筋肉協調運動の脳内身体表現学理と脳波を用いた可視化によるリハビリ支援技術の開発

• Project Area: Understanding brain plasticity on body representations to promote their adaptive functions
• Project/Area Number: 17H05903
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 吉村 奈津江 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (00581315)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2018: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2017: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: 脳波 / 運動デコーディング / シナジー解析 / 筋シナジー / 運動 / 脳・神経 / 情報工学 / 機械学習

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、非侵襲的脳活動計測手法を用いて手や足の運動に関する脳内情報処理過程と筋肉の協調活動（筋シナジー）を可視化することを目的としている。この可視化技術を確立することで、短長期的な運動学習による脳内情報処理や筋シナジー体系の変容を直感的に捉えることができ、効果的なリハビリ介入にも応用可能と考えている。
昨年度までに、運動の種類の識別で高い精度が得られれば運動に関連する脳の領域を調べることができること、そして脳波の信号源電流信号を用いることで運動の違いの識別精度を向上させることができること、を示したことの発展として、今年度はその実用応用に向けて、信号源推定における電極数の検討と、識別器の精度向上に役立つ手法の提案を行った。
電極数については８個に削減すると精度が有意に低下するが、同じ８個でも脳全体を覆うように配置することで有意にはならないことを確認し、国際雑誌IJERASにて発表した。また、識別精度を向上させる手法については、以下の２つを提案した。１つめは、ユーザーが意図した動きと異なる動きを見たり体験した場合に生じる運動予想誤差に関する脳活動を脳波から検出することで、現在最も汎用性の高い事象関連脱同期現象を用いた運動意思の抽出方法と比較して短時間で且つユーザーによる精度のばらつきも小さい識別方法が提供できることを示し、国際雑誌Science Advancesにて発表した。次に２つめは、２つの現象の識別においてこれまで提案されていた２つの波形の位相の同期度合いを指標とするPhase Locking Valueを用いた手法に加えて、２つの波形の位相同期度合いだけでなく振幅の違いを加えることで、識別精度が底上げされることを示し、国際雑誌Chaosにて発表した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Science(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] University of Trento/University of Catania(イタリア)
• [Int'l Joint Research] University of Tuebingen(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of California San Diego(米国)
• [Int'l Joint Research] University of California San Diego(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Trento(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Sciences(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] University of Tuebingen(ドイツ)
• [Journal Article] Warped phase coherence: an empirical synchronization measure combining phase and amplitude information (2019)
  • Author(s): Minati L., Yoshimura N., Frasca M., Drozdz S., and Koike Y.
  • Journal Title: Chaos Volume: 29 Issue: 2 Pages: 1-21
  • DOI: 10.1063/1.5082749
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Classification of Movement Intention Using Independent Components of Premovement EEG (2019)
  • Author(s): Kim H., Yoshimura N., Koike Y.
  • Journal Title: Frontiers in Human Neuroscience Volume: 13 Pages: 1-10
  • DOI: 10.3389/fnhum.2019.00063
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Utilizing sensory prediction errors for movement intention decoding: a new methodology (2018)
  • Author(s): Gowrishankar Ganesh, Keigo Nakamura, Supat Saetia, Alejandra Mejia Tobar, Eiichi Yoshida, Hideyuki Ando, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Journal Title: Science Advances Volume: ４ Issue: 5 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1126/sciadv.aaq0183
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of the EEG sensor number on the current-source decoder performance based on a variational Bayesian method (VBMEG) (2018)
  • Author(s): Alejandra Mejia Tobar, Yousuke Ogata, Kahori Kita, Tatsuhiro Nakamura, Hiroyuki Kambara, Takashi Hanakawa, Yasuharu Koike, and Natsue Yoshimura,
  • Journal Title: International Journal of Engineering Research and Allied Sciences (IJERAS) Volume: 3 Pages: 25-29
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Decoding of Ankle Flexion and Extension from Cortical Current Sources Estimated from Non-invasive Brain Activity Recording Methods (2018)
  • Author(s): Mejia Tobar Alejandra、Hyoudou Rikiya、Kita Kahori、Nakamura Tatsuhiro、Kambara Hiroyuki、Ogata Yousuke、Hanakawa Takashi、Koike Yasuharu、Yoshimura Natsue
  • Journal Title: Frontiers in Neuroscience Volume: 11 Pages: 1-12
  • DOI: 10.3389/fnins.2017.00733
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Versatile Locomotion Control of a Hexapod Robot Using a Hierarchical Network of Nonlinear Oscillator Circuits (2018)
  • Author(s): Minati Ludovico、Frasca Mattia、Yoshimura Natsue、Koike Yasuharu
  • Journal Title: IEEE Access Volume: 6 Pages: 8042-8065
  • DOI: 10.1109/access.2018.2799145
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Decoding finger movement in humans using synergy of EEG cortical current signals (2017)
  • Author(s): Yoshimura Natsue、Tsuda Hayato、Kawase Toshihiro、Kambara Hiroyuki、Koike Yasuharu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41598-017-09770-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Yes/No Classification of Completely Locked-In Syndrome (CLIS) Patients Using EEG Cortical Current Based on Standard Brain Model (2018)
  • Author(s): Umetsu K., Chaudhary U., Malekshahi A., Rana A., Koike Y., Birbaumer N., Yoshimura N.
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] Hand movement reconstruction system using FES and EMG for hemiplegia patients. (2018)
  • Author(s): Koki Okada, Toshiki Matsunaga, Yoichi Shimada, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Embodied-Brain Systems Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of Vibrotactile Stimulations using Condition Based Time Coding for Haptic Information Feedback. (2018)
  • Author(s): Tomoya Hayashi, Hiroyuki Kambara, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Embodied-Brain Systems Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] EEG cortical current source estimation and synergy analysis (2018)
  • Author(s): Natsue Yoshimura
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Embodied-Brain Systems Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 運動座標系の脳内表象解析 (2018)
  • Author(s): 吉村奈津江
  • Organizer: MRI講演会
• [Presentation] Synergy analysis for motor decoding (2017)
  • Author(s): Yoshimura Natsue, Kawase Toshihiro, Koike Yasuharu
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Classification of ankle flexion and extension tasks using non-invasive brain activity recording methods (2017)
  • Author(s): Mejia Tobar Alejandra, Hyoudou RIkiya, Kita Kahori, Nakamura Tatsuhiro, Kambara Hiroyuki, Hanakawa Takashi, Koike Yasuharu, Yoshimura Natsue
  • Organizer: Graz BCI Conference 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Brain activity synergy analysis for motion decoding (2017)
  • Author(s): Yoshimura Natsue, Tsuda Hyato, Kawase Toshihiro, Kambara Hiroyuki, Koike Yasuharu
  • Organizer: Yamada Symposium 2017
• [Remarks] 東京工業大学プレスリリース
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2019/044076.html
• [Remarks] 東京工業大学プレスリリース
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2018/041609.html