2016 Fiscal Year Research-status Report
視覚野神経活動から予測される脳刺激型人工視覚のシミュレーションと評価
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16K01354
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
八木 哲也 大阪大学, 工学研究科, 教授 (50183976)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林田 祐樹 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (10381005)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 人工視覚 / 視覚野電気刺激 / イメージング / 電位感受性色素 / 光覚パターン / 仮想視覚野 / シリコン網膜 / ウェアラブルシミュレータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、失われた視覚機能を電子回路システムによって部分的にも再生する試み（人工視覚再建）によって、どのようなレベルの視覚機能が再建されるかを評価することである。このために、動物実験によって電気刺激の効果を検証しながら、その結果に基づいて、人工視覚によって惹起されると予想される光覚パターンをヘッドマウントデスプレイ（HMD)上にリアルタイムで再現し、再建される視覚機能を心理物理実験によって評価する。
平成２８年度は、電気刺激が視覚皮質のどの程度の範囲に興奮をもたらすかを、げっ歯類を実験動物としてin vivoおよびin situ（スライスした大脳視覚野）において、電位感受性色素を用いてイメージング解析した。ここではまず単一電極を用いて、電気刺激が少なくとも電極付近に限局した範囲の神経細胞群を興奮させることを示し、その範囲の電流強度依存性を求めた。さらに刺激の強度とともに時間的なパターンを変化させ、応答の特性を解析した。次に複数の電極を用いて、電気刺激を時間差を与えながら行い、刺激がどのように干渉するかについて刺激強度を変えながら検討を加えた。現在これらの結果を、皮質神経回路を考慮したコンピュータシミュレーションによって解析しているとともに、皮質応答を定式化するモデルを検討中である。この動物実験と平行して、HMDを用いたシミュレータの開発を行った。まずイメージセンサおよび画像処理と電気刺激による光覚パターンを再現するための計算機ボードを、バーチャルリアリティなどで使用されているHMDに接続することによって、ウェアラブル型のシミュレータプラットフォームを作成した。光覚パターンの再現には、仮想計算ボード上に、仮想視覚野を作成した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度は本研究の初年度にあたり、電気刺激がどのような興奮を視覚野に惹起させるを解析するための動物実験データの取得、および仮想視覚野をインプレメントしたウェアラブル型の光覚パターンシミュレータを作成することが目的であった。動物実験では、従来から研究室で実施されていた単一電極による電気刺激に実験に加え、複数の電極から電気刺激を加えた場合の計測実験を行い、基本的なデータを得ることができた。これは当初の計画どおりの進捗である。この実験データに関し、初期的ではあるが簡単な数式を用いてモデルによる解析を行っており、興味ある進展が期待される。さらに将来的な心理物理実験を視野にいれて、発達過程で視覚を失う網膜変性マウスについても、単一刺激によるin vivo動物実験を行い、データを収集した。この変性マウス実験結果は、当初予定していなかった計画以上の進展であり、現在論文を投稿中である。
ウェアラブル光覚シミュレータについては、当初使用を予定していたHMDではなく、本研究目的により合致し、修正がたやすい構成のHMD仕様に変更したため微調整部分に多少の遅延があるが、開発の目途は立った。この修正の中には、来年度に予定していた眼球運動の追跡機能を組み込むことが含まれ、予定外の進展である。さらにシミュレータに搭載する仮想視覚野モデルの作成が前倒しで進捗できた。これらの進捗により、現状のウェアラブルシミュレータをプロトタイプとして、研究会において発表した。以上からウェアラブルシミュレータの開発も予想以上に進展していると自己評価している。
以上、動物実験および光覚シミュレータ開発の両面において、予想以上の成果が上がっており、初年度にもかかわらず一部論文投稿にまでこぎつけた。これらの状況から区分（１）と自己評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度において、特に動物実験が予想以上に進展し、電気刺激に対する応答の特性をモデルによって表現できる可能性も見えてきた。皮質の応答特性を数理的なモデルで表現できれば、モデルを光覚シミュレータに組み込んで光覚パターンをシステマチックに計算できる。今後このモデル化を積極的に進める。さらにもう一つ興味深い結果が示唆されている。すなわち、複数電極で電気刺激した場合、その刺激強度を制御することによって、電極が存在しない位置に最大応答を持つような興奮パターンを作りだすという可能性である（電流ステアリング）。この電流ステアリングは、人工視覚の性能を各段に上げる技術であり、重点的に取り組みたい。さらに当初の計画にある、慢性的に電気刺激を与えた場合の効果についての実験を開始する。光覚シミュレータについては、微調整部分を早急に完成させ、初期的な心理物理実験を開始する。本年度は、昨年度の動物実験結果の解析で取り組み、現在進展中の数理モデルをシミュレータに組み込み、より実用性の高いシミュレータを完成させる。心理物理実験の課題としては、まずは比較的実験環境を整えることが容易な文字、単語認識を手掛ける。ここでは、液晶ディスプレイ上に文字、単語を一定時間提示し、被験者の認識時間を測定する課題や、被験者が数行の文章を読む課題などを行う。平成２９年度末までに動物実験、シミュレータ開発のそれぞれの成果をまとめて、論文投稿する。
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Research Products
(4 results)
