動では反応選択性や時間分解能が変化し得ることを示した．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2012-04-01 - 2014-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】23680050 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

神経細胞 / 脳 / ネットワーク / 培養 / 電極 / CMOS / 可塑性 / 神経回路 / 微小電極アレイ / カルシウムイメージング / 分散培養 / 活動電位

【研究成果の概要】

神経細胞の分散培養系を対象として，1.8 mm角の計測領域に，11,011個の電極を有するCMOSアレイにより，培養神経ネットワークの形状と活動の関係を調べた．軸索に沿って伝播する活動電位の速度は，細胞内で大きくばらついており，軸索が太い部分では速く，細い部分では遅かった．また，ネットワークが成熟した後でも，発火頻度の低い神経細胞は活発に移動していることがわかった．さらに，軸索刺激に対する神経活動パターンから，ネットワークの機能結合を可視化し，ネットワークの可塑性を定量化する手法を確立した．

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】27,430千円 (直接経費: 21,100千円、間接経費: 6,330千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】18656076 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

脳 / 神経 / 培養神経細胞 / カルシウムイメージング / 自己組織化 / 微小電極アレイ / アモルファスシリコン

【研究成果の概要】

脳のモデルとして,自己組織的に形される培神経細胞の神経回が注目されている.従来の研究では,培養神経細胞活動を計測・刺激するために,多点電極アレイ(Multi-electrode array, MEA)が広く用いられてきた.しかし,MEAでは,電気刺激を与えられる範囲が電極上のみに制限されるため,刺激可能な面積や分解能に限界がある.この欠点を解消するための基盤技術として,光照射で刺激部位を任意の大きさ・形状に選択できる光アドレス電極を開発した.
本電極は,酸化スズ透明金属膜,水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)光導電性膜,アンチモン酸亜鉛分散エポキシ保護膜の3層から成る.光が電極に照射されるとa-Si:H膜の電気伝導率が上昇し,仮想的な電極が生成される.A-Si:H膜は,膜厚が150nm,暗導電率と明導電率がそれぞれ4x10^<-11>,3x10-5Ω-1cm^<-1>であり,CVD(Chemical Vopor Deposition)を用いて成膜される.保護膜は,スピンコートで成膜できる防水性保護膜で,弱アルカリ性の培養液によるa-Si:Hの劣化を防ぐ.同膜はアンチモン酸亜鉛を電荷担体とした10MΩ/sq.程度の表面抵抗を有する低導電性薄膜であり,膜厚方向にのみ電流を通す.
試作した電極の耐久性を培養液への暴露実験で評価したところ,誘電性及び導電性保護膜共に,2週間以上の培養液への暴露に耐え,その間,光感度はほぼ一定に保たれた.本電極上で神経細胞を培養し,光照射下で電気刺激を与えたところ,誘電性及び導電性保護膜を介した全面刺激双方で,神経細胞内のCa2+濃度の変化を誘発できた.さらに,導電性保護膜を介して局所刺激を与えると,光照射部位の神経細胞を選択的に刺激できた.これらの結果から,試作電極は,神経科学の構成論的研究の強力なツールとして期待できる.

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】16686014 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

脳 / 神経 / ブレイン・コンピュータ・インターフェース / 聴覚 / ニューラルネットワーク / 微小電極アレイ / 聴皮質 / 時空間的情報表現 / 機能構造 / 神経反応 / 可塑性 / 局所電場電位 / ラット

【研究成果の概要】

本研究の目的は,第一に,大脳皮質の時空間的な神経活動に含まれる情報を翻訳する手法を開発することである.すなわち,多点計測した神経信号から,既知の情報を抽出できるシステム伝達関数の推定手法を提供する.第二に,このような神経活動の翻訳が,脳神経系をダイナミックなシステムとして捉える研究手法として有効であることを実証する.
時空間的な神経活動から神経情報処理機構を考察するために,ニューラルネットワークを用いた解析方法を提案した.同ネットワークでは,微小電極アレイを用いて多点同時計測した聴皮質の時空間的神経活動パターンを入力とし,それを誘発した音刺激の周波数の情報を教師情報として用いる.提案手法は,特定の中間層ニューロンの入出力関係を精査することで,神経情報処理機構を考察する.
リカレント型ニューラルネットワークは,フィードフォワード型ネットワークに比べて,汎化能力に長ける.この結果は,神経細胞群が,リカレント型ネットワークのように,過去の情報を記憶しながら,それに応じて活動パターンを時間的に変化させていることを示唆する.
学習したリカレント型ニューラルネットワークについて,各中間層ニューロンの情報処理の特徴と重みを調べたところ,特徴的な中間層ニューロンが現れた.これらの中間層ニューロンの入出力関係に注目したところ,周波数選択性は,すべての周波数帯域からの興奮性入力と低周波数帯域からの抑制性入力に依存していることが示唆された.このことは,従来の生理学的な知見を一致する.これらのことから,提案手法は,時空間的神経活動パターンから,情報処理機構の生理学的な特徴を抽出でき,解析手法として有望であると考える.

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】30,030千円 (直接経費: 23,100千円、間接経費: 6,930千円)