研究開発部門

 研究開発部門では、脳機能イメージング及び実験心理学的手法を核としながら、心を豊かに穏やかに加齢するための方法論的研究を、脳を直接研究対象とした脳科学研究、認知機能向上法開発のための認知心理学研究、認知症予防、メンタルヘルスを対象とした医学的研究、こころや死生観までを対象とした哲学・心理学研究・倫理学研究などを融合して推進します。
 研究開発部門では、以下の2つの研究分野で研究開発活動を開始します。

応用脳科学研究分野(川島隆太教授)
生体計測研究分野(西條芳文教授)
神経電磁気生理学分野(中里信和教授)

応用脳科学研究分野では、脳機能を維持・向上、精神的な健康感を向上するための手法を開発研究します。
生体計測研究分野では、加齢医学研究のためのイメージングおよびセンサ技術の開発および有用性の検証を行います。

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応用脳科学研究分野

 脳機能を維持・向上する、精神的な健康感を向上するための手法を開発研究するにあたり、認知神経科学の観点から、大脳の前頭前野(PFC)の機能に注目をしています。人間の前頭前野は、もっとも高次な認知機能を司る場所として知られており、健全な社会生活を送るために必要な能力が宿っています。特に作動記憶(ワーキングメモリー)や実行機能と呼ばれている機能(将来の計画・企画や意思決定、行動の選択や統制などの基幹となる機能)に注目をしています。
 応用脳科学研究分野では、最新の脳機能イメージング技術や、認知神経科学、心理学、疫学などの知識を架橋融合した応用脳科学研究を展開し、健康な小児や成人、健全な社会生活を送っている高齢者の実行機能を向上させる原理を開発します。

advanced brain science research

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生活介入研究

 多くの方は60歳代くらいになると、心身のさまざまな機能の低下を自覚されると思います。しかし、実は、こうした心身機能、特に認知機能の低下は、20歳代30歳代からすでに始まっていることが知られています。この認知機能の低下の本体は、いわゆる流動性知能の機能の低下であり、その主因は作動記憶(ワーキングメモリー)や実行機能の低下であると考えられています。これらの認知機能の低下に対して、最近の研究で、認知トレーニングと呼ばれる方法が有効であり、認知トレーニングによって、穏やかで健康な「心」の状態を保てることが指摘されています。例えばワーキングメモリートレーニングを行うと、ワーキングメモリー以外の認知機能も向上すること、本来生得的であると考えられていた流動性知能の容量が増加すること、などが次々に明らかになってきています。
 センターでは、応用脳科学研究で開発した新しい認知トレーニング方法の有効性を、生活介入実験によって科学的に証明し、無害かつ有効なシステムを開発します。

 過去に行った生活介入実験の例としては、認知症高齢者に対する認知機能向上研究(Kawashima et al., 2005)があります。ここで開発したシステムは学習療法と名付けられており、読み書き計算が、認知心理学的に作動記憶(ワーキングメモリー)と実行機能を必要とするという事実、脳機能イメージング研究で実際に読み書き計算をすると、ワーキングメモリーや実行機能を司っている背外側前頭前野が活動するという事実を元にして、読み書き計算のドリル教材を産学連携体制で作成し、比較対象試験を行いました。結果として、学習療法を行った認知症高齢者の前頭前野機能全般の改善が認められ、生活の質の向上も認められました。また、同様の読み書き計算による生活介入を、健康な社会生活を行っている高齢者に行ったランダム化比較対象試験(Uchida & Kawashima, 2008)でも、高齢者の全般的な認知機能や生活の質の向上に成功しています。

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 近年、ヤマハ発動機株式会社と行った産学連携共同研究では、オートバイの操作にはワーキングメモリーが必要であることを前提に、最初に、オートバイを運転中に大脳左右半球の前頭前野が活性化することを携帯型光トポグラフィ試作機(日立製作所株式会社基礎研究所)による計測で証明しました。次いで、健康な成人を対象として、普段の生活の中にオートバイ運転を取り入れるという生活介入を行うランダム化比較対象試験を行い、オートバイ運転を生活の中に取り入れることで、認知機能が向上し、社会生活上の精神的ストレスが軽減することを証明しています。

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エンタテインメントとスマート・エイジング

 当センターの活動と密接にかかわる学内組織として、東北大学エンタテインメント&スマート・エイジングプラットフォームを、平成21年8月に設立しました。ここでは、ゲーム、テレビ、映画などのエンタテインメントが心身に与える影響を科学的に解析・評価をおこないます。特に、個人がスマート・エイジングを具現化するために、エンタテインメントとどう関わるべきか、もしくは、そのようなスマート・エイジング社会を構築するためにエンタテインメントはどうあるべきかを検証しています。さらに、構築した理論を実践するための商品開発を産学共同研究にて行い、その効果を検証します。

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生体計測研究分野

 生体計測研究分野は、加齢に関係した生理学的・形態学的・生化学的変化の計測方法や機器の開発・評価により、人の加齢の課程やメカニズムを明らかにすることを目的にしています。

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高精度生体イメージングおよびセンサの開発

 臨床画像診断において、超音波の安全性・ポータビリティーについてはよく知られていますが、実は、通常のエコー診断よりも高い周波数の超音波を用いることで10ミクロン以上の解像度で臨床画像を得ることが出来ます。当研究分野では、摘出組織や培養細胞のバイオメカニクスと密接に関係する音響特性の可視化のために機械走査型超音波顕微鏡を、開発・実用化してきました。最近では、軟骨の発達や変性が組織のバイオメカニクスと関係することが超音波顕微鏡により証明されました。さらに最近では、生体組織を生体中において高解像度で可視化するために超音波インピーダンス顕微鏡や三次元超音波顕微鏡などの新しいイメージングシステムを開発しています。
 センサの開発に関しては、従来高周波数超音波領域で用いてきた機械走査型に替わりアレイ型超音波振動子を国際的な産・官・学の共同プロジェクトとして開始を始めました。

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皮膚の状態の医工学的解析

 ヒトの皮膚は表皮、真皮、皮下組織の三層から構成されています。このうち、真皮は皮膚全体の弾性や柔軟性を決定するという意味で最も重要な役割を果たしています。当研究分野では、三次元超音波顕微鏡により、真皮の中の毛細血管、毛包、肌の肌理などの三次元的可視化に世界で初めて成功しました。真皮の弾性はコラーゲンやエラスチンなどに規定されていますが、現在、微小振動を皮膚に与えた際の皮膚の振動を高周波数超音波で捉えることで、真皮の弾性を定量的に評価する方法を開発しています。さらに、これらの画像を基盤とした評価方法を従来の皮膚の評価方法である水分含有量、皮脂含有量、自然光/紫外線のCCDカメラ像、皮膚を吸引した際の張力-変位の解析による弾性評価方法などと対比し検討しています。
 また、皮膚の評価方法として超音波インピーダンス顕微鏡データを基盤とした超音波インピーダンス計を開発しました。これは、小さなプローブを皮膚に接触させるだけで、皮膚の音響インピーダンスが計測できる機器です。診断だけではなく、形成外科医、美容外科医、化粧品会社などとの共同研究により、肌のスマート・エイジングについての科学的基礎を確立する予定です。

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動脈硬化の大規模診断

 今日、動脈硬化は動脈壁へのLDLコレステロール沈着に対する慢性的な免疫反応により動脈の壁が厚くなる状態であることが知られています。一般的に、動脈硬化は年齢に相関して進展するので、大規模な対象について簡便にスクリーニングする手法は高齢化社会における市民の健康増進および社会福祉の向上のために重要です。頚動脈エコーや脈波伝搬速度計測などの臨床的に確立した手法を普及させるために、当研究室では安価で小型の超音波診断装置を開発しました。すでに、宮城-岩手内陸地震避難者のエコノミー症候群検診にこの装置を用い、深部静脈血栓検出に必要十分な検出力を持つことを証明しています。また、生協店舗や市民センターでの頚動脈エコー検診により、この装置の大規模対象への応用の可能性を検証しています。
 当研究室では、大学のミッションとして研究、教育だけではなく、社会貢献も重要だと考えています。その意味で、2010年には宮城県内において「特定健診プラスワン」として頚動脈エコーを特定健診に取り入れるプロジェクトも開始します。

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加齢研究とイメージング・センサ研究の橋渡し

 加齢に関連した生理学的・形態学的変化を計測するには、加齢研究とイメージング・センサ研究の密接な共同が必要です。当研究室の研究者は東北大学大学院医工学研究科計測・診断医工学講座も担当していますので、工学領域の先進的計測方法を加齢研究者や臨床医、産業界に紹介するための橋渡しとして貢献したいと考えています。イメージング・センサ研究は診断分野のみならず、病気やスマート・エイジングのための介入への貢献や、薬物・治療領域への波及効果も期待されます。

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神経電磁生理学分野

    従来,脳の電気活動を調べる方法は脳波(EEG)しかありませんでした。電極を貼るだけで比較的簡便な検査法ですが,頭部の導電率不均一性の問題(=電気を流しにくい頭蓋骨や電気を流しやすい脳脊髄液などの複雑に入り組んだ構造)の影響で信号がゆがめられ,信号源推定の精度が低下する弱点がありました。一方,脳磁図(MEG)では,このゆがみが無視できるほど小さいという利点があります。MEGはきわめて微弱ですが,超伝導技術の発達で検出できるようになったのです(図1)。EEGがあわせもつ高い時間分解能に加えて,MEGでは信号源の位置計算の精度が高く,脳機能マッピングに適しています。両者を組み合わせて解析する方法は,私たちの得意とする分野です(図2)。

    神経電気生理学分野では、頭皮上から磁気で刺激する方法も組み合わせ、従来の電気生理学の概念を大幅に拡大した中枢神経の「電磁気生理学」の概念を確立したいと考えています。

 

図1: 脳波と脳磁図の同時計測の様子

 

図2:てんかん性異常波における脳波と脳磁図による信号源解析

 

                                                                                                                                                                                                                                        ▲ Top | ▶ Home

てんかん包括医療に向けて

   身体のほとんど部位は脳と神経で結ばれています。手足や顔の皮膚や粘膜の刺激は大脳の体性感覚野に到達します。逆に大脳の運動野の命令は四肢や頭部の筋肉を動かします。こうした脳の働きをMEGは正確に診断することができます。私たちは,物を見る(視覚),味を感じる(味覚),音を聞く(聴覚)などの脳の働きも,MEGによって明らかにしてきました。言葉を理解する機能もMEGで調べることができます。病気としては,てんかんの原因となる異常な電気活動や,脳梗塞になる前の異常な電気活動を,MEGは教えてくれます。

  薬で発作が抑制できない難治性てんかんでは,外科手術が功を奏する場合が少なくありません。切除術の前に頭蓋内に電極を数週間留置する検査を行う場合がありますが,この際には脳表の電気信号を直接記録できる機会を得ますので,さまざまなタスクを与えながら,手術計画に必要な脳の機能の詳細なマッピングを行います(図3)。

図3:頭蓋内電極を用いた言語機能検査
てんかんの患者さんを治療するために,検査目的で脳の表面に電極を留置した時の検査です。物品呼称・漢字読み・仮名読みのそれぞれで脳の電気活動の周波数分布をみると,左側頭葉底面では漢字読みで80-120 Hzの活動が強くみられます(Tanji K, et al. 2005)。

 

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