社会的・職業能力育成プログラムに資する認知・脳科学的エビデンス情報提供基盤の構築

研究代表者

東北福祉大学特任教授 小川 誠二 (Seiji Ogawa)

1934年(昭和9年)1月19日生まれ、東京都出身。学位はPh.D.(理学、スタンフォード大学)。専門は応用物理、生体物理、脳科学。メロン研究所、ベル研究所、財団法人濱野生命科学研究財団などを経て、2008年から本学感性福祉研究所特任教授。ベル研究所時代にfMRIの基本原理となる「BOLD効果」を発見、血流動態反応を視覚化し、1990年代からの脳機能解析の道を開いた。1996年米国物理学会生物物理学賞、2003年ガードナー国際賞など受賞歴多数。

MRIでの脳機能研究の開始は

MRIというのは、水を対象にしています。人間の体の80%が水なので、水を測ることによって空間分解度の高いイメージがつくれる。最初にMRIが発明されたのは、1970年台の半ば。僕らもその進展を見ていました。画像化にいたる現象そのものは何も特別なことではない、テクノロジーでサイエンスではない、と思っていましたから、人より大変遅れてイメージングに入りました。
当時のMRIは構造を測るものでした。機能や生理現象をイメージングで測る努力は、あまりなかった。脳は、電気化学現象で動いているので、その電気現象を直接測れたら一番いい。しかし、その信号は小さすぎてMRIでは測れないものとみんな思っていました。そこで、MRIの信号の中に何か脳で起きている現象を探そう、と思ってMRIを始めたわけです。

新たな原理「BOLD法」の発見

ネズミの頭のような小さな脳でも、空間分解度を非常に高くして測れば脳の画像で何かコントラストになるものが探せる、と考えた実験でした。脳は眠っていても働いているので、その状態での測定により、頭の動きによる邪魔な信号が出てこないようにしたり、磁場の均一性をできる限り上げることも試みました。そのように実験をしているうちに、みんなが出したことがなかった画像が測れてきました。
この画像のコントラストは、酸素のない死んだネズミの脳のほうが、空気を呼吸しているネズミの脳よりはるかに強く、またそれが特に皮質にあたるところで、小さな血管に沿って見られたことから、血液に関係したことであると考えられました。
血液の赤血球中のヘモグロビンに酸素が結合していない状態(酸欠で死亡しているネズミの脳)にあると、ヘモグロビンが常磁性であるがゆえ、赤血球が小さなマグネットのようになり、血管の内外で磁化率に相違ができ、血管の中および周りに小さな磁場の歪みが生じ、これが画像にコントラストをもたらす。その度合いは、酸素を持たないヘモグロビンの量による、という結論に至りました。
一酸化炭素中毒ということがありますが、一酸化炭素(CO)はヘモグロビンへの結合が酸素の200倍以上強いので、ヘモグロビンから酸素を追い出してしまい、酸欠状態になって死亡するわけです。COの結合したヘモグロビンは酸素を結合したものと同じく反磁性で、一酸化炭素中毒下では、死んだ脳であってもコントラストがなくなるはずで、このことを実験で示しました。すなわち、前記の画像のコントラストは、ヘモグロビンの磁性による、と証明したわけです。このヘモグロビンの酸素結合度で変わるコントラストをBOLD(Blood Oxygenation Level Dependent)コントラストと呼ぶことにしました。

当初は学術誌に門前払いも

このコントラストを使って、脳の機能活動の起きた場所を非侵襲的に測定することが可能であると主張しました。1990年にその可能性を示すMRI画像コントラスト(BOLD法)を報告し、1992年に正常なヒトの脳で実証しました(ミネソタ大との共同研究)。
この1992年のヒトでの実験の報告は学術誌「ネイチャー」に提出したところ、編集者のところで掲載に向いていない、として戻されました。その頃よく似た研究をしていたハーバード大MGHでもネイチャー から同様な扱いを受けたとのことです。
またBOLDコントラストの例としてあげたインシュリンによる脳内メタボリズムの変化や、コントラストの原因からしてその脳機能測定などの可能性を示唆した報告は、1990年に「サイエンス」から門前払いに遭いました。一方で、2005年にAAAS(アメリカ科学振興協会、サイエンスの出版母体)が出したMilestones of Science(ギリシャ時代からの科学における顕著な貢献を年表的に示したポスター)に、この1990年の(PNAS、米国科学アカデミー紀要に出た)報告がBOLD法(fMRIの方法として)の提唱として挙げられているのは興味深いところです。

脳の変化と大学教育の相関を調べる

トレーニング、教育によって、頭の中がどう変わるか、個人の頭がどう変わっていくか、そういうことを調べるのは重要な問題です。大学の教育と関連して、目的に沿った結果をもたらす教育方法、うまくいかない方法の区別を脳内の変化で見ることができるか。それを念頭に置いているのが、今回のプロジェクトです。
同じ人の頭だけでなく、違う人を調べながら行動と合わせるのは大変なことですが、平均でなく(複数の)個人を調べるということの意味も非常に大きい、と期待して始めました。個人のいろいろな能力特性の有無を心理テストとの相関関係の表示をはっきりしたものにし、また、プロとアマの脳内相異を見て、脳の可塑的変化を追跡する。これは前回(平成20年度文部科学省戦略的研究基盤形成支援事業「児童青年期精神障害および高齢者関連疾患における先進的個別化予防ケアシステムの構築に関する研究」)の応用なわけです。今回は、よりはっきりと社会貢献につながる可能性が高いと思っています。

BOLD効果の長所と短所ーー夢はまだある

fMRIのベースであるBOLD効果は、現在では脳機能活動をマクロなスケールで調べる研究、臨床研究も含め、ほとんど経常的に使われています。いろいろな機能活動に対応する部位を高い空間分解度をもって全脳画像上に表示することができる、大きな長所があるゆえです。
一方、重要な短所が2つ挙げられます。1つはその応答時間が秒のオーダーであり、100ミリ秒台で進む神経システムの現象の時間変化を調べることが出来ない、すなわち速いダイナミックスについては無知である事があります。もう1つの短所は、fMRIが示す脳活動は大体シナップス活動であるため、その活動部位の処理している情報のコンテントをfMRIの信号から知ることは出来ない、せいぜい情報のカテゴリーを知る事を出ないという点です。
これらの点を解決できれば、脳機能の機序、更にヒトの脳神経問題などの理解に質的飛躍が期待されます。そのような解決法をMRI信号のみの内に見出す事ができたら、という夢も実現不可能と決める必要もないと信じています。
(2016年2月掲載分)

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