Study on the mechanism of neuron cell activity induction and motion induction by ultrasound stimulation

超声刺激诱导神经元细胞活动和运动的机制研究

• 批准号: 20K20642
• 负责人: 高木 周
• 金额: $ 16.64万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-07-30 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K20642/
• 关键词: 超音波; 神経細胞; 運動誘発; カルシウムイオン; 数理モデル; マイクロバブル; 力学刺激; 興奮伝播; 発火

本研究では，超音波照射により神経細胞群に生じる集団的発火とラットの経頭蓋超音波照射により誘発される運動の関係を調べ，超音波照射のもたらす力学的刺激が脳神経系の活動及び生体の運動を誘発するメカニズムについて知見を得ることを目的とする．また，それらをシミュレーションにより再現する数理モデルを構築し，運動誘発の最適条件などを検討するためのツールを開発することを目指している．本年度は，基盤上における培養した神経細胞の細胞密度を変化させ，カルシウムイオンの放出について調べた．その結果，細胞密度が低いほど，超音波照射に対するカルシウムイオン放出が強くなり，イオン放出のピークの後，減衰するときの緩和時間が長くなる傾向があるのがわかった．この傾向は，神経細胞の自発活動と同様の傾向となるため，実験データから自発活動によるカルシウムイオンの放出と超音波照射によるものの区別をするのが難しいことが判明した．そこで，シナプス伝達を阻害したところ，神経細胞の自発活動はなくなったが，超音波照射によるカルシウムイオン放出は存在した．このことより超音波刺激に対する応答は，シナプスを介した共鳴現象のようなものではなく，一つの細胞レベルで生じ，分離された複数の細胞で独立してカルシウムイオンの放出がおきていると判断した．すなわち，超音波刺激に反応した細胞がそれぞれカルシウムイオンの放出を起こしていると考えられる．一方．自発的発火の場合は，一か所で起こったカルシウム放出はシナプス結合を介して，周囲に広まるため，シナプス伝達を阻害した場合，同時に複数の細胞からのカルシウムイオン放出が起こらなかったと考えられる．このことより，カルシウムイオンの放出が自発活動だけでなく，超音波照射により生じていることが確認できた．

This study で は, ultrasound irradiation に よ り god 経 cells born に じ る set 団 発 fire と ラ ッ ト の 経 epicranium ultrasound irradiation に よ り 発 lure さ れ る movement の masato を adjustable べ, ultrasound irradiation の も た ら す mechanical stimulation が 脳 god 経 の activities and び raw motion on の を 発 lure す る メ カ ニ ズ ム に つ い て knowledge を have る こ と を purpose と す る. ま た, そ れ ら を シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り reappearance す る mathematical モ デ ル を し, exercise induced 発 の optimal condition な ど を beg す 検 る た め の ツ ー ル を open 発 す る こ と を refers し て い る. は this year, on the base plate に お け る cultivate し た god を の 経 cells density variations change さ せ, カ ル シ ウ ム イ オ ン の release に つ い て adjustable べ た. そ の as a result, cell density low が い ほ ど, ultrasound irradiation に す seaborne る カ ル シ ウ ム イ オ ン emit strong が く な り, イ オ ン release の ピ ー ク の, damping す る と き の ease が long く な る tendency が あ る の が わ か っ た. こ の は, god と の 経 cells from 発 activities with others in の tendency と な る た め, be 験 デ ー タ か ら since 発 activity に よ る カ ル シ ウ ム イ オ ン の release と ultrasound irradiation に よ る も の の difference を す る の が difficult し い こ と が.at し た. そ こ で, シ ナ プ ス 伝 da を resistance against し た と こ ろ, god 経 cells の since 発 activity は な く な っ た が, ultrasound irradiation に よ る カ ル シ ウ ム イ オ ン release は exist し た. こ の こ と よ り ultrasound stimulation に す seaborne る 応 answer は, シ ナ プ ス を interface し た resonance phenomenon の よ う な も の で は な く, a つ の cells レ ベ ル で じ, separation さ れ た plural の cells で independent し て カ ル シ ウ ム イ オ ン の release が お き て い る と judgment し た. す な わ ち, ultrasound stimulation に 応 し た cells が そ れ ぞ れ カ ル シ ウ ム イ オ ン の released since を こ し て い る と exam え ら れ る. One party. Since 発 は 発 の fire situations, a か で up by こ っ た カ ル シ ウ ム release は シ ナ プ ス combining を interface し て, weeks 囲 に hiroo ま る た め, シ ナ プ ス 伝 da を resistance against し た occasion, at the same time に plural の cells か ら の カ ル シ ウ ム イ オ ン release が up こ ら な か っ た と exam え ら れ る. こ の こ と よ り, カ ル シ ウ ム イ オ ン の release が since 発 activity だ け で な く, ultrasound irradiation に よ り raw じ て い る こ と が confirm で き た.

项目成果

サブMHz 超音波による神経細胞刺激の物理作用機序

亚MHz超声刺激神经细胞的物理作用机制

• 发表时间: 2021
• 作者: Kobayashi M;Ikeda T;Tokuda T;Monden Y;Nagashima M;Mizushima SG;Inoue T;Shimamura K;UjiieY;Arakawa A;Kuroiwa C;Ishijima M;Kishimoto Y;Kanazawa S;Yamagata T;Yamaguchi MK;Sakuta R;Dan I;石島歩，範海嘯，榛葉健太 ， 東隆 ，神保泰彦 ，高木周
• 通讯作者: 石島歩，範海嘯，榛葉健太 ， 東隆 ，神保泰彦 ，高木周

Acoustic frequency-dependent physical mechanism of sub-MHz ultrasound neurostimulation

亚兆赫超声神经刺激的声学频率依赖性物理机制

• DOI: 10.35848/1347-4065/ac9faf
• 发表时间: 2022
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Fan Haixiao;Shimba Kenta;Ishijima Ayumu;Sasaoka Kenya;Takahashi Tsuyoshi;Saka Eigo;Chang Chih-Hsiang;Jimbo Yasuhiko;Azuma Takashi;Takagi Shu
• 通讯作者: Takagi Shu

Numerical Study on a Focus-Control Method Using Breast Model With Intentionally Assigned High-Absorbing Layer Near Skin for High-Intensity Focused Ultrasound Treatment

使用乳房模型的焦点控制方法的数值研究，该模型在皮肤附近有意分配高吸收层，用于高强度聚焦超声治疗

• DOI: 10.1109/tuffc.2022.3205620
• 发表时间: 2022
• 期刊: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control
• 作者: Zhang Mingzhen;Narumi Ryuta;Azuma Takashi;Okita Kohei;Takagi Shu
• 通讯作者: Takagi Shu