2017 Fiscal Year Research-status Report

ブレイン・マシン・インターフェースがもたらす神経可塑性メカニズムの実証的研究

Research Project

Project/Area Number	16K01469
Research Institution	Keio University
Principal Investigator	牛場潤一慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (00383985)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	神経リハビリテーション / fMRI-EEG同時計測
Outline of Annual Research Achievements	脳卒中片麻痺上肢の離把握動作を治療する「ブレイン・マシン・インターフェース・リハビリテーション（BMIリハ）」は、障害脳の機能正常化を誘導し、これまでの医療では困難とされた症例においても一定の機能回復をもたらすことが示されて来た。しかしその背後で駆動している可塑的な神経機能再構築プロセスの詳細は不明であった。初年度（28年度）には、反復的なBMIリハ中の脳波反応（運動準備電位と事象関連脱同期の経時的遷移過程）から脳内学習プロセスをモデリングすることで、BMIリハプロセスが「運動スキル獲得」であることを示した。本年度（29年度）は、BMIリハの学習過程での「報酬系を介した強化学習」の関与を検討するため、fMRI-EEG同時計測基盤を用いた実証をおこなった。まず提携先病院で共同研究体制を構築して安全管理体制を整備した後、fMRI撮像中にEEGが同時計測できるデバイスの導入を実施した。fMRI由来ノイズには、撮像時のMRグラジエントノイズと、磁場内で導体が動くことで生じる電位（主に心拍同期ノイズ）に大別されたため、撮像クロック同期的ノイズ除去や主成分分析を用いたノイズ除去を実施して、MR外でのEEG計測と同等のEEG信号品質が得られることを確認した。これを用いてEEG-BMIリハ実施中のfMRIを計測したところ、BMI制御に成功した場合には頭頂連合野を中心としたBOLD活性が高いことを見出した。頭頂連合野における組織損傷は運動想起能力を阻害することが知られているため、当該領域がEEG-BMIリハの制御成否を規定していることは妥当であると判断した。一方、現在のBMIリハタスクでは基底核活動は認められず、より新奇な記憶課題の場合に海馬や尾状核などの複数の皮質下構造が特異的に活動したことから、今後、BMIリハタスクに不慣れなnative被験者を対象に実験を継続することとした。
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fMRI-EEG同時計測系を構築することを主眼においてエフォートを割いてきた。昨年度の段階で、「fMRIの変動磁場由来のEEG混入ノイズの除去に目処がついた」と報告したが、BMIリハタスクで読み出したい8-13Hz帯域においてはノイズ除去による副次的な干渉作用が顕著だったため、今年度1Q-3Qまではその信号処理上の改良に取り組んでいた。最終的には4Qの段階で運動関連脳波をMRI下で計測可能であるとの判断の下、fMRI撮像下でEEG-BMIリハを実働させることができた。頭頂連合野などの、BMI制御の成否に関与する脳領域を特定できたことは非常に大きな発見だと考えているが、一方で、当初予定で仮説として考えていた基底核の関与についてはまだ同定されていない。これは生理学的に妥当な結果なのかもしれないが、基底核系が積極的に活動すると想定される「BMIタスクに不慣れなnaive被験者」以外の被験者も多くいたため、今後は実験の取り込み基準の明確化や再設定をおこなってBMIリハへの基底核の関与について引き続き検討をおこないたい。
Strategy for Future Research Activity	報酬系を介した強化学習は、学習のルールが自明でない状況下で新しい運動制御内部モデルを構築するのに有効であると考えられる。そこで今後はBMIリハタスクを改変して、被験者にとってより新奇性の高い経験に暴露されるようなプロトコルデザインを調整する。また、リクルートする被験者をBMIリハタスク未経験者に限ることで、新奇性の高い経験下でBMI学習が進むように設定する。また検証例を増やして、仮説検証結果に対する統計的客観性を担保する。またこの他にも、本年度の研究の過程で偶発的に発見した頭頂連合野などの「BMI制御関連脳領域」についても検討を進め、BMIリハ学習機構の背後にある脳内メカニズムを明らかにしたい。