脳神経外科領域における 光学的計測法の応用

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1 214/11/25 サマリー NIRS による感情とストレスの評価 - 脳神経外科学と光量子脳工学からのアプローチ - コモンセンス知識と情動研究会 214 日本大学工学部次世代工学技術研究センター医学部脳神経外科酒谷薫 1 NIRS の原理 ストレスに対する情動の可視化 NIRS によるリラクゼーション効果の評価 安静時前頭葉活動のゆらぎと心の関係 なぜ化粧療法は効くのか? 今後の研究プロジェクト 脳波 神経細胞の電気的活動を測定 ( 一次信号 ) NIRS の原理 欠点 1 電気的ノイズに弱い 2 筋電図が混入 3 電極装着時に良導体クリームを使用 4 空間分解能が低い 3 fmri, PET 光学的計測法 NIRS (Near infrared spectroscopy; 近赤外分光法 ) 神経活動に伴う脳血流変化を測定 ( 二次信号 ) (fmri) 1

2 吸光係数 (L/mmol cm) 吸光係数 (mm -1 cm -1 ) ElapsedTime (sec) 214/11/25 LΔO2Hb(mMcm) LΔHHb(mMcm) LΔcHb(mMcm) pulse Δ[oxy-Hb]MA5 Δ[total-Hb]MA5 NIRS 装置開発の歴史 NIRS の基本原理 (1) 可視光 (4~7nm) 近赤外光 (7 ~1 nm) 1977 年 Jöbsis 基本原理 199 年 NIRS 装置実用化 ( 浜松ホトニクス ) 1995 年光トポグラフィー ( 日立 ) 22 年 TRS( 浜松ホトニクス ) 1999 年光 CT (NEDO) 27 年ポケット型 NIRS ( 浜松ホトニクス ) 7 8 光照射 NIRS の基本原理 (2) 受光 ヘモグロビン吸光スペクトル 酸素化 Hb 脱酸素化 -Hb NIRS は脳の何処の何を計測しているのか? 変形 Beer-Lambert 則 OD(λ) = ε(λ) c d ε = モル吸光係数 c = 吸光物質の濃度 (mmol /L) d = 光路長 (cm) 波長 (nm) 波長 (nm) 測定パラメータ 酸素化 Hb(= 脳血流 ) 脱酸素化 Hb 総 Hb(= 血液量 ) 9??? NIRSが計測している脳の深さは? 髄液層の影響 髄液層 (-): 従来の考え方髄液層 (+) NIRS はどの血管コンポーネントの Hb 酸素化状態を計測しているのか? 動脈相 毛細血管相 静脈相 (Okada & Delpy 23) Changes of the Oxygenation (a.u.) - 酸素化 -Hb - 脱酸素化 -Hb - 総 -Hb 2

3 214/11/25 神経活動時の脳血流酸素代謝変化 Oxy-Hb ( rcbf) BOLD-fMRI NIRS による脳機能計測 神経活動 Time (s) Deoxy-Hb ( 常磁性体 ) 13 運動機能のイメージング :BOLD-fMRI と NIRS の比較 BOLD-fMRI NIRS Deoxy-Hb Oxy-Hb Left-grasp Right-grasp BOLD signal umol/l task : grasp Oxy-Hb Deoxy-Hb Total-Hb NIRSによる脳機能研究 (1) ストレスに対する情動の可視化 -1 time NIRS による こころ の可視化 前頭前野の活動とストレス反応の関係 ( 資生堂との共同研究 ) 3

4 214/11/25 前頭前野のストレス 認知機能における役割 大脳半球による自律神経系の制御 ストレス 1) アミタールテストで 左側の内頸動脈にバルビタールを注入すると心拍 血圧が上昇するが 右側に注 前頭前野 大脳辺縁系 ( 海馬 扁桃体など ) 視床下部 入すると低下する (Zamrini et al. 199) 2) 脳波 機能的 MRIを用いた研究では 右の前頭葉が活動すると心拍 血圧が上昇する 高次脳機能 ( 記憶 情動など ) + ストレス反応の調節 内分泌系 (HPA axis) 自律神経系 右側 前頭葉 交感神経優位左側 前頭葉 副交感神経優位 ANS 大脳半球によるホルモン系の制御 ストレス状態測定装置 出願番号 : 特願 公開番号 ( 特開 ) 1) 機能的 MRIの研究では ストレス負荷に対する右側の前頭葉活動と唾液中コーチゾール量は相関関係がある ( Wang et al. 25) 2) ラットの右前頭葉を破壊すると ストレス負荷時のコーチゾール分泌量が減少する ( Sullivan et al. 1999) 偏倚指数 LI = データ解析 ( 右 - 左 ) Δoxy-Hb ( 右 + 左 ) Δoxy-Hb HPA axis - + 右側 前頭葉 HPA axis 活性化 (+) 左側 前頭葉 HPA axis 活性化 (-) ANS スクリーニングに使用 大人数を対象 小型 低価格 プローブ装着が容易 左優位 LI 右優位 22 暗算課題中の NIRS パラメータと心拍数の変化 前頭葉活動の左右差と皮膚状態の関係 心拍数副交感神経機能交感神経機能 Left-dominant 心拍変動の周波数解析皮脂 ( 頬部皮脂 ) アクネ菌 ( アクネ菌頬部 ) oxy-hb total-hb deoxy-hb R=+.5 P=.26 R=+.49 n=42 P=.29 r =+.41 p=.68 左優位 Oxy-Hb LRI 右優位左優位 Oxy-Hb LRI 右優位 (Brain Research 27) 4

5 214/11/25 左優位リラックスパターン まとめ 右優位ストレスパターン 心拍上昇軽度 < 高度 皮脂 アクネ菌少ない < 多い 不安心理軽い < 強い NIRSによる脳機能研究 (2) NIRSによるリラクゼーション効果の評価 アロマテラピーが皮脂量に及ぼす影響 コントロール群 アロマテラピー群 アロマテラピーが前頭前野の活動バランスに及ぼす影響 コントロール群 アロマテラピー群 アロマテラピー効果のメカニズム アロマテラピー効果のメカニズム 右優位 左優位 嗅覚の神経ネットワーク 嗅覚刺激 アロマテラピー (1 か月間 香水使用 ) 辺縁系 辺縁系 ( 海馬 扁桃体 ) 前頭前野 HPA axis 皮膚状態 ( 皮脂 アクネ菌 ) 29 5

6 exp( 暗算時 LI) 214/11/25 NIRS による安静時のデータから不安度を推定する 安静時のNIRSデータ解析 提案 : Laterality Index at Rest (LIR) - 安静時の前頭前野における脳活動の左右差を解析 NIRSによる脳機能研究 (3) 安静時前頭葉活動のゆらぎと心の関係 LIR = å tîanalysis interval å tîanalysis interval ( 最小値の定義 ) DoxyR min = DoxyL min = ( (DoxyR t - DoxyR min )- (DoxyL t - DoxyL min ) ) ( (DoxyR t - DoxyR min )+(DoxyL t - DoxyL min ) ) min tîanalysis interval DoxyR t min tîanalysis interval DoxyL t -LIR と STAI の相関を解析 ΔoxyL min 方法 結果 1: 安静時 LI と STAI との関係 NIRS データ取得 被験者 :39 人 (2-24 歳 :19 人, 6-79 歳 :2 人 ) Experimental protocol: -LIR と STAI 間で正の相関が見られた (r=.513, p=.8) r=.513 p=.1 At rest 33 All STAI vs. exp(lir) - より高い不安度に対し 右 PFC がより活発であったことを意味している 結果 2: 年齢の影響 結果 3: 安静時 LI と暗算時 LI の関係 1.6 若年層 (2-24 歳 ) 高齢者層 (6-79 歳 ) r=.525 p=.21 r=.536 p= r=.67 p=.2 Young STAI vs. exp(lir) Old STAI vs. exp(lir) -LIR と STAI の相関に年齢の影響はないことを示唆 exp( 安静時 LI) 安静時に右 PFC 優位の被験者は ストレス時 ( 暗算時 ) においても右 PFC 優位であった 6

7 214/11/25 The Lateralization of Emotion: The valence hypothesis 鍼灸によるうつ病の治療効果 PFC 活動の左右非対称性は感情に関係していることが報告されている Left Positive emotions Right Negative emotions EEG 研究 安静状態の PFC 活動の非対称性は感情に関係している. - 大鬱病性障害の患者は 健常対照者と比較して安静状態において左前頭部の活動が減少することを示した. [Kemp et al. 21]. 37 鍼灸の治療効果 NIRSによる脳機能研究 (4) なぜ化粧療法は効くのか?: 時間分解スペクトロスコピー (TRS) による検討 心理テスト (STAI) NIRS 化粧療法 化粧療法の効果 化粧セラピーは, 資生堂が 1975 年より始めた 化粧品を皮膚に使用するときの触覚 化粧品の香り 化粧肌に対する視覚 化粧セラピストとのコミュニケーションにおける聴覚など多くの感覚機能に刺激を与え 脳機能を課制化すると考えられている. 化粧 ( 療法 ) ( 資生堂 ) 42 7

8 oxy-hb concentrations ( mm ) t-hb concentrations ( mm ) oxy-hb concentrations ( mm ) oxy-hb concentrations ( mm ) 214/11/25 化粧療法の要介護女性の認知機能に対する長期的効果 NIRS による治療効果の検討 資生堂化粧療法プログラム 化粧療法の要介護女性に対する効果要介護女性のMMSE( 認知機能検査 ) 低下の度合い化粧療法を継続した群 n=7 化粧療法をしなかった群 n=8 前 治療 後 1 MMSE スコア変化 * [* Mann-Whitney s U-test, p<.5] テスト前 3ヶ月後 CW-NIRS 賦活法 安静時揺らぎ計測法 タスク 高齢女性 15 名 (89.3±6.8 years) 化粧療法 (n=7, 92.3±6.2 years) コントロール (n=8, 86.7±6.6 years) 43 TRS 安静時絶対値計測法 近赤外分光法 時間分解スペクトロスコピー (TRS) 方法 TRS Using Pulsed Light 時間分解スペクトロスコピー t = 短パルス光光拡散方程式 L 拡散方程式 f t g,, t s a a C t = T f t TRS (Before) Cosmetic therapy (5 min) TRS (After) INPUT I Tissue OUTPUT I ヘモグロビン濃度の安静時絶対値が計測可能 対象 : 高齢女性 61 名 (82.2±6.3 才 ) 軽度認知機能障害群 (29 名 平均 MMSE 24.1±3.8) 中等度認知機能障害群 (32 名 平均 MMSE 1.3±5.8 ) 軽度 中等度認知機能障害例における前頭前野の安静時酸素化 Hb 及び総 Hb 濃度の差異 軽度 中等度認知機能障害例における化粧療法の効果 (1) ( 酸素化 Hb) 酸素化 Hb 総 Hb 軽度障害群 中等度障害群 7 7 p=.22 p= p=.2 p= p=.2 p= NS p= NS left LPFC right LPFC Left Right PFC Left Right PFC 2 2 軽度障害群 中等度障害群 8

9 t-hb concentrations ( mm ) t-hb concentrations ( mm ) salivary cortisol level ( mg/dl ) salivary cortisol level ( mg/dl ) 214/11/25 軽度 中等度認知機能障害例における化粧療法の効果 (2) ( 総 Hb) 軽度 中等度認知機能障害例における化粧療法の効果 (3) ( 唾液中コーチゾール ) 軽度障害群 中等度障害群 軽度障害群 中等度障害群 65 p= p= NS left LPFC right LPFC.5.4 p= p= NS NS Discussion (1) Discussion (2) The CT-induced changes of PFC activity were observed mainly on the left side, resulting in left dominant PFC activity. Salivary cortisol levels in mild & moderate CI. Left/right asymmetry in PFC activity at rest is correlated with emotional state (ISOTT213); right dominant activity was correlated to negative emotions, whereas left dominant activity was correlated to positive emotions. Left Positive emotions Right Negative emotions Cosmetic therapy HPA axis ANS This may be related to the left dominant PFC activity since left dominant PFC activity was associated with reduced stress responses (ISOTT21). 認知症に対する ユマニチュード Active aging を支援するバイオメディカル工学の研究拠点 福島県の震災復興に貢献する医工連携研究 平成 26 年度私立大学戦略的研究基盤形成事業 ( 平成 26~3 年 ) 9

10 214/11/25 アクティブエイジング (Active aging) 高齢者の社会参加を阻害する主な疾患 国際保健機関 (WHO) の定義 Active ageing is the process of optimizing opportunities for health, participation and security in order to enhance quality of life as people age. 生活の質を低下させることなく 社会参加を続けながら 年を重ねていく 欧州連合 (EU): 212 年を アクティブエイジングと世代間の連帯のための年 と定めた 若者が高齢者を支えるという従来の社会通念から脱し 老若共に支え合う社会へのパラダイム転換を目指すもの 55 認知症 うつ病脳血管障害がん呼吸器疾患 生活習慣病 心血管疾患 ロコモシンドローム 視疾患 Life in the 21 st Century: A vision for All (World Health Report). Genova: WHO 開発目標 : 小型 操作容易 低価格 遠隔診断 57 健康管理システム ( 評価 ) + 健康の維持増進 東洋医学 ( 鍼灸 マッサージ 気功 漢方 ) メディカルフィットネス 化粧療法 国際共同研究 1:University Of Bergamo Prof. Angelo Compare Dept. of Human & Social Sciences 研究テーマ Positive Psychology/Active aging Stress/relaxation (mindfulness) and cardiac diseases (i.e. Hypertension, Takotsubo cardiomyopathy) NIRS ストレス研究 ヨガ マインドフルネス リラクゼーション法 アロマセラピー 1

11 画像 数値デ- タ 判定結果など経時蓄積 管理蓄積アルゴリズム デ - タバンク 個人履歴情報 エビデンス 生体計測 214/11/25 エコメディカル タウン 構想 Fukushima 発の予防医学システム Active aging サポートシステム + 再生可能エネルギー 海外 ( 中国 韓国 インドなどアジア中心 ) へ 全国へ 福島 62 ご清聴ありがとうございました 11

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