広帯域増幅器を擁する身体装着型ディジタルレコーダの試作と応用ソフトの開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13558095
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山本 光璋 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (40004618)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 片山 統裕 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 助手 (20282030) ; 中尾 光之 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 助教授 (20172265)
• Keywords: 携帯型ポリグラ / 広帯域特性 / 急速眼球運動予測性相動性電位 / サッケード前スパイク電位 / 多チャネル特性 / PGO波 / 海馬Θ波 / 同期現象

Research Abstract

認知神経科学、行動神経科学、非侵襲的脳活動計測などの分野においては、自然の生活状態を含む諸々の環境下で生体情報計測を行うことが重要である。ヒトや動物から得られる多チャンネル広帯域神経情報をエリアシングフリーで基本的ディジタル処理を行って、メモリカードに記録する身体装着可能な装置を開発し、その性能を評価することが本研究の目的である。今年度はヒトおよび自由行動下の動物からの脳波計測実験を行ってシステムの有効性を確かめた。その成果を以下にまとめる。(1)ポリグラフの広帯域特性・多チャネル特性を生かして、スパイク状の電位であるレム睡眠時の急速眼球運動に先行するRAPPs(REMs anticipatory phasic potential)をヒトの睡眠脳波とともに多チャネルで計測した。併せて覚醒時のサッケードに先行するスパイク電位(PsSP)も比較のために多チャネルで計測した。これによりPAPPsとPsSPの顔面上のトポグラフが類似していることを突き止めた。また、PsSPの振幅が眼球運動の大きさに比例して増加するのに対して、RAPPsに関してはそのような比例関係がみられないこと、PsSPの振幅は眼球運動の最大加速度、最大速度、振幅との相関が高いのに対して、RAPPsでは最大加速度とのみ相関を有していたことなどが明らかになった。これらの結果より、両電位の発生源は共通で、外眼筋を支配する動眼神経を伝導する活動電位がつくるダイポールであることを示唆した。また、レム睡眠時の急速眼球運動の神経支配の一端を明らかにすることができた。(2)ネコとラットの自由行動下の海馬、視床の脳波を同時計測し、レム睡眠時の相動性現象の代表である海馬Θ波とPGO(Ponto-Geniculo-Occipital)波の同期現象を明らかにした。また、PGO波発生のΘ波位相依存性、及びそれに伴うΘ波の加速現象を発見した。これらにより両現象の生成メカニズムや同期現象の生物学的意義についても考察した。以上の結果はいずれもディジタルポリグラフの広帯域特性、多チャネル特性、大容量特性によって初めてもたらされたものであり、その神経科学分野での有効性が示された。

Research Products

• [Publications] M.Nakao et al.: "Error measures of the back-propagation learning algorithm"J. Korean Physical Society. 40・6. 1091-1095 (2002)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Phase shift of coupled oscillator model with feedbacks in response to multiple bright light exposure"Psychiatry and Clinical Neuroscience. 56. 215-216 (2002)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Elicited pontogeniculo-occipital waves by auditory stimuli are synchronized with hippocampal Θ waves"Psychiatry and Clinical Neuroscience. 56. 343-344 (2002)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "A phase dynamics model of human circadian rhythms"J. Biol. Rhythms. 17・5. 476-489 (2002)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Phase-locking of spontaneous and elicited ponto-geniculo-occipital waves is associated with acceleration of hippocampal theta waves during rapid eye movement sleep in cats"Brain Research. 958. 347-358 (2002)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "ブラインド信号分離技術のてんかん脳波解析への応用"日本エム・イー学会誌. 16・5. 38-45 (2002)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "生体リズム機構のモデリング"計測と制御. 41・10. 733-739 (2002)
• [Publications] 中尾: "ヒトのサーカディアン・システムのモデル化とその応用"Pharma Medica. 20 Suppl. 39-44 (2002)
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Under-estimation of baroreflex sensitivity through a closed loop model due to non-Gaussian property of blood pressure distribution"Proc. 24th Ann. Conf. IEEE Eng. Med. & Biol. Soc.. 279-282 (2002)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "状態依存性の固有周期を持つ振動子ネットワークのダイナミクス"日本エム・イー学会東北支部大会講演論文集. 19 (2002)
• [Publications] 片山, 中尾, 山本他: "培養心筋細胞の興奮リズムに対するoctanolの効果"日本エム・イー学会東北支部大会講演論文集. 20 (2002)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "Head-up tilt時の心臓血管系ダイナミクスの解析"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2002-71. 29-32 (2002)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "レム睡眠期における急速眼球運動予測性相動性電位のヒト顔面部の電位分布"日本睡眠学会第27回定期学術集会抄録集. 205 (2002)
• [Publications] 山本, 片山, 中尾他: "ヒト眼球運動に先行するスパイク電位の計測と解析に関する研究"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2002-72. 33-36 (2002)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "ヒトのレム睡眠研究を志向したインテリジェント型広帯域脳波記録装置"日本睡眠学会第27回定期学術集会抄録集. 160 (2002)
• [Publications] 中尾, 山本: "生体リズムを考慮した睡眠-覚醒機構のシステムモデル"日本睡眠学会第27回定期学術集会抄録集. 64 (2002)
• [Publications] 山本, 中尾, 片山他: "咬合治療前後における睡眠及び愁訴の変容 第2報"日本睡眠学会第27回定期学術集会抄録集. 176 (2002)
• [Publications] 中尾, 片山, 山本他: "ラットの感覚毛除去によるバレル野の睡眠時脳波ダイナミクスの変化"日本睡眠学会第27回定期学術集会抄録集. 209 (2002)
• [Publications] M.Yamamoto, N.Katayama, M.Nakao et al.: "A facial topographic mapping of rapid eye movements anticipatory phasic potentials (RAPPS)"Sleep and Biological Rhythms. (In press).
• [Publications] M.Yamamoto, N.Katayama, M.Nakao et al.: "A real-time REM sleep analyzer equipped with a portable wide-band polygraphic recorder"Sleep and Biological Rhythms. (In press).
• [Publications] M.Nakao, N.Katayama, M.Yamamoto et al.: "Dynamics changes of sleep EEG in rat barrel cortex associated with long-term sensory deprivation"Sleep and Biological Rhythms. (In press).
• [Publications] M.Nakao, M.Yamamoto et al.: "Modeling Techniques of Point Processes and Applications in Processing Biomedical Data"Handbook of Computational Methods in Biomaterials, Biotechnology, and Biomedical Systems, ed C.T. Leondes, Kluwer Academic Publishers. 263-325 (2002)
• [Publications] 中尾, 山本: "眠気予測モデルによる事故防止シミュレータ・システムの構築"早石, 井上編「快眠の科学」, 朝倉書店. 88-92 (2002)