刺激波形制御による標的神経電気刺激法の開発と脳機能イメージングによる実験的検証

开发利用刺激波形控制的靶神经电刺激方法并利用脑功能成像进行实验验证

• 批准号: 13J02324
• 负责人: 上野 彩子
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013 至 2014
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J02324/
• 关键词: 細胞外電気刺激; 選択的な神経線維の動員; 電気刺激の時間波形制御; ヒト有髄神経線維; 神経活動イメージング; 皮質・皮質下マッピング; ヒト中枢神経線維

本研究の目的は、中枢神経系において細胞外電極と神経線維との距離や神経線維の直径に対し選択的な刺激法を開発することである。これまでに末梢神経系では刺激の時間波形を制御することで選択的刺激が可能であることが示唆されていたが、中枢神経系に適用された例はなかった。もし中枢神経系においても選択的刺激が可能ならば、臨床医学で利用されている電気刺激法において、安全性向上に寄与するものと期待できる。本研究においては、シミュレーションと動物実験からこの問題に取り組んだ。まず、ヒト頭部の一部を模擬した容積導体にヒト有髄神経の数理モデルを埋め込んだモデルを用いて、ディスク型の電極から電気刺激を与えたときの応答をシミュレーションした。刺激波形は双極の陰極性矩形波、および三角波と三つのバースト波から構成される閾値下前刺激を陰極性矩形波に先行して配置した波形とした。この二つの波形について、電極と神経線維との距離に対する選択性、および神経線維の直径に対する選択性を評価した。その結果、閾値下前刺激を配置した場合には、矩形波刺激と比較して距離および直径選択性が同時に高まることを明らかにした。この現象のメカニズムを説明しうるものとして、閾値下前刺激の期間中に神経線維のカリウムチャネルが開口し、もれ電流が増加することを示した。続いてシミュレーションにより予見された閾値下前刺激の効果を検証するために、マウスの視床皮質スライスに陰極性の矩形波および閾値下前刺激を陰極性矩形波に先行して配置した波形を与えたときの大脳皮質の応答を、フラビン蛋白蛍光イメージング法により観察した。その結果、閾値下前刺激を与えたときは、矩形波刺激と比較して大脳皮質の応答が有意に減弱することを明らかにした。これにより中枢神経系でも選択的動員が可能であることをイメージングにより初めて示唆した。

这项研究的目的是为中枢神经系统中的细胞外电极和神经纤维与神经纤维直径之间的距离开发选择性刺激方法。直到现在，已经建议通过控制周围神经系统刺激的时间波形来实现选择性刺激，但是这些都没有应用于中枢神经系统。如果中枢神经系统可以进行选择性刺激，则可以预期临床医学中使用的电刺激方法将有助于提高安全性。这项研究通过模拟和动物实验解决了这个问题。首先，一种模型，其中将人髓神经的数学模型嵌入到体积指导器中，该模拟导体模拟人头的一部分，用于模拟从盘状电极应用电刺激时模拟响应。刺激波形是波形，其中由双极阴极矩形波和三角形波和三个爆发波排列在阴极矩形波之前，将其组成。对于这两个波形，评估了电极和神经纤维之间距离的选择性，并评估了神经纤维直径的选择性。结果，揭示了在放置亚阈值预刺激时，与方波刺激相比，距离和直径的选择性同时提高。可以通过表明神经纤维的钾通道打开，并且在亚阈值预刺激期间的泄漏电流增加来解释这种现象的机制。为了验证通过模拟预测的亚阈值预刺激的影响，当给小鼠丘脑皮层切片时，给出了脑皮层切片的反应，并通过黄素蛋白荧光想象观察到托管平方波之前的波形前阈值进行了阈值预刺激。结果，据揭示了在应用阈值预刺激时，与方波刺激相比，大脑皮层的反应显着降低。这首先通过成像表明，中枢神经系统可以选择性募集。

项目成果

Comparing the diameter-and distance-selectivity of electrical nerve stimulation with stimulus waveform control

比较神经电刺激的直径和距离选择性与刺激波形控制

• 发表时间: 2013
• 作者: Ayako Ueno;Norihiro Katayama;Akihiro Karashima;Mitsuyuki Nakao
• 通讯作者: Mitsuyuki Nakao

The effect of electrical stimulation waveform on the spatial distribution of neuronal activation in thalamo-corticat slices of mice

电刺激波形对小鼠丘脑皮质切片神经元激活空间分布的影响

• 发表时间: 2013
• 作者: Ayako Ueno;Norihiro Katayama;Akihiro Karashima;Mitsuyuki Nakao
• 通讯作者: Mitsuyuki Nakao

Targeted subcortical nerve recruitment by controlling the waveform of electrica stimulation for MRI-guided surgical ablation

通过控制电刺激波形进行 MRI 引导手术消融的靶向皮质下神经募集

• 发表时间: 2014
• 期刊: Advanced Biomedical Engineering
• 影响因子: 1
• 作者: Ayako Ueno;Norihiro Katayama;Akihiro Karashima;Mitsuyuki Nakao
• 通讯作者: Mitsuyuki Nakao

Correlation between Green Autofluorescence and Spontaneous Electroencephalogram in the Cerebral Cortex of Urethane Anesthetized Mice

聚氨酯麻醉小鼠大脑皮层绿色自发荧光与自发脑电图的相关性

• DOI: 10.9746/sicetr.50.602
• 发表时间: 2014
• 期刊: Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers
• 作者: 片山統裕;中川大輝;上野彩子;辛島彰洋;中尾光之
• 通讯作者: 中尾光之

Computational analysjs of selective recruitment for subcortical nerve fibers by smooth biphasic waveforms.

通过平滑双相波形选择性募集皮层下神经纤维的计算分析。

• 发表时间: 2014
• 作者: Ayako Ueno;Norihiro Katayama;Akihiro Karashima;Mitsuyuki Nakao
• 通讯作者: Mitsuyuki Nakao