脳神経賦活マンガン造影法による脳機能モジュールの三次元磁気共鳴画像解析

本研究の目的は、「脳神経賦活マンガン増強磁気共鳴画像法(AIM MRI)」および「マンガン造影経路トレース法」を改良・最適化し、体性感覚刺激によって賦活されたラットの第一次体性感覚野のカラム構造を画像化すると共に、経路情報を含めた3次元画像解析により、脳機能モジュールの研究に新しい方法論を提供することにある。本年度は以下のような形でAIM MRIの問題点を解決、改良を行った。1)脳血液関門を開いた後に生じる脳浮腫を防止するために、脳圧のコントロールを手法として取り入れた。2)体性感覚刺激実験を行うために必要な麻酔深度に関して、ハロセン、イソフルレン、プロポフォールなど各種麻酔薬を用いた実験を行った。3)脳血液関門を開く際に使用するMannitolの再結晶化を防止する手法を確立した。その結果、手掌および単一whiskerでの刺激によるAIM脳機能画像の取得に成功、両者の局在の差を空間的に示した。さらに、Mannitol再結晶化防止に関連する技術から、本法が超急性期の脳虚血に対して適用可能であることを発見、AIM MRIの脳虚血モデルヘの適用を初めて報告した。虚血領域の中心にあるischemic coreと呼ばれる領域では、虚血性の脱分極が生じ、グルタミン酸などの神経伝達物質が過剰放出されることで、連鎖的に脱分極を繰り返す現象が生じる。この新しい手法では、マンガンイオンがカルシウムチャネルを通過して細胞内に蓄積することにより画像上の信号増強として検出される。一方、「マンガン造影経路トレース法」に関しては、1)高濃度のマンガン造影剤を使用した際に生じる局所浮腫の防止のため、浸透圧ポンプおよび水溶性高分子徐放剤を使用し解決し、2)脳内投与法の予備実験を行い、局所濃度と神経障害に関して検証し、3)高分解能三次元画像のための撮像シーケンスの最適化を行った。撮像法に関しては、国内の磁気共鳴画像装置において、1)外来ノイズ除去のためのシールド作成、2)高感度とRF均一性を兼ね備えたコイルの製作、3)傾斜磁場安定性の改良を行った。また海外の共同研究機関(米国国立衛生研究所・国立神経疾患梗塞研究所;NINDS, NIH)において、11.7テスラ超高磁場装置でも同様の実験を行い、3次元撮像で75ミクロン以下の分解能を達成した。その結果、鼻粘膜に投与されたマンガントレーサーが、嗅神経を介して嗅球に達する様子を動的に撮像した、嗅糸球体など神経の連繋に関わる興味深い画像を得た。

本研究の目的は、「脳神経賦活マンガン増強磁気共鳴画像法(AIM MRI)」および「マンガン造影経路トレース法」を改良・最適化し、体性感覚刺激によって賦活されたラットの第一次体性感覚野のカラム構造を画像化すると共に、経路情報を含めた3次元画像解析により、脳機能モジュールの研究に新しい方法論を提供することにある。本年度は以下のような形でAIM MRIの問題点を解決、改良を行った。1)脳血液関門を開いた後に生じる脳浮腫を防止するために、脳圧のコントロールを手法として取り入れた。2)体性感覚刺激実験を行うために必要な麻酔深度に関して、ハロセン、イソフルレン、プロポフォールなど各種麻酔薬を用いた実験を行った。3)脳血液関門を開く際に使用するMannitolの再結晶化を防止する手法を確立した。その結果、手掌および単一whiskerでの刺激によるAIM脳機能画像の取得に成功、両者の局在の差を空間的に示した。さらに、Mannitol再結晶化防止に関連する技術から、本法が超急性期の脳虚血に対して適用可能であることを発見、AIM MRIの脳虚血モデルヘの適用を初めて報告した。虚血領域の中心にあるischemic coreと呼ばれる領域では、虚血性の脱分極が生じ、グルタミン酸などの神経伝達物質が過剰放出されることで、連鎖的に脱分極を繰り返す現象が生じる。この新しい手法では、マンガンイオンがカルシウムチャネルを通過して細胞内に蓄積することにより画像上の信号増強として検出される。一方、「マンガン造影経路トレース法」に関しては、1)高濃度のマンガン造影剤を使用した際に生じる局所浮腫の防止のため、浸透圧ポンプおよび水溶性高分子徐放剤を使用し解決し、2)脳内投与法の予備実験を行い、局所濃度と神経障害に関して検証し、3)高分解能三次元画像のための撮像シーケンスの最適化を行った。撮像法に関しては、国内の磁気共鳴画像装置において、1)外来ノイズ除去のためのシールド作成、2)高感度とRF均一性を兼ね備えたコイルの製作、3)傾斜磁場安定性の改良を行った。また海外の共同研究機関(米国国立衛生研究所・国立神経疾患梗塞研究所;NINDS, NIH)において、11.7テスラ超高磁場装置でも同様の実験を行い、3次元撮像で75ミクロン以下の分解能を達成した。その結果、鼻粘膜に投与されたマンガントレーサーが、嗅神経を介して嗅球に達する様子を動的に撮像した、嗅糸球体など神経の連繋に関わる興味深い画像を得た。