• 動物用7T-MRI装置を利用して、小動物(特にラット・マウス)を対象に、脳可塑性メカニズムの解明、脳循環代謝制御機構の解明、トランスレーショナルリサーチに取り組んでいます。”

       最新鋭の動物用7T-MRI装置を利用して、小動物(特にラット・マウス)の脳イメージング研究を行っています。これまでに、EEG(脳波記録法)とfMRI(機能的磁気共鳴画像法)の同時計測法を開発し、心拍数・血圧・血液ガスなどの被検体の生理指標と、同時計測したEEG・fMRI信号との相関関係を明らかにしました。さらに、世界に先駆けて開発したMRIテンプレート用いて、1週間の輪回し運動後のラット脳形態変化を明らかにしました。
       今後は、これまでに開発した基盤技術を用いて、脳可塑性メカニズムの解明、脳循環代謝制御機構の解明、さらには病態モデル動物を用いたトランスレーショナルリサーチに着手する予定です。

    Examples:

    脳機能イメージング技術の開発
    直接組織評価による脳可塑性メカニズムの解明
    脳循環代謝制御機構の解明
    病態モデル動物・遺伝子改変動物のMRIイメージング
    トランスレーショナルリサーチI

    EEGとfMRIの同時計測

    Rat EEG and fMRI

    ラットMRIテンプレート

    Rat MRI template

    文献

    1. Sumiyoshi A, Riera JJ, Ogawa T, Kawashima R.
    “A mini-cap for simultaneous EEG and fMRI recording in rodents”
    NeuroImage, 54 (3), 1951-1965, 2011.

    2. Valdés-Hernández PA, Sumiyoshi A, Nonaka H, Haga R, Aubert-Vásquez E, Ogawa T, Iturria-Medina Y, Riera JJ, Kawashima R.
    “An in vivo MRI template set for morphometry, tissue segmentation, and fMRI localization in rats”
    Frontiers in Neuroinformatics, 5, 26, 2011.

    3. Sumiyoshi A, Suzuki H, Ogawa T, Riera JJ, Shimokawa H, Kawashima R.
    “Coupling between gamma oscillation and fMRI signal in the rat somatosensory cortex: its dependence on systemic physiological parameters”
    NeuroImage, 60 (1), 738-746, 2012.

    4. Sumiyoshi A, Suzuki H, Shimokawa H, Kawashima R.
    “Neurovascular uncoupling under mild hypoxic hypoxia: an EEG–fMRI study in rats”
    Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 32 (10), 1853-1858, 2012.

    5. Suzuki H, Sumiyoshi A, Kawashima R, Shimokawa H.
    “Different brain activation under left and right ventricular stimulation: an fMRI study in anesthetized rats”
    PLoS ONE, 8 (2), e56990, 2013.

    6. Suzuki H, Sumiyoshi A, Taki Y, Matsumoto Y, Fukumoto Y, Kawashima R, Shimokawa H.
    “Voxel-based morphometry and histological analysis for evaluating hippocampal damage in a rat model of cardiopulmonary resuscitation”
    NeuroImage, 77, 215-221, 2013.

    7. Honjoh T, Ji ZG, Yokoyama Y, Sumiyoshi A, Shibuya Y, Matsuzaka Y, Kawashima R, Mushiake H, Ishizuka T, Yawo H.
    “Optogenetic patterning of whisker-barrel cortical system in transgenic rat expressing channelrhodopsin-2”
    PLoS ONE, 9 (4), e93706, 2014.

    8. Sumiyoshi A, Taki Y, Nonaka H, Takeuchi H, Kawashima R.
    “Regional gray matter volume increases following 7 days of voluntary wheel running exercise: A longitudinal VBM study in rats”
    NeuroImage, 98, 82-90, 2014.

  • ~人のこころの仕組みを探る~

    ヒトの心が脳でどのように実現され個性や病態を生むのか、環境への適応という視点からの解明を目指し、幅広いテーマを対象にfMRI等の脳機能イメージング研究を行っています。”

       ヒトの心とは何でしょうか。心の座が脳であるとすれば、それはどのように実現されているのでしょうか。心と脳は複雑な環境に適応しながら、進化・発達してきました。ヒトの脳は社会・文化・経済を作り、我々の生きる環境そのものを大きく変えてしまいました。それでも依然、ヒトの脳の発達は系統発生をたどり、間違いなく身体とつながっています。心と脳は我々の身体と世界との間をどのように取り持っているのでしょうか。なぜそこに個人差があり、時にうまく働かないことがあるのでしょうか。そしてヒトの脳はこれからどう進化し、我々の心と世界をどう変えてゆくのでしょうか。

       脳は、外界や身体内部からの入力情報をセンサーから獲得・統合し、記憶と照合して状況を認知し、対応した行動を運動として出力します。この間の情報処理は多数の心の部品(機能モジュール)の組み合わせで実現されています。我々はそれら心の部品とその組み合わせについて、fMRI等の脳機能イメージングを中心に、様々な心理測定方法を併用して研究しています。現実世界の複雑な状況の理解・記憶や、他人の心の共感・推論、それを基にした判断・行動といった、人間ならではの高度な心の働きから、感情や身体感覚といった動物として生存に基本的な情報処理まで、幅広いテーマを研究対象としています。

    視線と心情理解の関係

    【図注】

       視線の動きを検出する能力はヒトでは乳児期から観察され、他者の心情の推測能力(「心の理論」)の発達の一つのカギとする仮説がある。視線の動き刺激(a)と物語理解課題(b)を用いたfMRI実験の結果(c)、前者に対する右中側頭回後部(青△)の脳反応と、物語理解中の他者の心情理解に関わる側頭極(緑△)及び前頭前野吻内側(紫△)の脳反応が被験者間で共変することがわかり、この仮説の証拠が得られた。(Sugiura et al., Soc Cogn Affect Neurosci, 2013, doi: 10.1093/scan/nst119)

    例えばこんな研究

  • ~スマートエイジング社会を目指して~

    高齢者の脳機能を増進し認知症の予防や認知症の改善を可能とするシステム、子どもの健全な脳の発達をサポートするシステムの開発を行っています。”

       本研究では、脳科学の知識と技術をいかして、何らかの外的刺激もしくは精神作業によって、人間の脳機能や認知機能を維持・向上させたり、疾患や情動状態を改善・回復させ、その結果、全てのひとが、いつまでも健やかで豊かな生活を送ることが可能となる持続的社会の創生を目指しています。

       加齢に伴い知恵や知識などを必要とする認知活動は向上しますが、人間のみが特別に発達している前頭前野の機能は成長が終わった直後から直線的に低下します。 我々は、加齢によって失うものの多くは、この前頭前野の機能低下によるものと考え、主として健康な人の前頭前野機能を維持・向上させるシステム開発を行ってきました。これまでに認知症の症状改善(学習療法)、予防につながるシステムを提案し、実際に広く社会で使われています。

       本研究は、脳機能イメージングを用いた脳科学基礎研究から、脳MRIや心理指標を評価指標とし、健常群や疾患群を対象とした生活介入実験、社会実践研究、社会貢献活動まで、広い範囲の「人間」に関わる研究を展開しています。

    例えばこんな研究

    モビリティ&スマートエイジングプロジェクト
       東北大学のシーズを融合して、自動車の持つ負の側面(体力低下、環境への影響など)をカバーする、運転するだけで心身の健康を向上させるような、従来の発想にはない、まったく新しい車の在り方・付加価値を持つ車の開発研究を行っています。
    ワーキングメモリートレーニング法開発研究
       健常人を対象として、脳機能イメージング研究によってワーキングメモリーに負荷を与える課題を策定し、その課題を生活介入として実践させることで、ワーキングメモリー能力の向上、およびそれの般化効果、脳形態、脳機能、脳血流、脳活動の同期などさまざまな神経メカニズムの変化の検証を行ってきました。他にも単純な課題を素早く行う訓練(処理速度課題訓練)や計算課題を素早く行う訓練、複数のことを同時に行う訓練などに関して同様の研究を行ってきました。
    メンタルヘルス改善のための介入研究
       成人や被災者を対象に、植物を育てる園芸療法やバイオフィードバック訓練(脳血流や心拍などのシグナルを機器からえてコントロールする訓練)といったさまざまな生活介入方法を用い、メンタルヘルス、ストレスホルモン、脳形態などの変化・改善がみられるか研究してきました。

    文献

    1. Takeuchi H, Taki Y, Nouchi R, Hashizume H, Sekiguchi A, Kotozaki Y, Nakagawa S, Miyauchi CM, Sassa Y, Kawashima R.
    “Effects of working memory-training on functional connectivity and cerebral blood flow during rest.”
    Cortex, in press.

    2. Takeuchi H, Kawashima R.
    “Effects of processing speed training on cognitive functions and neural systems. (review)”
    Reviews in the Neurosciences, 23(3): 289-301, 2012.

    3. Takeuchi H, Taki Y, Sassa Y, Hashizume H, Sekiguchi A, Fukushima A, Kawashima R.
    “Working memory training using mental calculation impacts regional gray matter of the frontal and parietal regions.”
    PLoS ONE, 6(8): e23175:1-12, 2011.

    4. Takeuchi H, Taki Y, Hashizume H, Sassa Y, Nagase T, Nouchi R, Kawashima R.
    “Effects of training of processing speed on neural systems.”
    Journal of Neuroscience, 31(34): 12139-12148, 2011.

    5. Takeuchi H, Taki Y, Kawashima R.
    “Effects of working memory training on cognitive functions and neural systems. (review)”
    Reviews in the Neurosciences, 21(6): 427-449, 2010.

    6. Takeuchi H, Sekiguchi A, Taki Y, Yokoyama S, Yomogida Y, Nozomi K, Yamanouchi T, Suzuki S, Kawashima R.
    “Training of working memory impacts structural connectivity.”
    Journal of Neuroscience, 30(9): 3297-303, 2010. Scored in Faculty of 1000

    7. Uchida S, Kawashima R.
    “Reading and solving arithmetic problems improve cognitive functions of normal aged people –A randomized controlled study.”
    Age. 30: 21-29, 2008.

    8. Kawashima R, Okita K, Yamazaki R, Tajima N, Yoshida H, Taira M, Iwata K, Sasaki T, Maeyama K, Usui N, Sugimoto K.
    “Reading aloud and arithmetic calculation improve frontal function of people with dementia.”
    Journals of Gerontology, Series A, Biological Sciences and Medical Sciences, 60A: 380-384, 2005.

  • 個人の認知機能情報を脳活動から読みとる心のデコーディングの基礎研究と社会応用研究、集団の脳活動同時計測でコミュニケーションと‘複数脳の共鳴’を繋げる研究を行っています。

       自分自身の認知的な処理や心の働きを自覚したり、他の人の認知的な状態を普通に接するだけで読み取ったりするのはとても難しいことです。一方で、脳機能計測技術の進歩によって、実生活のなかで脳活動を持続的に測定することが出来るようになりつつあります。この脳活動に含まれる認知・情動などに関する情報をうまく取り出して利用できれば、広範囲の応用が期待できます。

       このような脳科学の実社会への応用を実現するため、我々は近赤外分光装置、核磁気機能画像法、脳波・脳磁図など最新の脳機能計測手法を駆使して、個人の注意や意欲、好み、気分などの認知・情動状態を脳活動から読みとる心のデコーディングの基礎研究と技術開発を行っています。また、人の知的能力や心の健康の増進、知的活動の補助や安全性の確保、商品開発やマーケティング設計など、様々な応用につなげる社会技術研究を行っています。

       さらに、従来の脳科学研究が個人内の脳活動と認知機能の対応を主な対象としてきたのに対して、最近は相互作用する二者間での脳活動同調などの知見が得られ始めています。これをより幅広い社会的状況に拡張するため、我々は集団の脳活動を同時計測できる超小型装置を新たに開発しました。その技術を用いて社会的インタラクション時の‘複数脳の相互作用’、‘複数脳の共鳴’を明らかにし、コミュニケーションや共感を促進する技術や環境のデザインにつなげる研究を行っています。

    例えばこんな研究

    fMRIイメージングを用いた認知状態変動のデコーディング
    同じ認知課題を繰り返し行うとき上手くできる時とできない時がありますが、このパフォーマンスの変動が特定の脳内ネットワークにおける揺らぐ活動の課題提示前の状態から予測できることを明らかにしました。このように脳活動から読みとれる「認知的構え」は、たとえば教育現場における学習支援や自動車運転時の安全性確保など、様々な応用が可能です。
    超小型NIRS同時計測によるコミュニケーション時の複数脳の共鳴
    ブレインストーミングのように集団で思考している時と独立に問題を考えている時で前頭前野の活動を同時計測し、個人間での脳活動の関係性強度が集団思考時に有意に高まることを見出しました。この‘複数脳の共鳴’からコミュニケーションの質を評価する手法を研究しています。

    集団思考で4者間の脳活動の因果的関係性が増強

    集団歩行時の複数脳の共鳴の計測

  • 認知機能や精神的健康を向上させるために、ゲームや運動や認知的活動などを用いた新しいトレーニング方法の開発やその効果の検証をするスマート・エイジング研究を行っています。”

       私たちが、誰かの名前を覚えたり、何を判断したり、集中したりという複雑な「こころの働き」を認知機能と呼びます。私たちの認知機能は、残念なことに加齢と共に低下していくことが分かっています。そこで、スマート・エイジング研究では、主に高齢者の認知機能を向上させる原理の解明や技法(プログラム)の開発や新しい(技法)プログラムの効果の検証を行っています。

       スマート・エイジング研究を通じて、私たちの「こころ」の変化を知り、社会が賢く「こころ」と向き合う方法を市民に広く発信することが最終的な目的です。

    例えばこんな研究

    脳トレゲームは、効果があるのか?
    日常的な活動(音読や計算)は、高齢者の認知機能を向上させるのか?


  • 学習意欲を定量的に評価する測定ツールの開発、小中学生を対象とした質問紙調査や授業観察等を通じ、学習意欲と生活習慣、家庭環境、学習行為、授業態度、学力との関係について研究しています。”

       仙台市教育局との連携協定に基づき、学習意欲に関する心理学および脳科学的アプローチを用いた学際的研究に取り組んでいます。学習意欲を定量的に評価する測定ツールの開発、仙台市の公立小中学校に通う全ての児童生徒を対象とした横断的・縦断的質問紙調査、研究協力校での授業観察等を通じ、学習意欲と生活習慣、家庭環境、学習行為、授業態度、学力との関係を探っています。

       中でも我々が特に注目しているのが、興味・好奇心です。学習内容そのものに関心を持ち、自ら意欲的に学びに取り組む子ども達とそうでない子ども達を分ける背景要因は何なのか、興味・好奇心と背景要因との関係は発達を通じてどのように変化していくのか、どういう背景要因に着目した働きかけが最も効率的に子ども達の興味や好奇心を喚起するのか、その手がかりを求めて研究活動を行っています。

       また、学習意欲の問題は対象を子どもに限定するものではありません。成人期や老年期において、自ら意欲的に学びを進めようとする態度は知的機能の維持にとって不可欠です。成人期以降の発達段階における興味や好奇心を支える背景要因についても、研究を進めています。

       なお、学習意欲を高める、あるいは低下を阻止するためには、学校・家庭・地域の協同による継続的取り組みが必要です。その一助となるべく、研究成果の一部は教師・保護者向けパンフレットにまとめて各学校を通じて配布しています。また、教育局や各学校の要請に応じて、教職員や保護者の方を対象とした講演活動も行っています。このような取り組みを通じ、学校・家庭・地域と大学が相互に協力し合いながら子ども達の学びをエビデンスに基づいて支えていく仕組み作りを目標としています。

    例えばこんな研究

    学習意欲を簡便に測定可能な心理尺度の開発
    生活習慣が学習意欲を介して学力に影響していくプロセスのモデリング
    授業中の行動と学習意欲の関係


  • ~子供の健やかな発達と成長を目指して~

    小児の脳の健常データベースの作成、正常脳発達の解明、脳発達に影響を与える生活習慣の解明、遺伝的要因の影響、疾患脳との対比を中心に研究を行っています。また、企業が開発した製品やシステムが、利用者の脳にどのような影響を与えるのかを科学計測によって評価•開発を行う産学連携研究も行っています。”

       本研究部門では、人間の脳と心の関連を脳機能イメージング装置によって解明しようとする脳科学研究を、教育学や認知心理学と融合することにより、子ども達の心身の健やかな成長や発達を促し、学習の意欲、論理的思考力、創造性、知的好奇心、探究心などを向上させる新しい具体的な教授・学習システムの研究開発を行います。

       現状では健康な子ども達の認知機能の発達に関する科学的データがほとんど存在しません。そこでこれまで、本研究部門では、MRIを用いた小児の脳形態、脳機能、認知機能の発達に関して、3年間にわたる縦断研究を行い、現実社会において子どもを取り巻くさまざまな環境因子と認知機能発達の関連をアンケートや認知機能テストによって調査研究することにより、子どもの心を豊かに育む生活や家族関係の在り方を検討してきました。我々の研究を通して、小児の健常データベースを作成し、それによって小児の正常脳発達が明らかになってきました[文献1,2, 3, 4]。また、小児の認知能力や認知スタイルと脳形態の関係があることも明らかになりました[文献5, 6]。さらに、小児の睡眠時間と、脳の記憶を司る領域である海馬に有意な相関が見つかるなど、生活習慣が小児の脳形態に影響を与える可能性も示唆されてきています[文献7, 8]。

       本研究部門の研究によって、心身の健やかな成長や発達を促し、学習の意欲、論理的思考力、創造性、知的好奇心、探究心などを向上させる新しい具体的な教授・学習システムの基礎理論が完成することが期待されます。また、我々の正常脳の発達のデータベースを、発達障害の様々な疾患脳と対比することで、発達障害の機序の解明に繋がることが期待されます。

    例えばこんな研究

    脳科学に基づいた、子どもの脳の健やかな発達を促す生活習慣の提案
       小児の脳形態MRI、脳機能MRI、認知力テストおよび生活習慣データを用いた3年間の縦断データを用いて、小児の脳形態、脳機能、認知能力の3年間の変化が、小児のどのような生活習慣と関係があるのかを明らかにすることで、脳科学的知見に基づいた、子どもの脳の健やかな発達を促す生活習慣の提案を行います。
    年齢相応の脳発達を基礎とした学習システムの開発
       小児の脳形態MRIを用いて、各年齢における年齢相応の脳灰白質、白質体積を求め、更に機能MRIを用いて計算、記憶などの簡単な課題を行う。加えて、種々の認知力テストを行い、年齢相応の脳発達を明らかにします。これらの結果を用いて、学習の意欲、論理的思考力、創造性、知的好奇心、探究心などを向上させる新しい具体的な教授・学習システムの基礎理論が完成することを目標にします。