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Research of the functional network in the brain using Magnetic Resonance Imaging
Research of the functional network in the brain using Magnetic Resonance Imaging
To understand brain functions in an integrated manner, we are developing multimodal measurement methods using MRI. He also supervises graduate students as an associate professor in the Intelligent and Functional Systems Degree Programme (IMIS) at the Graduate School of Science, Technology, Information and Life Sciences, University of Tsukuba, and students who wish to do so can engage in research at AIST as technical trainees or research assistants (RA). For details, please see "Research" and "Publications".
Research projects
Research projects
1. Translational research using fMRI / Le chercheur translationelle avec l'IRM
1. Translational research using fMRI / Le chercheur translationelle avec l'IRM
The disease model animal study is mondatory to unedrstand the mechanism of brain disease comprehensively. MRI is a promissing tool to investigate not only human brain but also animal brain funciton with same sequence. This is a great advantage for translational research. The purpose of this project developes the method of translatinal MRI study, with human and animal model, to investigate the brain function, structure and metabolism.
L'étude animale modèle de la maladie est indispensable pour comprendre le mécanisme de la maladie cérébrale. L'IRM est un outil prometteur pour étudier non seulement le cerveau humain mais aussi le fonctionnement du cerveau animal avec la même séquence. C'est un grand avantage pour la recherche translationnelle. Le but de ce projet est de développer la method de la cherche translatinalle avec l'IRM de l'homme et de la modele animale pour étudier la fonction, la structure et le métabolisme dans le cerveau.
2. Development of awake functional MRI/Développement de l'IRM fonctionnelle en état d'éveil
2. Development of awake functional MRI/Développement de l'IRM fonctionnelle en état d'éveil
One of the problems of animal fMRI is the effect of anesthesia on neural activity and neurovascular coupling (Tsurugizawa&Yoshimaru, NeuroImage, 2020; Tsurugizawa et al, Neuroscience, 2010). Therefore, we are designing and developing RF coils suitable for anesthesia-free fMRI in order to perform fMRI measurements under anesthesia. The left figures show FLASH images of a mouse using a 1-channel unanesthetized mouse fMRI volume coil and T1-weighted images of a macaque monkey using an 8-channel unanesthetized macaque fMRI head coil.
L'un des problèmes de l'IRMf animale est l'effet de l'anesthésie sur l'activité neuronale et le couplage neurovasculaire (Tsurugizawa&Yoshimaru, NeuroImage, 2020 ; Tsurugizawa et al, Neuroscience, 2010). C'est pourquoi nous concevons et développons des antenne RF adaptées à l'IRMf sans anesthésie afin d'effectuer des mesures d'IRMf sous anest hésie. Les figures de gauche montrent des images FLASH d'une souris à l'aide d'une bobine de volume IRMf de souris non anesthésiée à 1 canal et des images pondérées en T1 d'un macaque à l'aide d'une bobine de tête IRMf de macaque non anesthésiée à 8 canaux.
3. Ultra-high resolution micro-MRI measurements using potato starch/Micro-IRM à ultra-haute résolution avec de la fécule de pomme de terre.
3. Ultra-high resolution micro-MRI measurements using potato starch/Micro-IRM à ultra-haute résolution avec de la fécule de pomme de terre.
While potato starch has a curious property called the dilatancy effect, we have discovered an additional property of potato starch. We have discovered an additional property of potato starch: dissolving potato starch in water suppresses the MRI signal for both T1 and T2 enhancement (Tsurugizawa et al, iScience, 2022; STAR Protocols, 2023). The greatest advantage of this technique is that it can image complex-shaped specimens without damaging them. It is expected to contribute to ex vivo micro-MRI in the future. Mechanism of suppressing the MRI signal is currently under study.
Alors que la fécule de pomme de terre possède une propriété curieuse appelée effet de dilatation, nous avons découvert une autre propriété de la fécule de pomme de terre. Nous avons découvert une autre propriété de la fécule de pomme de terre : la dissolution de la fécule de pomme de terre dans l'eau supprime le signal IRM pour le rehaussement T1 et T2 (Tsurugizawa et al, iScience, 2022). Le plus grand avantage de cette technique est qu'elle permet d'obtenir des images de spécimens de forme complexe sans les endommager. On s'attend à ce qu'elle contribue à l'avenir à la micro-IRM ex vivo. Le mécanisme de suppression du signal IRM est actuellement à l'étude.
4. Development of new brain function MRI/Développement de nouvelles méthodes de mesure de l'IRM fonctionelle
4. Development of new brain function MRI/Développement de nouvelles méthodes de mesure de l'IRM fonctionelle
Conventional functional MRI (fMRI) indirectly measures neuronal activity by measuring variations in regional cerebral blood flow and levels of oxidized and reduced hemoglobin (neurovascular coupling) associated with neuronal activity (blood). In 2006, the former director of NeuroSpin, Professor Denis LE BIHAN, and his colleagues succeeded in capturing variations in the diffusion limit distribution of water molecules in areas of neuronal activity using diffusion-weighted imaging (Le Bihan et al. PNAS, 2006). This is called diffusion-weighted fMRI. However, fMRI also includes T2 relaxation in the signal. So, when I began my research at NeuroSpin in France, there was no clear-cut debate as to whether the signal changes observed in fMRI were of vascular origin (BOLD) or due to diffusion-restricted fluctuations of water molecules. I therefore used a rat model to show that it is not regional blood flow but restricted diffusion of water molecules linked to neuronal activity that contributes to signal changes in DWI (Tsurugizawa et la, PNAS, 2013; Abe et al, PLoS Biology, 2017). However, the measurement of neuronal activity by DfMRI still involves many unknowns and the mechanisms remain to be elucidated.
L'IRM fonctionnelle classique (IRMf) mesure indirectement l'activité neuronale en mesurant les variations du débit sanguin cérébral régional et des niveaux d'hémoglobine oxydée et réduite (couplage neurovasculaire) associées à l'activité neuronale (sang). En 2006, l'ancien directeur de NeuroSpin, le professeur Denis LE BIHAN, et ses collègues ont réussi à capturer les variations de la distribution limite de diffusion des molécules d'eau dans les zones d'activité neuronale grâce à l'imagerie pondérée en diffusion (Le Bihan et al. PNAS, 2006). Il s'agit de l'IRMf pondérée en diffusion (IRMf). Cependant, l'IRMf inclut également la relaxation T2 dans le signal. Ainsi, lorsque j'ai commencé mes recherches à NeuroSpin, en France, le débat n'était pas tranché sur la question de savoir si les changements de signal observés en IRMf étaient d'origine vasculaire (BOLD) ou dus à des fluctuations de diffusion restreinte de molécules d'eau. J'ai donc utilisé un modèle de rat pour montrer que ce n'est pas le flux sanguin régional mais la diffusion restreinte des molécules d'eau liée à l'activité neuronale qui contribue aux changements de signal en DWI (Tsurugizawa et la, PNAS, 2013 ; Abe et al, PLoS Biology, 2017). Cependant, la mesure de l'activité neuronale par DfMRI comporte encore de nombreuses inconnues et les mécanismes restent à élucider.
5. Brain network analysis/Analyse du réseau cérébral
5. Brain network analysis/Analyse du réseau cérébral
Our brains exchange information between anatomically distant regions. When these regions exchanging information are measured by functional MRI, the functional MRI signals are synchronized at a certain rate, which is called the functional network of the brain. On the other hand, diffusion tensor imaging (DTI) allows imaging of neuronal myelin sheaths and dendrites. This is called the anatomical network. These can be compared to an amidaku lottery: the anatomical network represents all the paths of the lottery, while the functional network represents only certain paths, such as hit or miss, depending on the situation. Compared to brain activity observed in normal fMRI measurements, functional networks represent the exchange of information between distant regions (Tsurugizawa et al, iScience, 2023). In this project, we will computationally map functional and anatomical networks of the human brain to reveal brain functions in terms of functional and anatomical networks.
Notre cerveau échange des informations entre des régions anatomiquement éloignées. Lorsque ces régions d'échange d'informations sont mesurées à l'aide de l'IRM fonctionnelle, les signaux de l'IRM fonctionnelle sont synchronisés à un certain rythme, ce que l'on appelle le réseau fonctionnel du cerveau. D'autre part, l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI) permet d'imager les gaines de myéline des neurones et les dendrites. C'est ce qu'on appelle le réseau anatomique. On peut les comparer à une loterie amniotique : le réseau anatomique représente tous les chemins de la loterie amniotique, tandis que le réseau fonctionnel ne représente que certains chemins, tels que le hit ou le miss, en fonction de la situation. Par rapport à l'activité cérébrale observée dans les mesures IRMf normales, les réseaux fonctionnels représentent l'échange d'informations entre des régions distantes (Tsurugizawa et al, iScience, 2023). Dans ce projet, les réseaux fonctionnels et anatomiques du cerveau humain sont cartographiés informatiquement pour révéler le fonctionnement du cerveau en termes de réseaux fonctionnels et anatomiques.
6. Aging and glymphatic system/Vieillissement et système glymphatique
6. Aging and glymphatic system/Vieillissement et système glymphatique
Recent studies suggest that our brain is equipped with a mechanism to clean excess substances and may play an important role in maintaining neural activity. An important component of the Glymphatic System is the interstitial space between the cerebrospinal fluid (CSF) and the cerebral spinal fluid (CSF), which is generated via a water molecule channel (Aquaporin4). Interstitial fluid (ISF) generated from cerebrospinal fluid (CSF) circulates in brain tissue via water molecule channels (Aquaporin4). Astrocytes have been thought to play an important role in "brain function" by supporting the normal functioning of neurons, being involved in the regulation of this intracerebral water circulation system, and regulating neurovascular coupling. To understand brain function, it is not enough to focus only on neural activity, but it is necessary to focus on "multimodal brain functions" such as nerves, glial cells, and the water circulation system. Therefore, conventional functional MRI alone is not sufficient. We are developing methods to measure multimodal brain functions in addition to functional MRI. Our recent results include the development of methods to measure calcium uptake and volume fluctuations in astrocytes, and the possibility of using MRI to measure astrocyte activity that regulates the Glympatic system (Droguerre et al, 2019; Debacker et al. , 2020). In collaboration with Tohoku University, we will make MRI measurements of microstructure and astrocyte activity in aged mice to clarify the relationship between aging, neuroinflammation, and the Glympatic system.
Des recherches récentes suggèrent que notre cerveau est équipé de mécanismes permettant d'éliminer les substances en excès et qu'il pourrait jouer un rôle important dans le maintien de l'activité neuronale. Il s'agit du système glymphatique (Illif et al, Sci Trans Med, 2012), dont une composante importante est la capacité du liquide céphalorachidien (LCR), via le canal des molécules d'eau (Aquaporin4), à s'écouler dans l'organisme. Le liquide interstitiel (LI) généré par le liquide céphalorachidien (LCR) circule dans tout le tissu cérébral. On pense que les astrocytes soutiennent le fonctionnement normal des neurones et qu'ils sont impliqués dans le contrôle de ce système de circulation de l'eau cérébrale et régulent le couplage neurovasculaire. Pour comprendre le fonctionnement du cerveau, il ne suffit pas de se concentrer sur l'activité neuronale, mais il est nécessaire de s'intéresser aux "fonctions cérébrales multimodales" telles que les nerfs, les cellules gliales et le système de circulation de l'eau. Par conséquent, l'IRM fonctionnelle conventionnelle ne suffit pas. En plus de l'IRM fonctionnelle, nous développons des méthodes pour mesurer les fonctions cérébrales multimodales. Nos résultats récents incluent le développement de méthodes pour mesurer l'absorption de calcium et les fluctuations de volume dans les astrocytes, ce qui ouvre la possibilité d'utiliser l'IRM pour mesurer l'activité astrocytaire qui régule le système Glympatic (Droguerre et al,, 2019 ; Debacker et al., 2020; Pham et al., 2024).
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Tomokazu TSURUGIZAWA
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