2016 Fiscal Year Research-status Report
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15K12069
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
小林 耕太 同志社大学, 生命医科学部, 准教授 (40512736)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 新型補聴器 / 赤外線レーザー / スナネズミ / 周波数追従反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、低侵襲かつ非接触で聴覚を回復・補助する、近赤外レーザー補聴器を開発することである。近年、赤外光レーザーを神経に照射することで活動電位が生じることが明らかとなった。神経細胞膜中のイオンチャネルは一般に熱に対する感受性を持つため、レーザー光を神経細胞に照射し熱すること（5℃程度）で活動電位を誘発可能である。聴覚末梢（蝸牛神経）を生体外よりレーザーにより刺激することで、低浸襲・非接触で神経活動を誘発し、聴力を回復・補助することが可能になると私達は考えている。本年度も昨年度に引き続き、ヒトを対象とした心理学実験および、聴覚生理学における標準モデル動物であるスナネズミを対象として、聴覚末梢へのレーザー刺激に対する行動応答および神経応答の記録を行う計画である。齧歯類を用いた生理実験を並行して実施した。前者のヒトを被験者とした心理学実験では、レーザー刺激が作り出す「聴こえ」をシミュレートした音を作成すると伴に、シミュレーション音を聴取した際の脳幹部の応答（Frequency Following Response：FFR）を記録することに成功した。レーザー刺激により、一定程度の言語音の知覚を生み出せる可能性が示された。後者の動物実験では、レーザー刺激によって脳幹に由来する神経活動を誘発することに成功した。また、レーザー刺激と音刺激を同時に再生した場合には、ともに閾値に満たない強度の刺激であっても、上述のFFRを誘発できることがわかった。これは、音への応答をレーザー刺激によって増強できる事を示している。今後レーザー刺激により難聴者の聴覚を補助する手法をより詳細に検討することが可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、ヒトを対象とした心理学実験と齧歯類を用いた生理実験を並行して実施した。
先ず、ヒトを対象とした実験では、昨年に引き続き赤外線レーザー補聴器の「聴こえ」シミュレーションした音刺激を作成し、その音声としての認識率および、刺激が引き起こす神経学的な応答（Frequency Following Response：FFR）を記録した。この音声は原音声のフォルマント周波数のピーク（F1、F2、F3）および振幅の時間変化を抽出し、その情報にもとづきクリック列のピッチおよび振幅を変調させ作成したものである。日本語母国語者を被験者として、4モーラの単語を原音として作成したシミュレーション音声をテスト刺激とした。結果、被験者全体の平均正答率はチャンスレベルより統計学的に有意に高かった(p<0.05)。またフォルマント情報が増えるほど、すなわちF1単独やF2単独より、F1～F3までを含むシミュレーション音声において認識率が向上することが分かった。
後者の動物実験では、齧歯類（スナネズミ）を被験体とし、光ファイバーを外耳道に挿入し経鼓膜的に卵円窓をレーザーにより刺激する方法と、耳骨胞（auditory bulla)に穿孔し光ファイバーを挿入し、卵円窓を刺激する方法との2種類を採用した。赤外光レーザーを聴神経に照射し、神経学的応答（FFR）を記録した。上述のヒトの心理実験に用いたシミュレーション音声を作成したのと同様なコーディング方法によって作成したレーザー「音声」刺激に対するFFR応答を分析した結果、ヒトから記録したFFRと時間・周波数構造的に極めて類似することが判明した。これはヒトにおいてもレーザー刺激を使用して音声知覚を再建できる可能性を神経学レベルで示すデータである。以上のように、レーザー補聴器に必要なデータの蓄積は順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
ヒトを被験体とした実験では、本年度の成果により、レーザー刺激により一定程度の音声を再現できる可能性が示された。一方で、ヒトが実際にレーザー刺激をどのような音として知覚するかについては検討が完了しておらず、引き続き動物実験の結果も参照し進める必要がある。また本年度用いた言語音声をクリック音列に変換するアルゴリズムについては改良の余地が多く、より認識率が高い変換方式を検討する必要もある。よって（１）音声からレーザーへの変換アルゴリズムの改良をおこなう。動物実験の成果を参考にクリック形状を変数として検討する。（２）シミュレーション音声の知覚を長期訓練した場合の“聴こえ”の向上を計測する。また、学習に相関する脳活脳の変化を定量化する。
動物を対象とした実験については、本年度の成果によりレーザー刺激がクリック音として知覚される可能性に加えて、音声知覚を再現可能である可能性が示された。しかし、依然として聴覚伝導路の内の抹消および脳幹部の反応にもとづいて知覚を推定しており、実際に中枢において音声に類似する刺激としてレーザー刺激が知覚されているかについては不明のままである。来年度は、中枢からの記録及び心理実験を行い、“知覚・認知”のレベルでレーザー刺激が創りだす音の性質を同定することを目指す。そのために、（１）ピッチの変化および、音声シミュレーション刺激が生成する脳中枢の応答であるミスマッチ反応（Mismatch negativity）記録を行う。（２）これと並行して、レーザーが実際に聴覚神経を刺激している部位を同定する。これには、音刺激によりレーザー応答をマスキングすることで推定する方法と、CTスキャンにより光ファイバーの挿入角度・位置を計測する方法を用いる予定である。以上の実験により、新型補聴器にレーザー刺激を用いるために必要となる基礎データを収集する。
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| Causes of Carryover |
機材、被験体、薬品等の実験のために必要とする経費について、一部重複する研究計画について民間より助成金を得ることが出来たため、本計画の予算を使用することなく研究を遂行できた。
動物実験は当初予定していたよりも順調に進んだため、計画していた予算が一部必要なくなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
来年度も動物を対象とした生理学的、行動学的な実験に加えて、レーザー刺激法のヒトへの実用化を加速するため、ヒトを対処とした実験を実施する。実験ではレーザー刺激音声の知覚を長期訓練した場合の“聴こえ”の向上を計測する。また、学習に相関する脳活脳の変化を定量化する。そのためfMRI（核磁気共鳴画像法）を用いてヒトの神経活動を計測する計画である。昨年度より繰り越した予算はMRI実験に関連するコストに充当する予定である
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