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あきたけまつかた
7 years ago
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1 1 脳科学を応用して新産業を創出する東北大学加齢医学研究所川島隆太

2 東北大学加齢医学研究所のシーズ脳機能イメージング技術研究専用 3TMRI 装置 200 チャンネル MEG 装置 192 チャンネル EEG 装置多チャンネル NIRS 動物用 7TMRI 装置ラット用 EEG 装置簡易 EEG 携帯型 NIRS 小型 2 チャンネル NIRS 一つのラボでほぼ全ての脳機能イメージング装置をそろえている例は世界でも希 2

3 機能的 MRI 3

4 4 機能的 MRI の原理 BOLD 効果通常状態脳組織賦活状態脳組織酸化ヘモグロビンは非磁性体還元ヘモグロビンは磁性体である組織の賦活により脳血流量は増加するが酸素消費量は一定

5 5 機能的 MRI で計測できる信号刺激神経活動数 10 ミリ秒 fmri 信号数秒 ( 約 6 秒 )

6 機能的 MRI 信号変化の例 6

7 ポジトロン CT 装置 7

8 8 ポジトロン CT の原理陽電子がある距離を飛行した後陰電子と結合消滅する時に 180 度反対方向に放出される γ 線 (511KeV) を計測して生体内における放射能の空間的分布を計測する

9 ポジトロン CT の原理 9

10 ポジトロン CT のデータ 10

11 ポジトロン CT のデータ ( ブドウ糖代謝画像 11

12 12 脳波計脳磁計脳磁計脳波計

13 帰還電流- - 脳波計脳磁計の原理 EPSP + + 計測しているのは活動電位ではなく EPSP( 興奮性後シナプス電位 ) によって生じる変化を計測神経細胞脳磁図や脳電図では脳の集合的な電気活動を記録する脳磁図では細胞内電流によって生じる磁場の変化を脳電図では帰還電流を計測する 13

14 14 脳波計脳磁計の違い V 電圧計磁気センサ脳波計脳磁計

15 脳波計脳磁計のデータ 15

16 近赤外計測装置 16

17 17 近赤外計測装置 3 歳児実験風景 0 歳児実験風景

18 18 近赤外計測装置の原理頭皮上から頭蓋内に向けて約 1.5mW の弱い近赤外光を照射すると光は組織内で散乱吸収を繰返し深部まで侵入し一部は頭皮上に戻ってくるこの戻って来た光 - 反射光 - を検出する成人の場合検出光の強度は入射光に対して 1 億分の ~ 10 億分の 1 になるヘモグロビンの種類によって吸光特性が異る点を利用し波長の違う 2 つの近赤外光 (780nm 830nm) を用いて酸素化及び還元ヘモグロビンの濃度変化そしてその総和であり血液量に対応する総ヘモグロビン濃度変化を計測する

19 近赤外計測装置のデータ 19

20 脳機能イメージングで観察しているものエネルギー伝達系情報伝達系脳血流電流酸素代謝糖代謝 PET fmri NIRS PET PET EEG MEG 20

21 脳機能イメージング装置の長所と短所機能的 MRI 装置長所短所脳全体を観察できる空間分解能が良い時間分解能が悪い実験室環境でしか測定できないポジトロンCT 脳全体を観察できる時間分解能が悪い空間分解能が良い実験室環境でしか測定できない血流やブドウ糖代謝神経伝達物装置が非常に高価故使える施設質受容体などさまざまな情報をが限られる得ることができる脳波計 (EEG) 時間分解能が良い空間分解能が悪い装置が安価 SN 比が悪い環境ノイズの影響を強く受ける脳磁計 (MEG) 時間分解能が良い空間分解能が悪い実験室環境でしか測定できない環境ノイズの影響を強く受ける近赤外計測日常生活環境で計測が可能大脳表面しか観察できない (NIRS) SN 比が良い空間分解能が悪い時間分解能が悪い 21

22 さりげないセンシング眼電計頭部加速度計内蔵アイウエア CES2015 Degital trend award Best Wearable 賞受賞 22

23 23 脳機能の可視化ブレインマッピング

24 24 すいか + テレビ新たな発想と脳活動 +

25 イマジネーションの脳と言葉の脳イマジネーションの脳音素言葉を作りだす脳音素言葉を聞く脳単語単語語彙をしまっておく脳言葉を頭の中で操作する脳文章文章イマジネーションは語彙と言語操作能力! Yomogida et al.,

26 26 新しい知識に触れた時に湧き上がる知的興奮に関わる脳領域カメの甲羅は我々の肋骨と相同である + 新しい知識に触れた時知的興奮を覚えた時

27 好き嫌いの気持ちは脳の異なった領域で作られる好きという判断をしている脳のネットワーク機能的 MRI による実験嫌いという判断をしている脳のネットワーク化粧の色の組み合せが好きか嫌いかを判断させた 27

28 癒しの感覚は連合野の抑制である活性化する脳のネットワークポジトロン CT による実験不活性化する脳のネットワーク自然の風景や音楽を聞かせリラックスをさせた 28

29 心地良さは前頭前野の抑制である基底状態 ( 安静時 ) 弱いマッサージ中 ( 不快に感じている ) 近赤外計測による実験弱いマッサージ中 ( 心地良く感じている ) 強いマッサージ中 ( 心地良く感じている ) マッサージ中に脳計測を行い心地良さ ( 悪さ ) を報告させた 29

30 足ツボの刺激が大脳の体性感覚野を活性化する目のツボを刺激機能的 MRI による実験肩のツボを刺激ペンフィールドが大脳電気刺激で発見した脳の中の小人と一致足ツボを刺激している時の脳活動を計測した 30

31 31 脳機能の可視化デコーディング

32 32 写真を見ている時の脳活動計測 (fmri 実験 ) 好き? 普通? 嫌い?

33 33 結果 (fmri 実験 ) 好きな写真を見ている時の脳活動 (5 名の平均活動 )

34 34 写真を見ている時の前頭前野の活動前頭前野の前 ~ 下面好き普通普通好き普通嫌い (time)

35 35 写真を見ている時の前頭前野の活動前頭前野の前 ~ 下面好き普通普通好き普通嫌い (time) 好き判断 (Attractive) に関連する脳活動普通判断 (Neutral) に関連する脳活動嫌い判断 (Nonattractive) に関連する脳活動

36 36 脳機能の可視化社会応用

37 37 テレビゲーム中に前頭前野は抑制される格闘ゲームシューティングゲームゲームの操作に慣れるとほとんどのテレビゲームで前頭前野の活動は抑制される

推論ゲーム (n = 4, 6 7 8 ) 2 ) 記憶ゲーム (n = 4, 0 1

38 脳トレゲームの効果なし O w e n et al. ( ) 年齢 : 歳トレーニング : 1 ) 推論ゲーム (n = 4, ) 2 ) 記憶ゲーム (n = 4, ) 3 ) コントロール (n = 2, ) 介入期間 : 1 回 10 分週 3 回 6 週間効果指標 : 推論, 言語性短期記憶, 視空間ワーキングメモリ, 連合学習推論記憶コントロール推論記憶コントロール O w e n et al. ( ) Nature 38

39 ゲームが学力に与える影響平日の勉強時間平日のゲーム時間平日のゲーム時間平日のゲーム時間平成 25 年度仙台市生活学習状況調査解析結果より中 1~ 中名 39

40 前頭前野に抑制がかからないゲームを開発する認知速度訓練ゲーム企業ソフト開発大学脳機能計測技術指導作動記憶訓練ゲーム 40

41 41 脳機能の可視化未来への提案 : 日常生活環境下での計測

42 42 超小型 NIRs プロトタイプ市販型 42

43 超小型 NIRS の特徴脳血流と頭皮血流等の雑音成分を分離して計測し脳血流成分のみを抽出 => NIRS を使った BMI には必須の技術脈拍数などのデータも同時取得 => 自律神経系データ利用可能 43

44 44 前頭前野の機能背内側前頭前野 (DMPFC) - 社会的認知背外側前頭前野 (DLPFC) - 認知制御 : 記憶学習理解推理推測抑制意図注意判断眼窩前頭部 (PFC) - 報酬判断腹外側前頭前野 (VLPFC) - 言語非言語情報処理

45 複雑な実環境下で作業する集団の脳活動計測 45

46 複雑な実環境下で作業する集団の脳活動計測脳活動パターンのゆらぎの相関係数を計算すると A B C D A B C D 前頭前野内側面の脳活動パターンは個人ごとに異なる指揮命令者 A の脳活動のゆらぎは操作者 B D の二人と強い相関を持つ : 脳活動パターンが同期している操作者 C の脳活動パターンは他の 3 人とほとんど同期していない ( 操作者 C はうまくチーム作業ができていない!?) 46

47 コミュニケーション時の脳活動 47

48 48 コミュニケーション時の脳活動コミュニケーションなし話題盛りあがる淡々と会話被験者 A のデータ被験者 B のデータ

49 脳活動リアルタイム可聴化測定部位 : 背内側前頭前野脳血流データ ( 総ヘモグロビン濃度 ) ハイパスフィルターローパスフィルター平滑化音変換 ( 周波数変換 ) 精度 :1/1,000,000 Hz Sin 波 ( 正弦波 ) 可聴域の周波数に割り振り音楽変換 ( 音階変換 ) ピアノの 88 鍵に当てはめる音階旋法音律 ( 川島の心の叫び ) 49

50 50 脳機能の可視化未来への提案 : Neuro-feedback

51 ニューロフィードバックとは生活習慣や認知機能, 改善のため様々なプログラムや方略が開発されている. しかし正しい頭の使い方を自覚できないことが有効性を狭めている. 脳活動を可視化 / 可聴化自らの脳の使われ方を認識認知プロセスを変更調整自分の脳活動をコントロール認知行動を改善 / 強化ニューロフィードバック (NF) は自分の脳活動のコントロールを身につける訓練. 脳のある領域をコントロールすることで, その領域が担う認知情動知覚運動機能の向上につながる. 大きな可能性を持つ, 発展中の分野 [Sulzer2013; Gruzelier2014]: 認知機能向上, 精神疾患改善, 身体リハビリ, アート創造性 51

52 ニューロフィードバック訓練によるおいしい食べ物を見たときの脳活動で, ダイエットプログラム実行前の中前頭回や, プログラム後の下前頭回の活動の抑制が, ダイエット成功 ( 体重減少 ) 度合いを予測 [Murdaugh et al. 2012] 食欲コントロール MRI ダイエットプログラム成功失敗可聴化フィードバック食事時のニューロフィードバック訓練で, 脳活動から食欲を自覚しコントロールすることで, 過食を避けた楽しい食事! 超小型 NIRS 脳計測肥満糖尿病を改善 / 予防! 超小型 NIRS により日常に埋め込まれた NF 訓練を実現 52

53 NF 脳活動パターン自覚を通じた優しさ愛情状態の促進優しい / 誇らしいエピソードを思い出している時の前頭極などの脳活動パターンを記録, ニューロフィードバックで現在の脳活動パターンをそれに近づけることを習得できる [Mollet al.2014] MRI 可視化フィードバック脳活動パターンを分類自分の脳活動をニューロフィードバックし, 自分の感情状態を自覚. 可聴化フィードバック超小型 NIRS 脳計測優しさ愛情状態を志向したコミュニケーション! 53

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Microsoft PowerPoint 次世代自動車講義脳計測技術を応用した安全運転制御や社会環境構築の可能性東北大学加齢医学研究所川島隆太東北大学加齢医学研究所のシーズ脳機能イメージング技術研究専用 3TMRI 装置 200 チャンネル MEG 装置 192 チャンネル EEG 装置多チャンネル NIRS 動物用 7TMRI 装置ラット用 EEG 装置簡易 EEG 携帯型 NIRS 小型 2 チャンネル NIRS 一つのラボでほぼ全ての脳機能イメージング装置をそろえている例は世界でも希