研究内容

脳疾患のメカニズム研究をするには、疾患モデル動物を用いた包括的研究が必須ですが、我々ヒトと動物をつなぐ研究方法が必要となります。MRIの最大の利点は小動物からヒトまで同じ撮像法で非侵襲的に計測が可能な点です。特に近年の高磁場MRIの発展により、マウスでも200µm以下の解像度で脳機能画像を計測可能になっており、ヒトと動物モデルをつなぐ橋渡し研究として期待されています(Tsurugizawa et al, Sci Rep, 2019; Arimura et al, Front Neural Circuit, 2019; Droguerre etal, Sci Rep, 2019)。一方MRI計測の問題点は、"得られた信号だけではどういった生物学的現象をとらえているか見極めることが難しいこと"です。そこで動物モデルでしかできない神経活動制御（オプトジェネティクス、DREADD、局所電気刺激など）、電気信号計測、免疫抗体染色などの侵襲計測とMRI計測を組み合わせることで、MRI信号変化を神経科学的観点から正確に理解することが可能となります。 本プロジェクトは各々の計測法の利点を最大限に活かし組み合わせることで、脳疾患における脳の機能・構造・代謝異常をMRIを中心とした双方向研究から解明することを目的としています。これまでは、動物モデルを中心に研究を推進していましたが(Nakamura et al, NeuroImage, 2020; Tsurugizawa et al, Sci Adv, 2020など)、今後はヒト・サルのMRI研究を加速し、動物モデルとヒト臨床研究をいかに結びつけるかをテーマに研究を行っていきます。本プロジェクトでは、脳の機能・構造・代謝を高精度で検出するためのMRI画像解析、MRIパルスプログラム作成も行います。

動物fMRIの問題点の一つとして麻酔による神経活動や神経・血管カップリングへの影響が挙げられます（Tsurugizawa&Yoshimaru, NeuroImage, 2020; Tsurugizawa et al, Neuroscience, 2010）。そこで、無麻酔下におけるfMRI計測を行うため、無麻酔fMRIに適したRFコイルの設計開発を行っています。左の図は、1チャンネル無麻酔マウスfMRI用ボリュームコイルによるマウスのFLASH画像と8チャンネル無麻酔マカクfMRIヘッドコイルによるマカクサルのT1強調画像です。 

片栗粉にはダイラタンシー効果という不思議な性質がありますが、我々は片栗粉のさらなる性質を発見しました。それは、水に片栗粉を溶かすとT1, T2強調ともにMRI信号が抑制されるという性質です（Tsurugizawa et al, iScience, 2022; STAR Protocols, 2023）。この手法の最大の利点は、複雑な形状をした標本を傷つけることなく撮像できる点です。今後のex vivo micro-MRIへの貢献が期待されます。片栗粉がなぜMRI信号を抑制するのか、現在研究中です。 

我々の脳には余分な物質を清掃する機構が備わっており、神経活動の維持に重要な役割を担っている可能性が最近の研究により示唆されています。これをグリンパティックシステム（Glymphatic System）と呼びます（Illif et al, Sci Trans Med, 2012）。Glymphatic systemを構成する重要な要素として、水分子チャネル（Aquaporin4）を介した、脳脊髄液（Cerebrospinal fluid, CSF）から生成された間質腔液（Interstitial fluid, ISF）の脳組織中の循環があります。アストロサイトは神経細胞が正常に機能するようにサポートしている、と考えられていましたが、この脳内水循環システムの制御にかかわっていたり、神経血管カップリングを調節していたりと、「脳の機能」に重要な役割を担っています。脳の機能を理解するためには神経活動だけに着目していては不十分で、神経、グリア細胞、水循環システムといった「マルチモーダル脳機能」に着目する必要があります。したがって、従来のfunctional MRIだけでは不十分です。我々は、functional MRIに加え、マルチモーダル脳機能を計測する方法の開発を行っています。最近の我々の研究成果として、アストロサイトのカルシウム取り込みや体積変動を計測する方法を開発し、Glympatic systemを制御するアストロサイトの活動をMRIで計測できる可能性が出てきました(Droguerre et al, Sci Rep, 2019; Debacker et al, PLoS One, 2020; Pham et al, eLife, 2024)。