平成13年度日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業研究成果報告書概要



研究推進分野名 高次脳機能
 
研究プロジェクト名 PETおよび機能的MRIを用いたヒト高次脳機能の可塑性の解明
 
(英文名) Studies on Plasticity of Higher Function in Human Brain Using PET and Functional MRI
 
研究期間 平成9年度 〜 平成13年度

プロジェクト・リーダー名 研究経費 295,418 千円
氏名・所属研究機関
所属部局・職名
米倉義晴 ・福井医科大学 ・高エネルギー医学研究センター ・教授 内訳 平成  9年度63,169千円
平成 10年度63,364千円
平成 11年度62,885千円
平成 12年度53,000千円
平成 13年度53,000千円

1.研究組織

氏名 所属機関・部局・職 研究プロジェクトでの役割分担
定藤 規弘 岡崎国立共同研究機構・生理学研究所・教授 PET及び機能的MRIによる可塑性の研究
藤林 康久 福井医科大学・高エネルギー医学研究センター・教授 脳機能可塑性に関与する分子動態の解析
飯高 哲也 名古屋大学・大学院環境学研究科・助教授 機能的MRIによる認知脳科学研究(平成10年8月16日から)
脇  厚生 福井医科大学・高エネルギー医学研究センター・助手 脳エネルギー代謝の基礎研究(平成12年10月31日まで)
村田 哲人 福井医科大学・医学部・講師 新鮮脳切片による基礎研究
山田 弘樹 福井医科大学・医学部・助手 機能的MRIによる発達過程の研究
山下 芳範 福井医科大学・医学部・助手 画像情報ネットワークの整備
湊 小太郎 奈良先端科学大学院大学・情報科学研究科・教授 MRI画像データ解析の研究指導
蓑島  聡 ワシントン大学(シアトル)・医学部・教授 PET画像データ解析の研究指導

2.研究計画の概要

ヒトの環境に対する適応や学習はその多くを脳によっているが、これに対応する可塑的変化が脳内に存在し、これが高次脳機能の基盤をなしていると考えられる。本研究では、ポジトロン断層画像(PET)や機能的磁気共鳴画像(MRI)などの非侵襲的脳機能画像を用いて、感覚脱失や短期および長期の学習に伴う脳の可塑的変化、高次脳機能の加齢変化と脳における代償機構の関連を明らかにする。また、このような高次脳機能の可塑的変化の基盤をなすと考えられるさまざまな機能分子の脳内動態に関する基礎的研究を行い、脳機能の可塑性に関わる分子動態と機能構築の関係を統合的に解明することをめざす。

3.研究目的
(1) 非侵襲的脳機能画像を用いて高次脳機能の可塑性にせまるための方法論的整備
(2) 感覚脱失にともなう脳可塑性の画像化
(3) 運動学習における脳可塑性の画像化
(4) 高次脳機能の加齢変化と代償機構の解明
(5) 新鮮脳切片を用いた脳内分子動態の基礎的研究

4.研究成果の概要
4−1 研究計画、目的に対する成果
(1)PET、機能的MRI、近赤外線トポグラフィーについてその使い分けのための評価とともに、それぞれの手法による画像収集から画像解析及び統計解析までの一貫したシステムを構築し、高次脳機能への非侵襲的脳機能画像による系統的なアプローチが可能になった。
(2)盲人及び晴眼者に対して機能的MRIによる検討を行い、視覚脱失にともなって触覚弁別機能が本来視覚弁別に用いられる一次視覚野から後頭葉腹側部で担われていること、一次視覚野の可塑的変化には年齢依存性があることをあきらかにした。また聾者における聴覚野の活動を検討し、骨導超音波により聾者の一次聴覚野が賦活されること、また手話理解に聾者の聴覚連合野が関与することを明らかにした。
(3)複雑な手指運動学習の初期に観察される小脳半球外側部の活動が学習の進行によって低下すること、学習効果が左右で異なることを明らかにした。
(4)高齢者では絵の記銘時に頭頂―側頭葉を活用できないこと、顔の表情認知に関する扁桃体や海馬の活動が低下することなど、加齢にともなう高次脳機能の変化を明らかにした。
(5)脳機能の可塑的変化に関与する分子動態を明らかにするためにラットの新鮮脳切片を用いる画像化システムを構築した。可塑性に直接関わる機能分子についての検討は困難であったが,虚血や低酸素に対する代謝動態の変化を明らかにできた。

4−2 研究計画、目的外の成果
(1)新生児期における脳の発達過程について検討する過程で、生後8週を境にして視覚野における代謝の急激な変化が生じていることが明らかになった。
(2)機能的MRIによる脳賦活検査では多くの賦活部位画同定されるが、各皮質領域の機能連関を解析する方法として、時系列情報の利用、統計学的手法(Structural Equation Model)の導入、拡散テンソル画像による脳内白質繊維束の解析法の開発を行った。機能的MRIのデータにこれらの情報を組み合わせることによって皮質機能連関の解析が可能になり、今後さまざまな課題による脳賦活検査データへの応用が期待される。
(3)新鮮脳切片を用いた検討の過程で、さまざまな条件下における脳代謝動態の観察が可能になった。遺伝子発現や機能分子の変化を組み合わせた実験手法として脳虚血病態の解析などへの展開が期待される。

4−3 研究成果の展望
感覚脱失にともなう劇的な脳可塑性を画像化することにより、逆に正常入力がある場合の感覚統合を研究する道が開けた。また、発達過程における脳可塑性画像化の可能性を示したことにより、人間の発達生理学という新分野を拓く大きな手段となりうると考える。一例として、コミュニケーションの発達過程が挙げられる。発達過程において、さまざまな感覚からの情報を統合していくことは特に言語を含むコミュニケーション技術の習得においてきわめて重要であるが、発達期における異種感覚統合の脳内形成過程については知見が乏しい。本研究で確立したPET、機能的MRI、近赤外線トポグラフィーなどの非侵襲的脳機能画像法を用いることにより、発達期における視覚あるいは聴覚脱失が、言語を含む個体間コミュニケーション機能を担う神経回路をどのように改変するかを、非侵襲的脳機能画像法を用いて、早期視聴覚障害を蒙った成人被験者を対象に観察し、これにより発達期の可塑的変化を間接的に解析する一方で、乳幼児の発達過程における視覚・聴覚・触覚統合に伴う可塑的変化を直接に画像化し、この両面から感覚統合の形成過程を解明しようとするアプローチが考えられる。この例からわかるように、今後脳科学の観点から教育を考える上で、今回の成果は大きなインパクトを与えるものと考えられる。
一方、新鮮脳切片を用いた画像システムの構築により、脳虚血などの病態と治療法の開発に向けた新たな手法が確立できた。遺伝子発現や機能分子の変化を合わせて追跡できるので、神経保護作用を有する薬剤の効果などへの応用も可能で、基礎研究と臨床研究を結ぶ重要な手法となると期待される。

4−4 本事業の趣旨に鑑み、果たした役割
本研究の成果は、脳の発達と教育における科学的アプローチの導入と、損傷脳に対する機能回復に向けた研究開発の重要性を提起したと考える。

(1)脳の発達と教育
人間の発達生理学あるいは脳と教育の関係を研究する上において、今回の研究は先駆的な知見を提出し、未来開拓に繋がる成果をあげた。今回の結果は、発達と教育に対して科学的なアプローチを導入する必要性を示唆する重要な成果である。

(2)損傷脳の機能回復
脳卒中などにより損傷を受けた脳の機能や、加齢により低下した認知機能の回復は、高齢化社会を向かえてますます重要になる課題である。いわゆるリハビリテーション医学が経験に基づいたものであったが、本研究によって積極的に機能回復を目指す科学的な手法の開発の重要性が示されたと考える。

5.キーワード

(1)高次脳機能、(2)脳賦活検査、(3)可塑性
(4)ポジトロン断層画像(PET)、(5)磁気共鳴画像(MRI)

6.研究成果発表状況

A.学術雑誌論文(Journal Papers)
全著者名 論文名
Norihiro Sadato, Tomohisa Okada, Manabu Honda, and Yoshiharu Yonekura Critical period for the cross-modal plasticity in the blind: a functional MRI study
学術雑誌名 ページ 発行年
Neuroimage 13 ??? ??? 2002

全著者名 論文名
Tetsuya Iidaka, Shigeo Terashima, Koichi Yamashita, Tomohisa Okada, Norihiro Sadato, and Yoshiharu Yonekura Dissociable neural responses in the hippocampus to the retrieval of facial identity and emotion: an event-related fMRI study
学術雑誌名 ページ 発行年
Hippocampus 12 ??? ??? 2002

全著者名 論文名
Eiichi Naito, Takanori Kochiyama, Ryo Kitada, Satoshi Nakamura, Michikazu Matsumura, Yoshiharu Yonekura, and Norihiro Sadato Internally simulated movement sensations during motor imagery activate cortical motor areas and the cerebellum
学術雑誌名 ページ 発行年
J. Neurosci. ??? ??? ??? 2002

全著者名 論文名
Tetsuya Iidaka, Tomohisa Okada, Tetsuhito Murata, Masao Omori, Hirotaka Kosaka, Norihiro Sadato, and Yoshiharu Yonekura Age-related differences in the medial temporal lobe responses to emotional faces as revealed by fMRI
学術雑誌名 ページ 発行年
Hippocampus 12 3 352-362 2002

全著者名 論文名
Nobuyuki Maruoka, Tetsuhito Murata, Naoto Omata, Yasuhisa Fujibayashi, Atsuo Waki, Mitsuyoshi Yoshimoto, Ryoichi Yano, Yoshiharu Yonekura, and Yuji Wada Greater resistance and lower contribution of free radicals to hypoxic neurotoxicicity in immature rat brain compared to adult brain as revealed by dynamic changes in glucose metabolism
学術雑誌名 ページ 発行年
Dev. Neurosci. 23 2 412-419 2002

全著者名 論文名
Nobuyuki Maruoka, Tetsuhito Murata, Naoto Omata, Yasuhisa Fujibayashi, Yoshiharu Yonekura, and Yuji Wada Hypoxic tolerance in rat brain slices following 3-nitropropionic acid pretreatment as revealed by dynamic changes in glucose metabolism
学術雑誌名 ページ 発行年
Neurosci. Lett. 319 2 83-86 2002

全著者名 論文名
Tetsuya Iidaka, Masao Omori, Tetsuhito Murata, Hirotaka Kosaka, Yoshiharu Yonekura, Tomohisa Okada, and Norihiro Sadato : Neural interaction of the amygdala with the prefrontal and temporal cortices in the processing of facial expressions as revealed by fMRI
学術雑誌名 ページ 発行年
J. Cogn. Neurosci. 13 8 1035-1047 2001

全著者名 論文名
Naoto Omata, Tetsuhito Murata, Yasuhisa Fujibayashi, Atsuo Waki, Norihiro Sadato, Yoshiharu Yonekura, and Yuji Wada Age-related changes in energy production in fresh senescence-accelerated mouse brain slices as revealed by positron autoradiography
学術雑誌名 ページ 発行年
Dement. Geriatr. Cogn. Disord. 12 2 78-84 2001

全著者名 論文名
Atsuo Waki, Ryoichi Yano, Mitsuyoshi Yoshimoto, Norihiro Sadato, Yoshiharu Yonekura, and Yasuhisa Fujibayashi Dynamic changes in glucose metabolism accompanying the expression of the neural phenotype after differentiation in PC12 cells
学術雑誌名 ページ 発行年
Brain Res. 894 1 81-94 2001

全著者名 論文名
Satoshi Imaizumi, Hiroshi Hosoi, Takefumi Sakaguchi, Yoshiaki Watanabe, Norihiro Sadato, Satoshi Nakamura, Atsuo Waki, and Yoshiharu Yonekura Ultrasound activates the auditory cortex of profoundly deaf subjects
学術雑誌名 ページ 発行年
Neuroreport 12 3 583-586 2001

全著者名 論文名
Jin Narumoto, Tomohisa Okada, Norihiro Sadato, Kenji Fukui, and Yoshiharu Yonekura Attention to emotion modulates fMRI activity in human right superior temporal sulcus
学術雑誌名 ページ 発行年
Cogn. Brain Res. 12 2 225-231 2001

全著者名 論文名
Tetsuya Iidaka, Norihiro Sadato, Hiroki Yamada, Tetsuhito Murata, Masao Omori, and Yoshiharu Yonekura An fMRI study of the functional neuroanatomy of picture encoding in younger and older adults
学術雑誌名 ページ 発行年
Cogn. Brain Res. 11 1 1-11 2001

全著者名 論文名
Toshiki Shiozaki, Norihiro Sadato, Michio Senda, Kazunari Ishii, Tatsuro Tsuchida, Yoshiharu Yonekura, Hiroshi Fukuda, and Junji Konishi Noninvasive estimation of FDG input function for quantification of cerebral metabolic rate of glucose: optimization and multicenter evaluation
学術雑誌名 ページ 発行年
J. Nucl. Med. 41 10 1612-1618 2000

全著者名 論文名
Tomoyo Morita, Takanori Kochiyama, Hiroki Yamada, Yukuo Konishi, Yoshiharu Yonekura, Michikazu Matsumura, and Norihiro Sadato Difference in the metabolic response to photic stimulation of the lateral geniculate nucleus and the primary visual cortex of infants: a fMRI study
学術雑誌名 ページ 発行年
Neurosci. Res. 38 1 63-70 2000

全著者名 論文名
Tetsuhito Murata, Naoto Omata, Yasuhisa Fujibayashi, Atsuo Waki, Norihiro Sadato, Mitsuyoshi Yoshimoto, Yuji Wada, and Yoshiharu Yonekura Posthypoxic reoxygenation-induced neurotoxicity prevented by free radical scavenger and NMDA/non-NMDA antagonist in tandem as revealed by dynamic changes in glucose metabolism with positron autoradiography
学術雑誌名 ページ 発行年
Exp. Neurol. 164 2 268-279 2000

全著者名 論文名
Chika Tsuchida, Hirohiko Kimura, Norihiro Sadato, Tatsuro Tsuchida, Yasuhiko Tokuriki, and Yoshiharu Yonekura Evaluation of brain metabolism in steno-occlusive carotid artery disease by proton MR spectroscopy: a correlative study with oxygen metabolism by PET
学術雑誌名 ページ 発行年
J. Nucl. Med. 41 8 1357-1362 2000

全著者名 論文名
Jin Narumoto, Hiroki Yamada, Tetsuya Iidaka, Norihiro Sadato, Kenji Fukui, Harumi Itoh, and Yoshiharu Yonekura Brain regions involved in verbal or nonverbal aspects of facial emotion recognition
学術雑誌名 ページ 発行年
Neuroreport 11 11 2571-2576 2000

全著者名 論文名
Hiroki Yamada, Norihiro Sadato, Yukuo Konishi, Satoshi Muramoto, Hirohiko Kimura, Masato Tanaka, Yoshiharu Yonekura, Yasushi Ishii, and Harumi Itoh A milestone for normal development of the infantile brain detected by functional MRI
学術雑誌名 ページ 発行年
Neurology 55 2 218-223 2000

全著者名 論文名
Norihiro Sadato, Vicente Ibanez, Marie-Pierre Deiber, and Mark Hallett Gender difference in premotor activity during active tactile discrimination
学術雑誌名 ページ 発行年
Neuroimage 11 5 532-540 2000

全著者名 論文名
Tetsuhito Murata, Naoto Omata, Yasuhisa Fujibayashi, Atsuo Waki, Norihiro Sadato, Mitsuyoshi Yoshimoto, Yuji Wada, and Yoshiharu Yonekura Neurotoxicity after hypoxia/during ischemia due to glutamate with/without free radicals as revealed by dynamic changes in glucose metabolism
学術雑誌名 ページ 発行年
Brain Res. 865 2 259-263 2000

全著者名 論文名
Hidemasa Uematsu, Masayuki Maeda, Norihiro Sadato, Tsuyoshi Matsuda, Yoshiyuki Ishimori, Yoshio Koshimoto, Hiroki Yamada, Hirohiko Kimura, Yasutaka Kawamura, Tetsuya Matsuda, Nobushige Hayashi, Yoshiharu Yonekura, and Yasushi Ishii Vascular permeability: quantitative measurement with double-echo dynamic ME imaging -theory and clinical application
学術雑誌名 ページ 発行年
Radiology 214 3 912-917 2000

全著者名 論文名
Naoto Omata, Tetsuhito Murata. Yasuhisa Fujibayashi, Atsuo Waki, Norihiro Sadato, Mitsuyoshi Yoshimoto, Yuji Wada, and Yoshiharu Yonekura Hypoxic but not ischemic neurotoxicity of free radicals revealed by dynamic changes in glucose metabolism of fresh rat brain slices on positron autoradiography
学術雑誌名 ページ 発行年
J. Cereb. Blood Flow Metab. 20 2 350-358 2000

全著者名 論文名
Tetsuya Iidaka, Norihiro Sadato, Hiroki Yamada, and Yoshiharu Yonekura Functional asymmetry of human prefrontal cortex in verbal and non-verbal episodic memory as revealed by fMRI
学術雑誌名 ページ 発行年
Cogn. Brain Res. 9 1 73-83 2000

全著者名 論文名
Tetsuhito Murata, Naoto Omata, Yasuhisa Fujibayashi, Atsuo Waki, Norihiro Sadato, Shigeru Yoshida, Ryoichi Yano, Mitsuyoshi Yoshimoto, Kiminori Isaki, and Yoshiharu Yonekura Dynamic changes in glucose metabolism of living rat brain slices induced by hypoxia and neurotoxic chemical-loading revealed by positron autoradiography
学術雑誌名 ページ 発行年
J. Neural Transm. 106 11-12 1075-1087 1999

全著者名 論文名
Satoshi Nakamura, Norihiro Sadato, Tsutomu Oohashi, Emi Nishina, Yoshitaka Fuwamoto, and Yoshiharu Yonekura Analysis of music-brain interaction with simultaneous measurement of regional cerebral blood flow and electroencephalogram beta rhythm in human subjects
学術雑誌名 ページ 発行年
Neurosci. Lett. 275 3 222-226 1999

全著者名 論文名
Tatsuya Mima, Norihiro Sadato, Shogo Yazawa, Takashi Hanakawa, Hidenao Fukuyama, Yoshiharu Yonekura, and Hiroshi Shibasaki Brain structures related to active and passive finger movements in man
学術雑誌名 ページ 発行年
Brain 122 10 1989-1997 1999

全著者名 論文名
Tatsuro Tsuchida, Norihiro Sadato, Yoshiharu Yonekura, Satoshi Nakamura, Norio Takahashi, Katsuya Sugimoto, Atsuo Waki, Kazutaka Yamamoto, Nobushige Hayashi, and Yasushi Ishii Noninvasive measurement of cerebral metabolic rate of glucose using standardized input function
学術雑誌名 ページ 発行年
J. Nucl. Med. 40 9 1441-1445 1999

全著者名 論文名
Masao Omori. Hiroki Yamada, Tetsuhito Murata, Norihiro Sadato, Masato Tanaka, Yasushi Ishii, and Yoshiharu Yonekura Neuronal substrates participating in attentional set-shifting of rules for visually guided motor selection: a functional magnetic resonance imaging investigation
学術雑誌名 ページ 発行年
Neurosci. Res. 33 4 317-323 1999

全著者名 論文名
Leonardo G. Cohen, Robert A. Weeks, Norihiro Sadato, Pablo Celnik, Kenji Ishii, and Mark Hallett Period of susceptibility for cross-modal plasticity in the blind
学術雑誌名 ページ 発行年
Ann. Neurol. 45 4 451-460 1999

全著者名 論文名
Tetsuhito Murata, Naoto Omata, Yasuhisa Fujibayashi, Atsuo Waki, Norihiro Sadato, Mitsuyoshi Yoshimoto, Masao Omori, Kiminori Isaki, and Yoshiharu Yonekura Dynamic changes in glucose metabolism induced by thiamine deficiency and its replenishment as revealed by a positron autoradiography technique using rat living brain slices
学術雑誌名 ページ 発行年
J. Neurol. Sci. 164 1 29-36 1999

全著者名 論文名
Norihiro Sadato, Yoshiharu Yonekura, Hiroki Yamada, Atsuo Waki, and Yasushi Ishii : Activation patterns of covert word generation detected by fMRI: comparison with 3D PET
学術雑誌名 ページ 発行年
J. Comput. Tomogr. 22 6 945-952 1998

全著者名 論文名
Ryuta Kawashima, Michikazu Matsumura, Norihiro Sadato, Eiichi Naito, Satoshi Nakamura, Kenichi Matsunari, Hiroshi Fukuda, and Yoshiharu Yonekura Regional cerebral blood flow changes in human brain related to ipsilateral and contralateral complex hand movements -a PET study
学術雑誌名 ページ 発行年
Eur. J. Neurosci. 10 7 2254-2260 1998

全著者名 論文名
Tetsuhito Murata, Atsuo Waki, Naoto Omata, Yasuhisa Fujibayashi, Norihiro Sadato, Ryoichi Yano, Mitsuyoshi Yoshimoto, Kiminori Isaki, and Yoshiharu Yonekura Dynamic changes in glucose metabolism by lactate loading as revealed by a positron autoradiographic technique using rat brain slices
学術雑誌名 ページ 発行年
Neurosci. Lett. 249 2-3 155-158 1998

全著者名 論文名
Shigeru Yoshida, Tetsuhito Murata, Naoto Omata, Atsuo Waki, Yasuhisa Fujibayashi, Kiminori Isaki, Hiroshi Oka, and Yoshiharu Yonekura The effect of neuronal perturbation on the uptake of [18F]2-fluoro-2-deoxy- D-glucose in brain slices of the rat
学術雑誌名 ページ 発行年
Neurosci. Res. 30 3 271-278 1998

B.国際会議発表論文(International Conferences)
全著者名 論文名
Norihiro Sadato, Hiroki Yamada, Tomohisa Okada, Harumi Itoh, Kenji Matsuki, and Yoshiharu Yonekura Brain functional MR imaging during processing of language-related gestures in deaf and hearing subjects
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
International Society for Magnetic Resonance in Medicine 9th Scientific Meeting and Exhibition Glasgow 1320 1320 2001

全著者名 論文名
Hiroki Yamada, Norihiro Sadato, Yukio Konishi, Hirohiko Kimura, Masato Tanaka, Yoshiharu Yonekura, and Yasushi Ishii Brain functional MRI during normal development in infants
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
International Society for Magnetic Resonance in Medicine 6th Scientific Meeting and Exhibition Sydney ??? 3:1533 1998

全著者名 論文名
Chika Tsuchida, Hirohiko Kimura, Norihiro Sadato, Hiroki Yamada, Masayuki Maeda, Yoshio Koshimoto, Yasutaka Kawamura, Yoshiharu Yonekura, and Yasushi Ishii Proton MR spectroscopy evaluation of brain metabolism in patients with stenoocclusive carotid artery disease: correlation with cerebral blood flow and oxygen metabolism by PET
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
International Society for Magnetic Resonance in Medicine 6th Scientific Meeting and Exhibition Sydney ??? 3:1733 1998

C.著書(Books)
全著者名 書名
米倉義晴, 定藤規弘 脳のイメージング(編者: 山嶋哲盛)
出版者名 出版場所 ISBN番号 ページ 発行年
サイメド・パブリケーションズ 東京 ISBN4-915937 20-27 1999

全著者名 書名
Yoshiharu Yonekura, Norihiro Sadato Recent Advances in Brain Imaging(Editor: Tetsumori Yamashima)
出版者名 出版場所 ISBN番号 ページ 発行年
SciMed Publications Tokyo ISBN4-915937 20-27 1999


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