研究紹介

 


神経機能画像と神経疾患

神経画像検査はCT, MRIなど広く臨床的に用いられており、神経内科では欠かすことのできない検査です。脳の「かたち」をみることで病気の診断をする画像診断が主ですが、神経画像検査には「かたち」ではなく「はたらき」を調べる方法もあります。その代表的なものが機能的MRIです。

機能的MRIは血液成分であるヘモグロビンの酸化状態によって磁気共鳴信号が変化する性質を応用して脳活動を検出する方法です。この技術により神経科学研究には近年目覚ましい進歩があり、私たちの脳機能に対する理解は格段に深まりましたが、臨床分野への応用研究はまだまだ発展途上です。特に脳梗塞や神経変性疾患でみられる高次脳機能障害の病態は未知の点も多く、薬やリハビリが脳にどのように作用して効果を発揮するかもまだ解明されていないことがたくさんあります。認知症やパーキンソン病の患者さんに治療薬を服用してもらった後でMRI装置の中でいろいろな認知課題を行ってもらい、その時の脳活動を測定することにより治療薬が脳のはたらきにどんな影響を及ぼしているかを調べるなど、私たちは機能画像を臨床分野に応用した研究を行っています(図1)。

機能的MRIのほかに脳活動を観察する方法としてPETがあります。PETは陽電子(ポジトロン)検出を利用した断層撮影技術で脳の活動・代謝状態を定量的に観察することができます。当施設ではMRIとPETを同時測定することが可能な撮像装置が稼働しています(図2)。これは2016年現在本邦でまだ2台しか導入されていない装置で、これを活用して神経疾患の診断や病態の解明が進むことが期待されています。当科ではこのPET-MRIをさらに経頭蓋磁気刺激法や脳波測定と組み合わせることにより脳の情報処理の秘密を解き明かすために様々な実験を行っています。

 スライド1

PET-MRI装置

スライド2

機能的MRIで測定したパーキンソン病

患者さんの脳の機能的結合

機能的MRIとTMSとを用いた脳内での言語処理ネットワークに関する検討

「言語なくして人類の進化はない」と言っても過言ではないように、言葉は私たちの暮らしになくてはならないものです。歴史的には言語表出に関わるブローカ野と、言語理解に寄与するウェルニッケ野とが言語処理に関わる重要な脳領域とされてきましたが、近年の脳機能イメージング法や脳外科での覚醒下手術の発展により、より広範な脳領域が関与していることがわかってきました。

私たちは、機能的MRIとTMSとを用いて、言語に関連する脳内ネットワークについて研究を進めています(文献1,2を参照)。現在は、「カ」と言っている映像を見ながら「パ」音を聞くと「タ」音に聞こえるMcGurk効果を用いて、錯聴の脳内メカニズムを検証しています。特に4連発磁気刺激法(QPS)を用いて脳活動を一時的にノックアウトする手法(virtual-lesion法)や、課題とTMSとを同時に行う方法(event-related TMS法)を用いて、パフォーマンスや脳内ネットワークの変化を検証しています。さらにアルツハイマー病やレビー小体型認知症、パーキンソン病での検討も進めています。

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スライド4

共同研究者:
永福智志先生、伊藤浩先生、久保均先生、藤原寿理先生、岡本正博先生(福島県立医科大学)
幕内充先生、水落智美先生、岩渕俊樹先生(国立障害者リハビリテーションセンター)
阿部十也先生(東北大学)
山下彰先生(森ノ宮病院)
Winnugroho Wiratman先生(University of Indonesia)
Ilkka Laakso先生(Aalto University, Finnland)

文献
1. Murakami T., Kell C., Restle J., Ugawa Y., Ziemann U. Left dorsal speech stream components and their contribution to phonological processing. The Journal of Neuroscience 2015; 35: 1411-1422.
2. Murakami T., Ugawa Y., Ziemann U. Utility of TMS to understand the neurobiology of speech. Frontiers in Psychology 2013; 4: 446. doi: 10.3389/fpsyg.2013.00446. eCollection 2013.

チャネル病

神経内科が対象とする脳・脊髄・末梢神経・骨格筋は、神経細胞や筋細胞の電気活動によって機能が維持されており、これは細胞膜に存在するイオンチャネルの働きにより営まれております。近年、イオンチャネルの遺伝子変異により、てんかんや周期性四肢麻痺などの神経筋疾患が発症することが明らかとなってきました。

当科ではこれまで寒冷曝露で誘発される家族性低カリウム性周期性四肢麻痺症例で骨格筋Na+チャネルの遺伝子変異を同定し、さらにパッチクランプ法による変異チャネルの機能解析から、寒冷曝露により症状が発現する機序を明らかにしました。

また、てんかんの一部では中枢神経系に発現するイオンチャネルの遺伝子変異が報告されており、私たちは遺伝子変異によるチャネルの機能変化が、てんかん発作の発現にどのように関わっているかを明らかにするために電気生理学的な機能解析を進めております。

経頭蓋磁気刺激に関連した研究

小脳刺激をされている宇川教授
小脳刺激をされている宇川教授

経頭蓋磁気刺激が、日常臨床の中でどのように利用されているかについての説明は、検査項目のところに譲ることにして、ここでは、当科で行っている経頭蓋磁気刺激に関する研究内容をご紹介します。経頭蓋磁気刺激に関する研究は、宇川教授が、前任の東京大学神経内科に所属していた頃から、積極的に推し進めてきたテーマです。その蓄積されたノウハウを基に、次のような研究を行っています。

【経頭蓋磁気刺激を用いた大脳の可塑性に関する研究】

ヒトの脳内には、さまざまな神経回路が縦横無尽に存在しており、ヒトが活動する時には、この神経回路が活動しています。多くの行動において、学習が重要な機能を持っています。たとえば、スポーツや楽器の演奏などを思い浮かべてみるとよくわかりますが、何度も練習しているうちに、だんだんと上手にプレーしたり演奏できるようになります。この、「上手になる」「方法を覚える」という課程には、ヒトの脳の学習効果とその保持効果が働いています。この学習という現象は、どのような機構に基づいているのでしょうか。それはシナプスの可塑性という現象です。神経回路を形成している神経細胞(ニューロン)とニューロンの間を連絡するのがシナプスです。このシナプスの伝わる効率を変化させて、新しいことを覚えたり、新しい運動技術を身につけたりしているのです。このシナプスの機能効率を変化させることを、シナプス可塑性と言うのです。生理学的には、長期増強(LTP)または 長期抑制(LTD)という現象が起こっています。言うなれば、記憶をするのがLTPで,必要ないことを忘れるのがLTDです。繰り返し学習した結果、同じ刺激がシナプスに加わったときに、前回よりも、すばやく反応できるようになるのです。

昨今の研究で、反復磁気刺激を行うことにより、このシナプス可塑性を人の脳で誘導できることが明らかになりました。この作用を利用して、ヒトの脳の機能を生理学的に調べる研究を行っています。とくに、2007年に発表された Quadripulse transcranial magnetic stimulation (QPS) に注目しています。この方法は、反復磁気刺激の一種ですが、ヒトの脳のシナプス可塑性を変化させる効果が高く、刺激方法を変化させることで、脳の働きを高めることも、逆に、鎮めることも可能です。現在、日本国内でこの手法を用いた研究ができる施設は非常に限られています。

QPSの概要

この方法を用いて、運動における補足運動野の機能・前運動野の機能・感覚野の機能・大脳基底核の機能・小脳の機能などの解析を行っております。さらに、正常な脳の生理学的機能の研究成果をふまえ、様々な病気の治療に応用できないかと考え、その治療応用研究も行っています。運動野の機能を増強させて麻痺の回復を早めること・中枢神経の動きを押さえててんかんの治療を助けること・痛みに経路を押さえて痛みを治療すること・大脳基底核のバランスを正常にもどしてパーキンソン病を治療することなどを考えています。また、薬物の作用機序の研究にも、この刺激方法を利用しています。どのような病気に対してどのような方法が適しているのかを明らかにし、確実に有効な手法を確立したいと考え、研究を行っています。

共同研究施設 福島県立医科大学神経精神医学講座
東京大学医学部附属病院神経内科
国立精神・神経センター放射線部門
東北文化学園大学医療福祉学部
杏林大学綜総合生理学教室
University of College London
University of Toronto

 

【参考書籍】
磁気刺激法の基礎と応用(医歯薬出版株式会社)
【参考文献】
Hamada M, Ugawa Y, et al. Bidirectional long-term motor cortical plasticity and metaplasticity induced by quadripulse transcranial magnetic stimulation. J Physiol. 2008;586:3927-47

研究業績は「業績紹介」のページを参照ください

2014年現在ongoingの研究について

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