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新生児にも脳の機能局在があり、触覚刺激が脳の発達に重要なことを確認(全頭型NIRSプローブを開発)

2012年3月23日


左から明和准教授、柴田JST研究員

 明和政子 教育学研究科准教授と河井昌彦 医学研究科准教授は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 ERATO型研究「岡ノ谷情動情報プロジェクト」の柴田実 研究員らとともに、島津製作所と共同で開発した光脳機能イメージング装置用「新生児全頭型プローブ」を用いて新生児の脳活動を計測し、この時期の脳機能局在性を確認しました。さらに、触覚刺激に対する脳の情報処理について、新たな事実を発見しました。

 この成果は、構造・機能が未熟だと考えられてきた「新生児期の脳」について、新たな知見を提供するものであり、今後の新生児期の脳研究の進展に大きく寄与します。この研究成果は、2012年3月15日(ロンドン時間)に、英国科学誌「NeuroReport」のオンライン速報版で公開されました。

研究の概要

 脳機能を非侵襲的に測定する方法として近赤外分光法(NIRS)がありますが、従来の専用プローブでは、新生児(生後1ヵ月まで)の脳のごく一部分しか測ることができず、頭部全体の脳活動、とくに頭頂部の活動を測定することは困難でした。

 本研究グループは、島津製作所と共同で新生児の頭部全体を覆うNIRS用全頭型プローブ(図1)を作成し、生後数日の新生児を対象に、3種類の感覚刺激(視覚、聴覚、触覚)に対する脳活動を計測しました。その結果、聴覚に対しては側頭部の一部、視覚は後頭部および側頭部の一部で、触覚は側頭部から頭頂部にわたる広い領域で、それぞれ顕著な脳活動が見られました。各感覚刺激で活動した脳部位は、成人での一次感覚野に相当する領野を含んでおり、成人で見られる脳の機能局在が、新生児期にもすでにある程度見られることが確認されました。さらに注目すべき点は、触覚の情報処理時には、聴覚や視覚に比べて広い領域が活性化していたことで、この結果は、周産期(妊娠22週から出生後7日未満)における触覚経験が、脳の発達においてとりわけ重要であるという知見を裏づけるものと考えられます。

研究の背景と経緯

 周産期において、触覚は、視覚など他の感覚に比べて早く発達します。胎児は、妊娠早期(妊娠8~9週)から、手指を口に入れたり、顔や身体、子宮壁に触れたりしていることから、自己身体や外界についての学習は、胎児期からすでに始まっていると考えられます。胎内での触覚経験の蓄積が重要であるとの見方から、早産児の発達においては、適度な触覚経験(タッチング・カンガルーケアー)が体重増加を促進したり、入院期間を短縮させるという報告もあります。しかし、この時期に、触覚刺激が脳内でどのように処理されているのかを調べた研究は、これまでほとんどありませんでした。

 周産期における触覚の神経基盤の解明が進まなかった原因のひとつは、新生児期の脳機能を測定する手法が十分に開発されていなかったことにあります。近赤外分光法(NIRS)は、周産期の児の脳機能を非侵襲的に測定することができる、有力な方法のひとつです。NIRSは、測定機器の装着がほかの測定法に比べて容易で、通常の部屋で取り扱える点でも有効です。

 周産期の脳は、成人の脳と比べ発達途上であり、各感覚刺激に対して限定された部位の計測では不十分であり、頭部全体を包括的に同時計測することが求められてきました。しかし、既存のNIRS用プローブには、脳の一部をカバーするタイプのものしかなかったため、側頭部や後頭部などに限定した計測にとどまっていました。触覚の発達過程の解明には、触覚刺激の情報処理を司る体性感覚野を含む頭頂領域を広範囲に計測することが必要ですが、新生児の頭骨は、形態およびサイズの個人差が大きいといった問題もあり、全頭プローブの作成は困難だとされてきました。

 そこで本研究グループは、島津製作所と共同で、島津製作所が成人用頭部ホルダーで用いているFLASHシステムを応用し、頭部形態やサイズの相違にも対応可能な「新生児用全頭ホルダー」を考案し、新生児の全頭を測定することに挑戦しました。新生児期の全頭脳活動を計測する第一歩として、本研究では、未解明な点の多い触覚情報処理に焦点をあてました。

研究の内容

 測定では、新たに作成した全頭型ホルダーを生後数日の新生児に装着し、島津製作所の近赤外光脳機能イメージング装置機器(FOIRE-3000/16)と接続しました。この際、送光ファイバー16本、受光ファイバー15本の16組、31本のファイバーを側頭部・頭頂部・後頭部をカバーするよう配置しました(図1)。

 触覚刺激は、左右の手のひらに振動モーターを握らせ、振動刺激を与えました。聴覚刺激は、ピアノ音楽・ノイズの音・女性が乳児に話しかける声をスピーカーから順に聞かせました。視覚刺激は、光のフラッシュ刺激を与えました。

 その結果、聴覚刺激では「側頭部の局所領域」、視覚刺激では「後頭部および側頭部の一部」、触覚刺激では「側頭部から頭頂部にかけての広い領域」で、酸素化ヘモグロビンの上昇が確認されました(図2(A)(B)(C)、図3)。これらの領域は、末梢の感覚受容器から、それぞれ直接的に投射を受ける一次感覚野に相当する部位を含むと推定されることから、成人で確認されている脳の機能局在が、新生児期にもすでにある程度みられることが分かりました。一方、触覚と視覚では、一次感覚野と推定される部位を中心としつつも、それ以外の広い領域でも活動が見られました。この結果は、触覚で最も顕著でした(図2(D))。

 これまでも、視覚あるいは聴覚に関する新生児の脳活動は調べられており、それぞれ、成人の一次感覚野に相当する部位が活動したとの報告はあります。しかし、これまでの研究では、計測する部位と感覚刺激とを事前に絞り込み、限られた部位だけを計測してきました。本研究の結果は、これまでの知見を確認するとともに、さまざまな感覚刺激について、成人の一次感覚野に相当する部位「以外」の領域も含んで「同時計測」したことによって、各一次感覚野以外の領域では活動が低い(活動が局在している)事実を初めて示しました。

 本研究の成果として、もう一つ注目すべき点があります。触覚では、機能局在的な反応だけではなく、その部位を中心とした周辺領域の活動が、ほかの感覚に比べて顕著に見られたことです。成人では、触覚刺激に対する脳の活動領域は、刺激と反対側の体性感覚野が中心ですが、新生児期には、反対側の体性感覚野のみならず、同側の体性感覚野でも同様に反応することが、fMRIや脳磁図を使った研究で報告されています。本研究のNIRSによる計測はこの知見を裏付けるものであり、NIRS計測の有効性を示したといえます。新生児期の触覚情報処理の特徴は、触覚が一次感覚野に限局された処理でなく、他の領域も関与して処理されていることです。触覚経験は、胎児期から新生児期の脳発達を牽引する、重要な役割を果たすと考えられます。

今後の展開

 本研究は、周産期の脳発達と感覚刺激経験との関係を解明するための第一歩です。本研究チームの作成した全頭型NIRSプローブは、簡便にかつ安全に(頭部にかぶせるだけ、短時間で装着を終えることが可能)新生児の頭部全体の脳活動を評価できることが確認されました。この成果によって、周産期の脳発達に関する研究は、今後、加速度的に進展することが期待されます。

 周産期での脳発達と触覚刺激の関係を明らかにすることは、周産期における適切な養育環境についての理解や具体的支援の方法について、エビデンスに基づく議論を可能とします。特に、早産児や低出生体重児の養育環境の改善、整備に向けた基本的指針を提供することに大きく寄与します。日本は先進国で唯一、早産児の出生割合が増加の一途をたどっている現状にあります。科学的根拠に基づく新生児集中治療室(NICU)での発育支援、環境の整備が喫緊に必要とされる中、臨床現場でその成果が強く求められています。

 NIRSは、これまで臨床評価のツールとしてよりも、研究目的のツールとして主に使用されてきました。しかし、NIRSは設置場所の自由度が高く、非侵襲的に脳機能が測定できることから、今後は、臨床現場で周産期の脳機能を評価するツールとしての使用、普及が期待されます。すでに、てんかん診療では、NIRSが臨床検査の一つとして取り入れられ始めており、その非侵襲性は十分確認されています。

 今回開発された全頭型NIRSホルダーは、新生児の脳活動研究、発達評価と支援に大きく貢献すると考えられます。

参考図

   

  1. 図1 全頭型ホルダーの形状とプローブの位置
    新生児用全頭ホルダーを人形にかぶせた様子。黒丸のソケット部分が82カ所あり、ここに送受光ファイバーを装着する。送光ファイバーと受光ファイバーは1セットで、その間の部位がデーターを取る1チャネルとなる。今回利用したNIRSでは、送光ファイバー16、受光ファイバー16が装着可能だったので、全頭のうち、頭頂部と後頭部、側頭部に分けて上図のようにファイバーを装着することにした。

   

  1. 図2 ヘモグロビン値の向上
    43のチャネルのうち、明るい表示の(赤みの強い)チャネルは酸素化ヘモグロビンの上昇が強い(統計的有意差の強い)ことを示す。
    (A)の触覚課題では、左右側頭部から頭頂部にかけての広い領域で活動が見られる。
    (B)聴覚課題では左側頭部、(C)視覚課題では右後頭部に強い反応が見られる。
    (D)活動チャネル数について感覚間で数の差を見ると、触覚が有意に多い。

   

  1. 図3 各チャネルでのヘモグロビン値の変化
    赤線が酸素化ヘモグロビン、青線が脱酸素化ヘモグロビンの刺激呈示に伴う経時的変化を示す。
    (A)触覚課題では左右側頭部から頭頂部にかけての広い領域、(B)聴覚課題では側頭部、(C)視覚課題では後頭部および側頭部の一部、で刺激呈示時に酸素化ヘモグロビンの上昇が見られた。

論文情報

  • 論文は以下に掲載されております。
    http://dx.doi.org/10.1097/WNR.0b013e3283520296
  • “Broad cortical activation in response to tactile stimulation in newborns”
    (新生児の触覚刺激への反応は広い範囲で新皮質が活性化する)
    Shibata M, Fuchino Y, Naoi N, Kohno S, Kawai M, Okanoya K, Myowa-Yamakoshi M.
    NeuroReport, doi: 10.1097/WNR.0b013e3283520296

補足説明

近赤外分光法の原理~なぜ近赤外光を使うのか~

 血液成分のヘモグロビンは光を散乱させますが、そこに酸素が結合していると、その吸収・散乱の度合いが変化します。NIRSはその度合いを測定し、酸素化ヘモグロビンの濃度変化を計測します。

 生体組織の光計測には波長が700~900nmの近赤外光が使用されます。可視光(400~700nm)はヘモグロビンやそのほかの生体構成物質の吸収が大きく、また、近赤外光よりも長い波長では水の吸収が大きくなるため生体内を光が進むことができません。これに対して近赤外線光の波長の領域は生体を透過しやすいため、「生体の窓」とも呼ばれます。

 この波長域での光の吸収は、主に酸素化ヘモグロビン(oxyHb)と脱酸素化ヘモグロビン(deoxyHb)によって生じますが、両者は異なる吸収スペク トルを持ち805nm近傍が等吸収点となっています。このため、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンのモル分子吸光係数が既知であれば、2波長以上での吸光度変化を計測することで酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を算出することができます。

近赤外光による脳機能計測の原理

 近赤外光は比較的生体を透過するものの、人間の頭部を透過させることが困難です。そのため、光ファイバーを用いて頭表から近赤外光を脳内に照射し、大脳皮質で吸収・散乱を起こした光を、成人の場合30mm程度離れた頭表上の光ファイバーで集光します。この時、光は頭表から約20mm程度の深部まで到達 し、大脳皮質でのヘモグロビンの吸収を受けることになります。

 生体は強い散乱体なので、光ファイバーによって導入された近赤外線は組織のいろいろな部分によって散乱されます。散乱しながら、受光部の光ファイバーに一部が到達します。この光が光電子増倍管に導かれて電気信号に変えられます。
(参考:島津製作所ホームページ http://www.an.shimadzu.co.jp/bio/nirs/nirs2.htm

本成果は、以下の事業・研究プロジェクトによって得られました。

戦略的創造研究推進事業 ERATO型研究

  • 研究プロジェクト:岡ノ谷情動情報プロジェクト
  • 研究総括:岡ノ谷 一夫(東京大学 大学院総合文化研究科 教授)
  • 研究期間:平成20~25年度

 JSTのこのプロジェクトとは、情動情報が言語と同様にある種の規則性(情動文法)をもって伝達されるものである と捉え、その進化過程・発達過程の生物学的な解析を基礎として、情動情報の計算科学的な符号化モデルを構築することを目指しています。

用語解説

情動情報

他者とのコミュニケーション状況で、言語情報とともに伝達される心の状態(情動)を他者に伝達する情報のこと。情動とは、出来事に対して自動的に生起する快不快を伴う心と体の応答で、心拍や発汗、紅潮など生理的な変化を伴う場合もあります。対人コミュニケーションには必ず情動が伴い、コミュニケーションの成否には言語情報よりもむしろ情動情報のほうが大切である場合が多いと言えます。

近赤外分光法(NIRS)

物質によって赤外線の吸収・散乱度合いが違うことを利用し、物質の特性や成分などを調べる方法。人間の脳内にはニューロンが、約1000億個存在します。人間は、視覚、聴覚、触覚、嗅覚、味覚などの情報を目、耳などの感覚器から取り込み、それらを電気信号にかえ、脳に伝達します。そして脳内にあるニューロンが相互にそれらの情報を伝達・処理することによって、次の行動を決定します。その時に酸素化ヘモグロビン(oxyHb)は毛細血管を経由して酸素供給を行います。NIRSはその反応を近赤外光によりリアルタイムに計測して脳の機能局在を解析することができます。

 

  • 京都新聞(3月24日 27面)、産経新聞(3月24日夕刊 9面)、日刊工業新聞(4月2日 18面)、毎日新聞(4月3日 23面)および科学新聞(4月13日 1面)に掲載されました。