ヒト脳機能データ推定システムの研究開発

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あやかりゅうとう
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1 2013 年 11 月 7 日統計数理研究所公開講演会 ( 株 ) 国際電気通信基礎技術研究所 (ATR) 脳情報解析研究所山下宙人 1

2 プレビュー NIRS fmri EEG MEG 空間時間各計測装置の長所を生かすために複数の計測データを統合しました 2

3 思考視覚運動 3

4 機能の分離脳は各機能をどのように処理しているのか? 機能の統合脳は各機能をどのように統合しているのか? 行動に関連した速い時間スケール ( サブ秒 ) の脳情報処理 4

5 脳機能マッピング fmri 聴覚野運動野言語野視覚野 (J.Gore 2003 より改変 ) 機能は局在している 5

6 ヒューマンコネクトームヒト全脳における領野間の解剖学的および機能的な結合様式の包括的な解明脳の各領野間の配線構造その構造上の情報のやり取り Sporns, O. 2011, Annals of the New York Academy of Sciences 6

7 拡散 MRI 法水分子の拡散方向を画像化し統計処理の方法を用いることにより脳全体の配線構造を非侵襲に同定 Hangmann et al. Plos Biol.,2008 ハブ構造 Small World 7

8 Resting-state fmri 研究 Rest 時の脳活動を fmri で計測し相関値を計算することにより脳全体の機能的結合を定量化 Raichle and Mintun 2006, Annual Review of Neuroscience Mantini et al. 2007, PNAS デフォルトモード注意視覚聴覚運動などの機能的ネットワークの同定 8

9 脳全体における速い時間 ( サブ秒 ) で変化する機能統合に関する定量的研究はほとんどない 9

10 fmri( 機能的 MRI) MEG( 脳磁計 ) 脳全体の神経活動の速い時間的変化 ( サブ秒 ) を直接計測できる非侵襲計測提供 ATR-Promotions 提供 ATR-Promotions 近赤外分光計測手法は存在しない脳波計 10

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12 脳神経細胞 /Pyramidal_neuron より転用 12

13 侵襲計測刺入型電極皮質脳波 (ECoG) 非侵襲計測提供 : ATR BAIC 提供 : ATR BAIC fmri 脳磁計 (MEG) 脳波計 (EEG) 近赤外分光計測 (NIRS) 13

14 刺入型電極脳磁図 (MEG) 数十 μm 1 個の神経細胞の活動数 mm x 数 mm 1 万個以上の神経細胞集団活動 14

15 刺入型電極最も基本的なユニットミクロスケール部分的なサンプル MEG 神経集団活動マクロスケール粗い解像度全体を計測可能 15

16 血流応答神経活動大型装置身体固定高価 fmri 脳磁計 (MEG) 小型携帯自由行動安価近赤外光計測 (NIRS) 脳波 (EEG) 16

17 神経活動に起因する血流変化を三次元画像として計測高磁場秒脳内の活動部位が高精度にわかる ( ミリメートル ) 脳全体を計測できる血流応答を計測しているので速い時間変化がわからない ( 秒 ) 17

18 神経電流が発生する微弱な磁場を頭の外に設置したセンサで計測センサ強度マップ神経活動の速い時間変化 ( ミリ秒 ) を計測可能脳内における活動源は直接にはわからない 18

19 空間分解能 (m) 低い破線 : 脳上に計測点を持たない 1 全頭 10-1 MEG EEG NIRS 機能領野 10-2 fmri 10-3 カラム構造 10-4 高い単一ニューロンスパイク 10-3 神経集団活動 10-2 血流 10-1 応答 1 10 高い時間分解能 ( 秒 ) 低い 19

20 空間分解能 (m) 低い破線 : 脳上に計測点を持たない 1 全頭 10-1 MEG EEG NIRS 機能領野全脳の神経集団活動 fmri カラム構造 10-4 高い単一ニューロンスパイク 10-3 神経集団活動 10-2 血流 10-1 応答 1 10 高い時間分解能 ( 秒 ) 低い 20

21 21

22 MEG( 脳磁図 ) fmri( 機能的 MRI) 神経活動の速い時間変化を計測可能脳内の活動場所は直接にはわからない脳内の活動部位がわかる血流応答を計測しているので速い変化がわからない 22

23 b 1 観測磁場から神経活動源 ( 電流源 ) の分布を推定する問題 b b 3 2 観測磁場 j j j 2 3 j 1 4 神経活動源分布? 23

24 MEG 不良設定問題観測磁場だけから電流源分布を一つに定めることができない電流源 24

25 観測情報事前情報 MEG データ + 電流源に対する妥当な仮定モデル電流源の時空間パターンエナジー最小 (Hamalainen et al. 1984) 空間的滑らかさ (Pascual, 1994) 局在性 (Matsuura and Okabe, 1994) 25

26 MEG ( 右指タッピング 100~140ms 後 ) エナジー最小空間的滑らかさ局在性 5x10-6 8x10-6 7x

27 定性的エナジー最小 (Hamalainen et al. 1984) 空間的滑らかさ (Pascual, 1994) 局在性 (Matsuura and Okabe 1994) 定量的 fmri で計測した脳活動の空間パターン直接法 (Liu et al. 1998) 階層法 (Sato et al. 2004)

28 直接法観測情報事前情報 MEGデータ fmriデータ活動空間パターン電流源強度の空間パターン電流源時間 28

29 必ずしも同一の脳活動が同じように MEG と fmri で計測されるわけではない神経集団活動と血流応答 ( 酸素代謝 ) 時間分解能の違い計測感度の違い 29

30 直接法観測情報事前情報 MEGデータ fmriデータ階層法観測情報事前情報 MEGデータ fmriデータ活動空間パターン推定活動空間パターン電流源電流源強度の空間パターン電流源強度の空間パターン電流源時間時間 30

31 真値階層法真値直接法 fmri 事前情報強弱神経活動の ( 時間 )x( 強度 ) として設定 31

32 真値シミュレートした MEG 推定値誤差評価真値の位置を変えながら 500 回繰り返す

33 位置誤差推定値の拡がり局在性 (No MRI) 局在性 fmri 階層法最小パワー空間滑らかさ fmri 直接法局在性局在性 (No MRI) fmri 階層法最小空間パワー滑らかさ fmri 直接法

34 実験 : 高速四半視野刺激 0.4 秒毎に変化先行研究 : レチノトピー出典 : Kandel ER, Schwarz JH, Jessell TM Principles of Neural Science, 3rd ed.

36 current density PMC MEG 電流源 S1 Time Time 指位置予測 36

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39 脳の各領野間 ( 内 ) の配線構造その構造上の情報のやり取り Sporns, O. 2011, Annals of the New York Academy of Sciences

40 電流源の時空間パターン MEG データ + 神経活動に対する妥当な仮定モデル神経活動のダイナミクスモデル fmri dmri : 配線構造機能的結合強度 ( 全脳 ) 40

41 ヒトの行動を理解するためにはサブ秒の脳情報処理メカニズムを知る必要がある現在脳計測のボトルネックが存在する複数の計測データの長所を統合する方法によって解決を試みた 1. MEG+fMRI 統合による神経集団活動の可視化 2. 拡散 MRI から得られる配線構造を基盤としたネットワークダイナミクスモデルを用いた電流源推定による情報処理の流れの定量化 41

42 Masa-aki Sato Taku Yoshioka Yusuke Takeda Ryosuke Hayashi - Nobuo Hiroe - All the members who belonged to ATR-NIA Makoto Fukushima これらの研究は情報通信研究機構の下記委託研究の一環として実施した ( 実施している ) ものです複数モダリティー統合による脳活動計測技術の研究開発脳活動推定技術高度化のための測定結果推定システムに向けたモデリング手法の研究開発

「複数モダリティー統合による脳活動計測技術の研究開発」

「複数モダリティー統合による脳活動計測技術の研究開発」脳活動可視化技術の最先端 ~ 複数の脳計測データ統合による解決 ~ ( 株 ) 国際電気通信基礎技術研究所脳情報解析研究所佐藤雅昭 1 目次研究背景脳活動計測とブレインマシンインタフェース非侵襲脳活動計測の現状委託研究プロジェクトの概要複数の脳計測データ統合による脳活動推定とその応用階層変分ベイズ推定 VBMEG 脳活動から指先の動きを再構成リアルタイム MEG システムフライトシミュレーターによる複雑な認知運動課題