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1 生命情報科学 Ⅰ/Basic Bioinfomatics I 嗅覚系の神経生理学と計測法 Human olfactory system 2018 年 6 月 6 日 ( 水 ) 14:50~16:20 理学部講義棟 202 九州大学基幹教育院 九州大学大学院システム生命科学府准教授岡本剛 Assoc. Prof. Tsuyoshi Okamoto okamoto@artsci.kyushu-u.ac.jp

2 出席カード /Attendance Card まずは必要事項を書こう Please Fill in the blanks in the following. あとで簡単なクイズをやります Later, we're going to have some quizzes. 遠隔講義の学生は必ず本日午後 5 時までに で送ること For Maidashi students, don t forget to send the answers of quizzes by by 5:00 pm.

3 授業資料 /Lecture Material システム生命科学府のウェブサイトからダウンロードしてください Please download today s material from the website of Graduate School of Systems Life Sciences.

4 おしながき /Menu 4. ヒト嗅覚の計測手法 Methods of measurement of human olfaction 5. 我々の研究紹介 Studies of my lab

5 ヒト嗅覚の 計測手法 Methods of measurement of human olfaction 4

6 脳機能イメージング /Functional Brain Imaging 電気生理学的検索法 /Electro-neurophysiological recording 脳波 脳電図 (EEG, EP, ERP) 脳磁図 (MEG) 経頭蓋磁気刺激法 (TMS) 核医学的検索法 /Nuclear medicine scan シングルフォトン断層法 (SPECT) ポジトロン断層法 (PET) 核磁気共鳴法 /Nuclear magnetic resonance MR スペクトロスコピー (MRS) 機能的 MRI(fMRI) 光学的探索法 /Optical recording 近赤外分光法 (NIRS)

7 脳波 脳電図 /EEG 脳波 脳電図 (ElectroEncephyaloGraphy, EEG) EEG shows the electrical activity of neurons in cortex recorded by electrode disposed on the surface of the scalp. EEG reflects the specific mental state having resolution of one millisecond. Fz C3 Cz C4 Pz Oz Positioning of EEG electrodes EEG waveform of each electrode

8 Outer surface of cerebral cortex Dendrite Cell body Axon Cerebral sulcus 入戸野宏 2003( ERP と認知活動 )

9 脳波の注意事項 /Cautions of EEG EEG reflects the total sum of electrical activities around the measuring electrode. EEG includes activities of neurons, muscles, and external electrical noises. To obtain the neuronal activity, the followings are required: a comprehensive activity from more than one million neurons removal of electrical noise except for neuronal activity EEG technology A similar example: recording the voices of people in the hall using microphone on the ceiling

10

11 Quiz 1 次の電極 A, B で測定される波形を描け Please write the waveforms recorded by electrodes A and B in the following figure.

12 脳波の帯域 振幅と脳活動の関係 脳波の振幅が大きいときは 沢山の神経細胞が同期して活動している 脳波の振幅が小さいからと言って神経細胞が活動していないとは限らない 神経細胞がバラバラに活動しているときにも脳波振幅が小さくなる 特定の帯域がどのような精神活動と関係しているかについては諸説ある ~2.5Hz ~5Hz ~10Hz ~20Hz ~40Hz

13 周波数帯域と精神活動 A 帯域 δ 波 ( デルタ ) θ 波 ( シータ ) α 波 ( アルファ ) β 波 ( ベータ ) γ 波 ( ガンマ ) 対応する精神活動 深い睡眠時にのみ生じる 若年成人で不愉快 愉快 眠気 安静閉眼時に後頭部で出現精神的活動で振幅減少リラックス時などで増強 精神的 身体的活動で出現 前頭部 中心部感覚刺激に対して生じる 心理生理学 : こころと脳の心理科学ハンドブック J.L. アンドレアッシ著 今井章監訳 北大路書房 2012 年

14 周波数帯域と精神活動 B 帯域 δ 波 ( デルタ ) θ 波 ( シータ ) α 波 ( アルファ ) β 波 ( ベータ ) γ 波 ( ガンマ ) 説明 4 Hz 未満のかなり遅い波 振幅は大きいことが多い 深い睡眠の指標 4 7 Hz ある睡眠段階で出現 8 13 Hz 覚醒時の閉眼した安静状態と関係がある 14 Hz 以上 活動性の高い皮質が発する信号 Hz 覚醒した脳の感覚系および運動系の 同期的なニューロン群の群発性の活動 低周波で高振幅の波形は 夢を見ていない睡眠の段階や病的な昏睡と関連している 高周波で低振幅の波形は 緊張と覚醒 あるいは夢を見ている特別な睡眠段階と関連している 神経科学 - 脳の探求 - M.F. ベアー /B.W. コノーズ /M.A. パラディーソ著 加藤宏司 / 後藤薫 / 藤井聡 / 山崎良彦監訳 西村書店 2007 年

15 周波数帯域と精神活動 C 帯域 δ 波 ( デルタ ) θ 波 ( シータ ) α 波 ( アルファ ) β 波 ( ベータ ) 3.5 Hz 以下で高振幅 睡眠段階 3 に出現 説明 Hz 睡眠段階 1( 睡眠と覚醒の移行期 ) に出現 徐波睡眠の初期段階およびレム睡眠時に断続的に出現 8 12 Hz の規則的な波 なめらかな電気活動 静かに休んでいる時に出現 閉眼時においてより優勢となる 一般にリラックスした状態を示す 不規則な Hz の低振幅波 覚醒して 周囲の出来事に対して警戒し 注意を向けている場合や 思考している際に出現 一般に覚醒した状態を示す カールソン神経科学テキスト : 脳と行動 カールソン [ 著 ] 泰羅雅登, 中村克樹監訳 丸善 2006 年

16 Frequency analysis of EEG Fz C3 Cz C4 Pz Oz plurality of frequency bands Sleepy High mental activity Band Waveform Freq./Amp. δ (delta) θ (theta) α (alpha) β (beta) γ (gamma) 0.5~ 3.5Hz 20~200µV 4~7Hz 20~100µV 8~13Hz 20~60µV 14~30Hz 2~20µV 36~44Hz 3~5µV

17 誘発電位 (EP) 誘発電位 (Evoked Potential) 感覚受容器 神経系に対する生理的または非生理的刺激によって誘発され しかもその刺激と時間的関連ないし事象的関連のある電気反応または波形 ( 早わかり誘発電位 (1) 飛松省三 ) 感覚経路の初期レベルまでを 0.1~ 数 10μV 程度の微弱な電位変化によって記録できる 刺激に同期して得られる一定期間の脳波を繰り返し計測し 加算平均して得る N 回の加算平均で S/N 比は N 倍となる 誘発波形の潜時と振幅で評価 初期嗅覚経路は頭皮から遠いため 嗅覚誘発電位の計測は難しい 早わかり誘発電位 (1) から引用

18 事象関連電位 (ERP) 事象関連電位 (Event Related Potential) 誘発電位 (EP) と同様に 加算平均法で求められる さらに反応波形同士を引き算することで 認知や判断など 高次の脳機能を調べることができる 刺激の物理的性状による外因反応ではなく 内因的な感覚情報の認知 判断過程を電気現象としてとらえる 代表的かつ嗅覚研究に使えそうな成分 N2b, P300 ミスマッチ陰性電位 (MMN) 代表的かつ嗅覚研究に使えそうな課題 オドボール課題

19 ERP 成分 1 事象に先行する成分 随伴陰性変動 (Contingent Negative Variation, CNV) 警告刺激の後 反応を要求される命令刺激を待っている状態で記録されるゆるやかな陰性電位 運動準備電位 随意運動に先立って中心前野の電極に最大の振幅で出現する陰性電位 基礎から学ぶ臨床神経生理学

20 嗅覚実験におけるオドボール課題 2 種類以上のにおい刺激を頻度を変えてランダム順で提示し 被験者に何かをさせる 標準刺激 ( 高頻度で提示する刺激 通常 80% 以上 ) 無臭空気など 偏奇刺激 ( 低頻度で提示する刺激 複数出しても良い ) においを感じるかどうかを毎回弁別させる 刺激評価 においを感じた時にボタン押しをさせる 刺激評価 + 意思決定 偏奇刺激に対する ERP- 標準刺激に対する ERP MMN と N2b: 前注意過程における感覚情報の変化 感覚情報注意処理 P300: 不確実性の解決 刺激評価 意思決定 判断後処理過程 文脈の更新など 認知神経科学 Vol.8, No.3, 2006 (pp ) から引用 早わかり誘発電位 (4) から引用

21 ERP 成分 2 事象に後続する成分 N2b 注意条件下のオドボール課題で低頻度刺激から標準刺激に対する ERP を引き算した際に潜時 200~ 300ms で出現する陰性電位 感覚情報注意処理関連電位 P300(P3b) 頭頂 中心部で検出される 潜時 300~900ms の陽性電位 5~20μV と電位が大きいため 幅広く研究 応用されている 潜時は 標的と非標的刺激の区別が難しいと長くなる ( 処理速度に関連 ) 振幅は 刺激の呈示確率が低いほど大きくなる ( 処理資源の配分量に関連 ) 課題に関連しない新奇な刺激に対して出現する前頭部優位の P300 は P3a として区別する N400 He spread the warm bread with socks. の意味的な逸脱語に対して 400ms 前後で出現する陰性電位 単語認知関連電位

22 おしながき /Menu 4. ヒト嗅覚の計測手法 Methods of measurement of human olfaction 5. 我々の研究紹介 Studies of my lab

23 我々の 研究紹介 Studies of my lab 5

24 研究紹介 企業との共同研究内容は簡潔に... トヨタ自動車九州 : におわないにおい ( 極めて低強度 ) で覚醒度を保つにおいの開発と検証 小林製薬株式会社 : 男性用芳香消臭剤の開発 ( においの隠し味効果 ) 東ソー株式会社 : 現在進行中 学会発表済みで 論文査読中 or 論文再投稿直前の研究を紹介します

25 Quiz 2 次のプレゼンを聞いて 重要だと思っ たキーワードを最大 10 個 英語で書い てください Please write out up to 10 keywords about the following presentation in English.

26 まとめ Summary ヒト嗅覚は未知なことが多い Human olfaction has not been investigated in detail! ヒト嗅覚研究は大変 Study on human olfaction is quite difficult! だから ライバルは決して多くない So, there are not many rivals in the world!

27 出席カード /Attendance Card 遠隔講義の学生は必ず本日午後 5 時までに で送ること For Maidashi students, don t forget to send the answers of quizzes by by 5:00 pm. okamoto@artsci.kyushu-u.ac.jp

28 岡本の連絡先 授業に関する質問 相談など 脳科学について聞きたい! その他なんでも 岡本剛 ( おかもとつよし ) センター 3 号館 6 階 3611 号室メール :okamoto@artsci.kyushu-u.ac.jp できるだけメールでアポイントを取って下さい

INTRODUCTION 各人が被験者となり 脳波の測定を実際に経験することで 測定方法や 得られたデータの評価方 法などを学ぶ METHODS 頭部の皮膚の所定の部位をアルコールでよく拭き ペーストをつけて電極を接着する 電極の位置は国際 法に従う 増幅器の時定数は 0.3 秒にする

INTRODUCTION 各人が被験者となり 脳波の測定を実際に経験することで 測定方法や 得られたデータの評価方 法などを学ぶ METHODS 頭部の皮膚の所定の部位をアルコールでよく拭き ペーストをつけて電極を接着する 電極の位置は国際 法に従う 増幅器の時定数は 0.3 秒にする http://smile.poosan.net/dryeyez/ 生理学実習レポート 実験日 :2005 年 6 月 9 日 テーマ : Ⅳ. 脳波 グループ :* 学籍番号 :0341*** 氏名 :emm386 共同実験者 : 9741***:** ** * * 0341***:*** ** 0341***:** * * INTRODUCTION 各人が被験者となり 脳波の測定を実際に経験することで

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