立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第32号) 2023

［ 研究助成 (A) ]経頭蓋集束超音波刺激によるてんかん発作のオンデマンド制御
Closed-loop control of epilepsy with transcranial ultrasound irradiation
2221019

研究代表者

北海道大学
大学院薬学研究院

共同研究者

北海道大学
大学院情報科学研究院准教授

竹内雄

一

学術研究員

工藤信

樹

的な経頭蓋熱凝固やドラッグデリバリーシステ[研 究 の 目 的]ム，または体外衝撃波結石破砕などで臨床応用
てんかん患者は性別人種に関わらず人口の約されている安全なモダリティーである。そこで

1 % を占め，就学就労妊娠制限等社会にコス本研究では，時間特異的刺激法と経頭蓋超音波トを生じるため，その適切な制御は社会的課題

ニューロモデュレーション法との組み合わせにである 。てんかん患者の約 7 割は薬剤でそのよる，てんかん発作の非侵襲的な閉ループ制御

発作を制御可能であるが，約 3 割の患者は薬剤法の開発を目的とした。具体的には，1．覚醒抵抗性である [2]。薬剤抵抗性患者に対して，発頭部固定てんかんモデルラット標本におけるて作の焦点が明らかで切除可能な場合は焦点の外んかん発作の閉ループ制御法の開発，および 2．

科的切除が有効である。しかしながら外科的切小型オンヘッド集束超音波照射装置の開発，を除は高度に侵襲的で且つ不可逆的であるため，実施した。本研究は，北海道大学における動物薬物治療と外科的切除の間に新しい治療選択肢実験審査委員会の承認 (21-0109，21-111) をが求められている。そのため研究代表者らは，得て実施した。

[1]

時間特異的脳活動介入法および脳深部刺激法を[研究の内容，成果]組み合わせたてんかん発作の制御法を開発してきた [3-5]。当該法は時間特異的な介入法によって生理的な脳活動阻害による副作用を軽減しつ

1．覚醒頭部固定てんかんモデルラット標本におけるてんかん発作の閉ループ制御

つ，脳実質の切除を行わないため，不可逆性の課題を解決した。しかしながら脳実質への刺激【序論】

電極を刺入するため侵襲性の課題は残った。非新規てんかん制御法創出のため，てんかんモ侵襲的脳刺激法によるてんかん制御法の開発がデルラットにおいて，閉ループ経頭蓋超音波照求められている。

射法を開発した。

そのため最近研究代表者らは，超音波による【材料，方法】

経頭蓋ニューロモデュレーション法の研究開発①に取り組んでいる 。超音波は従来の経頭蓋脳12ヶ月齢) を用いた。この系統は加齢に伴い，刺激モダリティーである電気刺激や磁気刺激に自発的な欠神発作を生じるようになる。

比べて刺激の空間解像度に優れ，脳深部刺激も②可能である [7]。さらに超音波は既に脳部位特異ルラン麻酔下において，動物の頭蓋骨上に頭部[6]― 1 ―モデル動物：雄性 Long-Evans ラット (3-覚醒下頭部固定システム：1- 2 % イソフ

立石科学技術振興財団

固定用 U 字型フレームを慢性留置し，左半球【結果】の大脳皮質 (S1, M1) および海馬 (HPC) にタ

図 2 に覚醒 Long-Evans ラットから記録されン グ ス テ ン 線 記 録 電 極 (CFW) を 留 置 し たる頭蓋内局所電場電位 (Local Field Potential:(図 1) [3, 8]。更に頸部の筋肉に筋電記録用ステLFP) お よ び 筋 電 (electromyogram: EMG)

ンレススチール撚線電極 (793200, A-M Sys-の典型例を示す。LFP および EMG 記録によtems) を留置した。手術の回復後，動物を覚り，容易に各脳状態 (覚醒，睡眠，欠神発作)

醒下に頭部および体部を固定される実験環境にをオンライン検出できた。

順化した (図 1)。

図2
図1

覚醒下頭部固定脳活動記録システム，(A) システムの外観。矢印は超音波トランスデューサーを示す。
(B) 動物の頭部。左半球から脳活動を記録し，右半球に経頭蓋超音波照射を行った。

計測の典型例，(A) 覚醒時の頭蓋内局所電場電位および筋電図記録，(B) 典型的な欠神発作オンライン検出した欠神発作エピソードに上記パラメータの超音波を即時経頭蓋照射したところ，欠神発作エピソードの即時終息を達成で神経および筋活動計測：上記のタングステ

きた (図 3A)。5-15 Hz 帯の欠神発作エピソー

ン線電極およびステンレススチール電極より脳ドが超音波照射後に終息していることが確認で内局所電場電位および筋電記録を行った。各電きる (図 3B)。

③

位は増幅器 (C3335, Intan) で 192 倍に増幅し，データ収録装置 (C3004, Intan) を介して PCに記録および実時間シグナル分析装置に送達した。
④

実時間シグナル分析：実時間シグナル分析装置 (RX8, TDT) を用いて信号を欠神発作の周波数帯 (5-15 Hz) でフィルターし，各動物

図3およびチャネルごとに適切な閾値を設定した。

経頭蓋超音波照射によるてんかん発作の即時終息，(A) 局所電場電位および筋電図記録。赤部分は 1 秒間の超音波照射を示す。(B) 超音波照射前後の各脳部位における局所電場電位の時間周波数スペクトル。

閾値を超えるシグナルの検出ごとに，下記の超音波照射装置をトリガーした。
⑤【考察】超音波刺激：超音波振動子および駆動装置

本研究により，オンデマンド経頭蓋超音波照は NepaGene 社 の ST-T1-3 お よ び KTAC-

射による欠神発作の制御をプレリミナリーに達4000CE を用いた。振動子を動物の大脳皮質一成できた。発作の即時終息メカニズムの詳細は

次体性感覚野 (S1) 直上の頭蓋骨上に留置し，未だ不明であるが，超音波が欠神発作リズムを臨床用超音波ゲルでカップリングした。各トリ生じる脳内神経回路である大脳皮質一次体性感ガーによって照射される超音波のパラメータは覚野−視床ループを発作エピソードの初期にお以下の通りである：0.894 MHz，Duty ratio: 50

いて断ち切った可能性がある。

%，Pulse repetition frequency: 100 Hz，Duration: 1 s，Intensity：2-4 W/cm 2。

― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

2．小型オンヘッド集束超音波照射装置の開発

流電圧の振幅比により求めた。振動子の音響出【序論】

力は音響放射力法により計測した。吸収体には自由行動下動物における経頭蓋集束超音波

音響吸収タイル (EUA201A, Eastek) を用い，ニューロモデュレーションおよびウェアラブル

放 射 力 を 分 解 能 1 mg の 電 子 天 秤 (FX-300i,医療機器の実装を目指し，小型集束超音波照射

A&D Company) で計測した [9]。超音波振動子装置の開発を行った。の音場分布は k-Wave ソフトウェアを用いて
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン す る と と も に [10]，Pulser/Receiver (1050 PRJ/ Accu-Tron) およびマイクロマニピュレータ (David Kopf) を用いて3 次元的に計測した。音圧の測定は，ニードル 型 ハ イ ド ロ フ ォ ン (NH0500 型，PrecisionAcoustics, U. K.) を用いて実施した。

図4

【結果】

経頭蓋集束超音波照射装置の作製

製 作 の 一 例 と し て，1 MHz 振 動 子 の イ ン【材料，方法】

ピーダンスを計測した結果，実際の中心周波数①

小型超音波振動子の作製：中心周波数 1，は 0.95 MHz であり，当該周波数におけるイン5，10 MHz，直径 10 mm，焦点距離 10 mm のピーダンスは約 200 Ω であった (図 6A)。高チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) 振動子を特注

周波増幅器の出力インピーダンスが 50 Ω であ作製した (富士セラミックス) (図 5A)。当該るため，パルストランスにより電気インピーダ振動子を収納するケースを光造形 3D プリンンス整合を行った (図 6B)。その結果，超音波ター (Form 3+, Formlabs) で作製し (図 5B)，振動子の出力エネルギー (音響放射力) が著明

エポキシ系接着剤で振動子をケースに固定した。に増加した (図 6C)。

振動子前面には音響整合層をつけず，背面はエアバックとした。その後，振動子の共振周波数におけるインピーダンスを測定し，パルストラン ス を 用 い て 駆 動 用 高 周 波 増 幅 器 (T1454726AA, Thamway) の出力インピーダンスと図6整合した。振動子の駆動波形生成には一般的なファンクションジェネレーター (DG992, Rigol)を用いた。

超音波振動子駆動回路の電気インピーダンス整合，(A) 振動子のインピーダンス計測，(B) インピーダンス整合用パルストランス回路 (PT)，(C) イン
ピーダンス整合回路付加による出力 (音響放射力)の改善

次に，球面状に成形した超音波振動子から生じる音場分布をシミュレーションおよび計
測 に よ り 求 め た。k-Wave シ ミ ュ レ ー タ ー(MATLAB ツ ー ル ボ ッ ク ス) に よ り，1，5，10 MHz 振動子の音場分布を計算したところ，設計通りの 10 mm 付近に焦点を得た (図 7A)。

図5②小型超音波照射装置の開発，(A) 振動子の小型化，(B) 3D プリンターによるケースの作製

次に超音波パルサレシーバおよび 3 次元マイク

小型超音波振動子の評価的に実測した。5 MHz 振動子の音場分布の一ロマニピュレータを用いて，音場分布を 3 次元振動子のインピーダンスは，振動子と直列に例を図 7B に示す。集束超音波ビームの方位方接続した基準抵抗とのそれぞれに負荷される交向 (XY 平面) に 0.5 mm 程度および長軸方向― 3 ―立石科学技術振興財団[今後の研究の方向，課題](Z 軸) に 1.0 mm 程度の焦点を得た。焦点の大きさは周波数依存であり，超音波の周波数が本研究により，超音波ニューロモデュレー大きいほど焦点のサイズは小さかった。

ション法によるてんかん発作の閉ループ制御を達成できた。今後は，今回作出した小型集束超音波照射装置を用いて自由行動ラットにおけるてんかん発作の閉ループ制御に挑む予定である。
また今回は欠神発作をモデルに主に大脳皮質を超音波ニューロモデュレーションの標的にした
図7

集束超音波振動子からの出力の音場分布，(A) 5
MHz 振動子の音場分布のシミュレーション結果の一例，(B) パルサレシーバを用いた音場分布の計測
結果の一例

が，新たに作出した集束超音波照射装置を用いさらに超音波振動子の出力音圧レベルをハイ可能になったことで，梨状皮質等大脳辺縁系のドロフォンで実測した (図 8A, B)。その結果，ニューロモデュレーションを介したうつ病等精例えば 5 MHz 振動子の焦点付近で 0.5 MPa 以神疾患の制御にも挑むことが可能になった [11]。

上 の 音 圧 を 認 め た (図 8C，D)。即 ち 超 音 波

今回は自由行動ラットを対象にした集束超音

ニューロモデュレーションに十分な出力音圧を波照射装置 (1-10 MHz，直径 10 mm) を作製確認できた。

した。今後，より小型のげっ歯類であるマウスて，深部脳領域を標的にしたてんかん発作の閉ループ制御を行いたい。また深部脳領域が標的を対象にした装置を開発する。その際，例えば
直径 5 mm の円盤状振動子に小型のアコースティックレンズを組み合わせることを予定している。
[成果の発表，論文など]
1 ．三村聡優，チャン ミシェル，南雅文，竹内雄一，経頭蓋ソノポレーションによる大脳神経細胞を標的とした新規遺伝子導入法，日本薬学会第 143 年会，
札幌，3 月 25-28 日，2023．
2 ．三村聡優，チャン ミシェル，南雅文，小俣大樹，鈴木亮，竹内雄一，経頭蓋ソノポレーションによる非侵襲的遺伝子導入法の開発，日本薬学会北海道支部第 150 回支部例会，札幌，5 月 21 日，2023．
その他，以下の演題を第 46 回日本神経科学大会 8 月
図8

超音波振動子からの出力音圧測定，(A) 水槽内で振動子下に設置したハイドロフォン，(B) 振動子駆動波形 (青) および焦点音圧波形 (黃)，(C) 計測した音圧の分布，(D) 駆動波形電位と焦点における音圧の関係

1-4 日，2023，仙台にて発表予定である。
Yoshida K, Minami M, Takeuchi Y, A closed-looptranscranial ultrasound irradiation system for an
awake rat model of absence epilepsy.

【考察】

本研究により，げっ歯類の頭蓋上にも慢性留置可能なほど小型な集束超音波照射装置を作出できた。

[参考文献][ 1 ] Kwan P, Schachter SC, Brodie MJ: Drugresistant epilepsy. N Engl J Med 365 (10): 919-26,
2011.
[ 2 ] Chen Z, Brodie MJ, Liew D, Kwan P: Treatment― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundationoutcomes in patients with newly diagnosed epilepsyal.: Direct Effects of Transcranial Electric Stimu-treated with established and new antiepileptic

lation on Brain Circuits in Rats and Humans. Nat

drugs: a 30-year longitudinal cohort study. JAMA
Neurol 75 (3): 279-86, 2018.
[3]

Takeuchi Y and Berényi A: Oscillotherapeutics -Time-Targeted Interventions in Epilepsy andBeyond. Neurosci Res 152: 87-107, 2020
[4]

Commun 9: 483, 2018.
[ 8 ] Takeuchi Y: RatHeadFixRestraintSystem. figshare. Dataset. https: //doi.org/10.6084/m9.figshare.5466355.v1, 2018
[ 9 ] 工藤信樹：超音波測定法の原理と実際．超音波

Takeuchi Y, Harangozó M, Pedraza L, Földi T,Kozák G, Li Q, and Berényi A: Closed-Loop Stimu-

医学 43 (6): 719-721, 2016.
[10]

Treeby BE and Cox BT: K-Wave: MATLAB

lation of the Medial Septum Terminates EpilepticToolbox for the Simulation and Reconstruction ofSeizures. Brain 144 (3): 885-908, 2021.

Photoacoustic Wave Fields. J Biomed Opt 15 (2):[5]

Takeuchi Y, Nagy AJ, Barcsai L, Li Q, Ohsawa

021314, 2010.

M, Mizuseki K, and Berényi A: The Medial Septum[11] Li Q, Takeuchi Y, Wang J, Gellért L, Barcsai L,

as a Potential Target for Treating Brain Disorders

Pedraza LK, Nagy AJ et al.: Reinstating Olfactory

AssociatedBulb-Derived Limbic Gamma Oscillations Alle-with

Oscillopathies.

Front

NeuralCircuits 15: 701080, 2021.
[6]viates Depression-like Behavioral Deficits in Ro-

竹内雄一，関和彦：超音波ニューロモデュレー

dents. Neuron 111, Available online, May 9, 2023.
https: //doi.org/10.1016/j.neuron.2023.04.013

ション．Clin Neurosci 40 (2): 249-253, 2022.
[ 7 ] Vöröslakos M, Takeuchi Y, Brinyiczki K,Zombori T, Oliva A, Fernández-Ruiz A, Kozák G et

― 5 ―