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平成25年11月8日

自然科学研究機構 生理学研究所 広報展開推進室
科学技術振興機構(JST) 広報課

脳と脊髄の神経のつながりを人工的に強化することに成功

脊髄損傷や脳梗塞による運動麻痺患者の願いは、「失った機能である自分で自分の身体を思い通りに動かせるようになりたい」ということです。しかしながら、これまでのリハビリテーション法・運動補助装置では一度失った機能を回復させることは困難でした。今回、生理学研究所の西村 幸男 准教授と米国ワシントン大学の研究グループは、自由行動下のサルに大脳皮質の神経細胞と脊髄とを4×5cmの神経接続装置を介して人工的に神経結合し、大脳皮質と脊髄のつながりを強化することに世界で初めて成功しました。本研究成果を日常生活で利用可能な脊髄損傷や脳梗塞などの運動・感覚麻痺に対する新しいリハビリテーション法として応用することを目指します。本研究結果は、神経科学専門誌「NEURON」(2013年11月7日のオンライン速報)に掲載されます。

<研究内容>

研究チームは、大脳皮質と脊髄間のつながり(シナプス結合)を強化する目的で、自由行動下のサルの大脳皮質の神経細胞と脊髄とを神経接続装置(図1)を介して、人工的に神経接続しました。神経接続装置は、大脳皮質の神経活動を記録し、それを電気刺激に変換し、0.015秒の遅延時間(刺激のタイミング)をおいて、脊髄に対して電気刺激をします。サルは神経接続装置と伴に、ご飯を食べたり、遊んだり、寝たり、自由に日常を変わらず過ごしていました(図2中)。すると、次の日には大脳皮質と脊髄間のシナプス結合の強さは、人工神経接続前と比較すると、より強くなっていました(図2左)。シナプス結合の強さは、刺激のタイミングが大変重要で、0.012−0.025秒だと強化され(図3赤丸)、0.050秒以上ではシナプス結合の強さに変化が見られませんでした。大変興味深いことに、刺激のタイミングを短くするとシナプス結合の強さが減弱されました(図3水色)。この結果は、自由行動下の動物でシナプス結合を強めたり、弱めたりした世界で初めての成果です。

西村准教授は、「この技術は在宅で利用可能な脊髄損傷や脳梗塞後の運動・感覚機能の機能再建・リハビリテーションに役立つことが期待されます。シナプス結合は学習や記憶を司り、脳・脊髄の至る所にあります。この技術は学習能力や記憶を強化することにも応用可能かもしれません」と話しています。

本研究は、JST 戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)の「脳情報の解読と制御」研究領域(研究総括:川人 光男 (株) 国際電気通信基礎技術研究所 脳情報通信総合研究所 所長)における研究課題「人工神経接続によるブレインコンピューターインターフェイス」(研究代表者:西村 幸男)の一環として行われました。

また、今回の動物実験に関しては、動物実験の指針を整備するとともに、研究所内動物実験委員会における審議を経て、適切な動物実験を行っております。

<今回の発見>

<この研究の社会的意義>

日常生活で可能なリハビリテーション法の臨床応用。

<参考図>

図1

図1 神経接続装置

4×5cmの電子回路で生体信号記録装置、マイコン、電気刺激装置で構成されています。

図2

図2 人工的な神経接続による大脳皮質と脊髄との神経結合の強化

大脳皮質と脊髄間の神経結合の強さは、脊髄につながっている大脳皮質の神経細胞と脊髄の神経細胞間のシナプスで決められています(図2左)。この大脳皮質と脊髄間のシナプス結合を強化する目的で、大脳皮質の神経細胞と脊髄とを神経接続装置を介して、人工的に神経接続しました。神経接続装置は、大脳皮質の神経活動を記録し、それを電気刺激に変換し、0.015秒の遅延時間(刺激のタイミング)をおいて、脊髄に対して電気刺激をします。神経接続装置を約1日、自由行動下のサルに装着すると(図2中)、次の日に大脳皮質と脊髄間のシナプス結合の強さは、人工神経接続前と比較すると、より強くなっていました(図2右、赤丸が強化されたシナプス結合)。

図3

図3 刺激のタイミングの効果

シナプス結合の強さの制御には、刺激のタイミングが大変重要で、0.012−0.025秒だと強化され(図3赤丸)、0.050秒以上では効果はありませんでした。大変興味深いことに、刺激のタイミングが短すぎるとシナプス結合の強さが減弱されました(図3水色)。

<論文情報>

“Spike-timing dependent plasticity in primate corticospinal connections induced during free behavior”
Yukio Nishimura, Steve I. Perlmutter, Ryan W. Eaton, Eberhard E. Fetz
Neuron 2013年11月7日
doi: 10.1016/j.neuron.2013.08.028

<お問い合わせ先>

<研究内容に関すること>

西村 幸男(ニシムラ ユキオ)
自然科学研究機構 生理学研究所 認知行動発達機構研究部門 准教授
Tel:0564-55-7766 Fax:0564-55-7766
E-mail:

<JSTの事業に関すること>

科学技術振興機構 戦略研究推進部
Tel:03-3512-3525
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<広報に関すること>

自然科学研究機構 生理学研究所 広報展開推進室
Tel:0564-55-7722 Fax:0564-55-7721
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科学技術振興機構 広報課
Tel:03-5214-8404 Fax:03-5214-8432
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