立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

耳鳴り治療のための小型磁気刺激装置の開発とモデル動物脳への応用展開
Establishment of micro- coil based magnetic stimulation system and its aplication
to the animal modelʼs brain toward the treatment of tinnitus
2167002

研究代表者

北海道大学大学院情報科学研究科
研究員(助成受領時：北海道大学大学院 博士後期課程)

長

内共同研究者

北海道大学大学院情報科学研究科

舘野教

授

尚之
高を用いて磁気刺激誘発活動を計測し，微小コイ[研 究 の 目 的］

ル磁気刺激の空間局所性を評価した。加えて，
経頭蓋磁気刺激法は，頭蓋骨越しに脳に強③ 刺入型多点電極の計測から，誘発活動の時い磁気刺激を与える非侵襲的な脳刺激法であ空間的特性に注目し，磁気刺激による誘発活動り，耳鳴りの抑制に有効であることが近年注の発生機序の解明に迫った。

目されている。一方で，従来の磁気刺激法には[研究の内容，成果］課題も存在する。例えば，(1) 従来の磁気刺激コイルは直径が 5-10 cm と大型である。磁気刺激では一回の治療による疾患の抑制期間は1．微小コイルを用いた磁気刺激装置の開発数週間程度しかないため，患者は日常的に発生微小コイルを用いた低侵襲磁気刺激法を確する耳鳴りの治療を受けるためは頻繁に医療機立するにあたり，微小コイルを脳に刺入せずに関に通院する負担を強いられる。刺激装置が小皮質神経活動を誘発することを目標とした。そ型化し，日常的に携帯可能な磁気刺激装置が実こで，まず微小コイルを用いた磁気刺激システ現されれば，疾患抑制効果が弱まっても直ちにムを構築を行った (図 1)。そして，この磁気刺激することで，常に疾患を抑制し続けられる刺激システムを用いて神経活動を誘発応答特と期待できる。さらに，(2) 従来の磁気刺激法性を調べるために麻酔下のマウス聴覚皮質のは広い脳領域 (直径 1-2 cm) に影響を与えて脳表に磁気刺激を与え，多点電極アレイを用いしまうという課題も存在する。特に，ヒトではて磁気刺激誘発活動の電気生理学的計測を行っ聴覚皮質の一領域である 1 次聴覚野は直径がた。

5.5 mm 以下であり，従来の磁気刺激装置ではまず，微小コイルによる脳表磁気刺激によっ1 次聴覚野を選択的に刺激することは困難でて皮質活動を誘発できるかを検証するために，あった。

刺入型多点電極アレイを用いて磁気刺激応答活

そこで，本研究では小型・携帯可能な磁気刺動の電気生理学的計測を行った (図 2A)。微激装置の開発を目的に，① 微小コイルを用い小コイルは脳表から 50-100 μm 離し，脳表にた低侵襲磁気刺激法を提案し，刺激システムの対 し て 60°の 角 度 で 配 置 さ れ た (図 2B)。図

一構成法を示した。さらに，② 脳表多点電極

2C は磁気刺激後 1 秒間の計測波形を示してお― 1 ―立石科学技術振興財団

図3

図1

磁気刺激系の概略図。A, 磁気刺激に用いる微小コイル。B, プリント基板に固定後の磁気刺激コイル。C,磁気刺激系および電気生理学的計測系。

電気的アーティファクトと神経活動の分離。A, TTX投与前後の磁気刺激応答波形。B, 磁気刺激応答波形の時間周波数解析。

た。マウスに神経活動を抑制する薬剤 TTX(tetrodotoxin) を施す前は，計測電位は磁気刺激に応答して負の方向に大きく遅い変化(peak after μMS : 30-50 ms) する成分と，早い振動成分 (inter peak interval : 〜20 ms) が足し合わされた波形を示していた (図 3A)。
一方，TTX 投与により神経活動を抑制した後は，大きく遅い LFP の変化が消え，早い振動成分のみが残った (図 3A)。これらの波形に対してマッチング追跡法を用いて時間周波数解析を行ったところ，TTX 投与後の脳におけるLFP 波形には 40 Hz 以上の周波数成分が見られた (図 3B)。そこで，0.5-35 Hz のバンドパ

図2微小コイル磁気刺激による誘発活動の電気生理学的計測。A, 聴覚皮質における磁気刺激・電気生理学的計測の記録位置。B, 実験の概略図。C, 微小コイル磁気刺激の誘発活動の例。

スフィルターを使用することで，電気的アーティファクトを分離し，明瞭な磁気刺激の誘発
活 動 波 形 を 得 た (図 3A)。こ の 結 果 に よ り，
図 2C で観察された磁気刺激による応答波形はり，磁気刺激パルス後に局所電場電位の変化やアーティファクトではなく，神経活動であるこスパイク発火頻度の顕著な増加が現れた。微小とが示された。

コイルを用いた脳表の磁気刺激によって皮質の層構造全体に神経活動が誘発されることが示さ

2．微小コイルを用いた磁気刺激装置の開発
磁気刺激の空間分解能は磁気刺激コイルの大れた。
次に，磁気刺激による電気的アーティファクきさに依存するため，微小コイル磁気刺激法でトの影響を調べるために，神経活動を抑制した

は従来の磁気刺激法と比べて空間分解能の向上

後の脳における応答波形の時間周波数解析を行が期待される。そこで，皮質水平方向に対するうことでアーティファクトの周波数成分を調べ空間分解能を評価するため，多点脳表電極を用― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

3．微小コイル磁気刺激法の生体脳神経回路活動修飾への応用
磁気刺激法は神経科学研究から臨床目的にまで幅広く使用されているにもかかわらず，大脳皮質の層構造内や層構造間における局所神経回路に磁気刺激がどのように作用するのかは明らかになっていない。この理由は，磁気刺激は電気的アーティファクトを生じるため，磁気刺激を与えた領域での電気生理学的計測はこれまで避けられる場合が多かったことが一因にある。
一方，図 3 に示した通り，本研究の手法では神経活動とアーティファクト成分とを分離することが可能である。そこで，磁気刺激の局所神経回路レベルでの作用機序の解明を目指し，感覚刺激と磁気刺激によって誘発される活動の時空間特性の類似性もしくは差異を評価することを目的とした。
図4

微小コイル磁気刺激誘発活動の多点脳表電極計測。
A, 脳表電極と磁気刺激インターフェースの位置関係、および磁気刺激による応答波形の例。B, 磁気刺激応答の大きさ (ピーク時振幅) と微小コイルからの距離との関係。# p<0.001

微小コイル磁気刺激が誘発する神経活動の特徴について検証するため，音刺激 (80 dB SPLのクリック音) および磁気刺激誘発応答の計測を皮質の層構造横断的に行った (図 5A)。磁

いて磁気刺激誘発活動の皮質水平方向の伝搬に気刺激および音刺激の誘発活動の波形は刺激後ついて測定を行った。

50 ms 間は類似しており (図 5Ba)，磁気刺激・微小コイル磁気刺激は図 2A, B と同様に脳音刺激誘発活動の相互相関値は皮質 2/3 層を除表の上に配置し，コイルに電圧を印加した。そいて 0.6 以上の値を示した (図 5Bb)。この結し て，誘 発 活 動 の 分 布 を 調 べ る た め に，32

果は，磁気刺激と音刺激による誘発活動の時間

チャネルの多点脳表電極を聴覚皮質上に配置変化は特に皮質の深層で類似すること示していし，磁気刺激による誘発活動を計測した。そのる。

結果，コイルから離れるに従い誘発活動のピーさらに，誘発活動の大きさの空間分布を調べク時振幅は単調に減少する傾向が観察され (図たところ，音刺激と磁気刺激における誘発活動4A)，コイルから 1.2-1.5 mm 離れた場所ではのピーク時振幅の分布様式は類似しており，とピーク時振幅は半分にまで減少した (図 4B)。

もにピーク時振幅は第 2/3 層・第 6 層よりも第この結果は，微小コイル磁気刺激法の空間分4 層・第 5 層の方が大きかった (図 5C)。以上

解能はミリメートルオーダーで，従来の脳磁気の結果は，感覚刺激と磁気刺激によって発生す刺激法がもつセンチメートルオーダーの空間分る神経活動パターンは類似し，磁気刺激により解能と比較して，大幅に向上したことを示して誘発される神経活動は皮質神経回路の構造の制いる。

限を受けることを示唆している。

― 3 ―立石科学技術振興財団

証するために，神経疾患モデル動物への磁気刺激の影響の解析や，可塑的変化を誘発する磁気刺激パラメータの探索が必要である。また，マルチコイルアレイを用いた小型磁気刺激装置の開発は，より大きい強度の誘導電場を生成可能にし，磁気刺激を経頭蓋的に施すことで将来的にはヒトに応用可能な低侵襲で小型・携帯可能な神経疾患治療装置の開発に繋がる。
[成果の発表，論文等］
1．H. Osanai, S. Minusa and T. Tateno, “Micro-coilinduced inhomogeneous electric field producessound-driven-like neural responses in microcircuitsof the mouse auditory cortex in vivo”, Neuroscience,
371, 346-370 (2018)
2．H. Osanai and T. Tateno, “Differential Effect of Two
Types of Anesthesia on Sound-Driven Oscillationsin the Rat Primary Auditory Cortex”, NeuralInformation Processing, Lecture Notes in Computer
Science, Springer, Vol. 9948, pp. 363-371 (2016)
Peer Reviewed Presentations :3．H. Osanai and T. Tateno, “Differential Effect of Two
Types of Anesthesia on Sound-Driven Oscillationsin the Rat Primary Auditory Cortex”, 23rd International Conference on Neural Information Processing (ICONIP2016), Kyoto, Japan (Oct. 2016)
4．H. Osanai, S. Takahashi, R. Iwaki and T. Tateno, “A
Frequency-Selective CMOS IC-Based Pulse Gene図5

音刺激・磁気刺激による誘発活動の比較。A,, 誘発活動の層構造横断的な計測。B, 誘発活動の時間的特性。Ba, 各層における音刺激および磁気刺激の誘発活動の例。Bb, 皮質各層の音刺激・磁気刺激の誘発活動の最大相互相関。C, 音刺激および磁気刺激の誘発活動の空間分布の類似性。グレー：各個体における最大相互相関、黒：各個体の平均値。

rator for Recording and Imaging in the Auditory
Cortex In Vivo”, MEA meeting 2016, Reutlingen,Germany (Jun. 2016)
学会発表：
5．H. Osanai and T. Tateno, “Neural response differences in the rat primary auditory cortex underanesthesia with ketamine versus the mixture ofmedetomidine, midazolam and butorphanol”, Annual meeting of Society for Neuroscience (SfN

[今後の研究の方向，課題］

2016), San Diego, California, USA (2016 年 11 月)
6．H. Osanai and T. Tateno, “Microcoil-driven re-本研究で開発した微小コイル磁気刺激法は，

sponses induced by magnetic stimulation spatially

小型・携帯可能な磁気刺激装置の実現に重要でrestricted to the local surface of the mouse auditory

あり，慢性的な神経疾患に対する新規治療法の開発に繋がると期待される。今後，微小コイル
磁気刺激法が神経疾患治療に応用できるかを検― 4 ―cortex in vivo”, Annual meeting of Society for
Neuroscience (SfN2017), Washington, DC, USA(2017 年 11 月)