2018 Fiscal Year Research-status Report
Network Analysis of multidimensional biosignals focused on non-linear correlation
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18K04184
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
吉田 久 近畿大学, 生物理工学部, 教授 (50278735)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小濱 剛 近畿大学, 生物理工学部, 准教授 (90295577)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ネットワーク解析 / コネクティビティ強度 / 相互相関関数 / 偏相関関数 / 非線形相関 / 有向最小木 / 皮質脳波解析 / てんかん |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多次元生体信号のネットワーク解析は、その信号発生の機序を知るうえで非常に有用なツールとなる。脳機能解析においては盛んにネットワーク解析が行われているが、そのほとんどがピアソン積率相関係数を用いた線形相関解析に終始している。生体信号のネットワーク解析においては、その信号伝播経路を反映した時間遅れや、信号伝播機構の非線形性などを考慮したネットワーク解析法が望まれる。また多変量間のピアソン積率相関係数は見かけ上の相関、すなわち他の変数からの影響による相関を含んでいるため、これを利用したネットワーク解析では実際のネットワーク構造を見誤る可能性が高い。本研究では、研究代表者らが開発した難治性てんかんのネットワーク解析法を拡張し、時間遅れ、偏相互相関関数、および非線形相関関数を導入した新たな生体信号のネットワーク解析法を確立し、実生体信号へ適用し、評価・検証することを目的としている。
平成30年度は時間遅れに基づいた情報量の伝達方向を考慮したネットワーク解析法を導入した．我々の提案解析法のシンプルな拡張として相関関数における最大相関値を示す遅れ時間τの正負を用いて情報の伝搬方向を決め，外向きのコネクティビティ強度が最大となるチャネルを根とする有向最小木を構成する方法である．第２に，我々が提案しているネットワーク解析法では、相互相関関数を用いてコネクティビティ強度を定義しているが，一般にn個の変数x1,x2,…,xnのうち2変量x1とx2の相関関数には、残りの変量x3=(x3,…,xn)の影響も含まれている。このような場合、本ネットワーク解析法ではネットワーク構造を見誤る可能性があるため、このような影響を取り除いた偏相互相関関数を導出し、提案のネットワーク解析法を拡張した．有向最小木を用いた新たなネットワーク解析法を用いて，実データであるてんかん皮質脳波の解析に応用した．
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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
研究実施計画にある時間遅れを考慮したネットワーク解析法に関して研究を進めた．一つは，現存の提案モデルのシンプルな拡張である相関関数における最大相関値を示す遅れ時間τの正負を用いて情報の伝搬方向を決め，有向最小木を構成する方法を提案した．また，複数チャネル間のコネクティビティを求める際に，相互相関関数を用いるとネットワーク構造を見誤る可能性を指摘し、このような影響を取り除いた偏相互相関関数による新たなコネクティビティ強度を提案し，提案のネットワーク解析法を拡張した．また実際にこれらのネットワーク解析法を実データであるてんかん患者の皮質脳波に適用し，有向最小木によるネットワーク解析を行った結果，てんかん焦点の同定や伝播経路の推定が他のモダリティによる総合的な診断結果と一致するものであった．今後，非線形性や因果性を考慮したネットワーク解析法に改良する必要があると考えられるが，その前段階として、方法論ならびに実データへの適用が行えたことなどを鑑みると、概ね順調に研究目的の達成する方向に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策としては，てんかん患者の皮質脳波を主たる試金石として，ネットワーク解析法のさらなる進展を目指す．そのために，次年度は線形モデルにおける因果性の導入する．ネットワーク解析において、信号の向きを考えるために一般的によく利用されるグレンジャー因果性を導入し、コネクティビティ強度に方向性を持たせるように拡張する．これを本年度導入した相関関数における最大相関値の遅れ時間の正負による方向性を持つコネクティビティ強度と比較検討する．比較する際に，先に示したてんかん患者の皮質脳波を試金石として評価を進める．現状では，最小木を構成することによってネットワーク解析を行っているが，これは閉路を構成するネットワーク解析には適用できない．試金石としているてんかん患者の異常興奮脳波の伝搬も閉路がないとは言えないため，閉路を考慮したネットワーク解析法についても検討する．また，我々の提案するネットワーク解析法とストロガッツらのネットワーク理論から導かれるマクロなネットワーク特徴量との比較も行う必要があると考えている．さらに非形相関として相互情報量の導入も視野に入れつつ，文献調査も進める．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は以下の通りである．（１）当初予定していた国際会議への旅費を執行しなかったために，旅費の執行率が下がったことによる．一方で，設備備品費として計上していた計算機サーバシステムの購入にあたっては，平成30年度の夏季期間に起きた集中豪雨や台風による自然災害に対応するために，特に落雷等による電源消失に対応するための措置として，無停電電源装置を導入したため，当初予算よりも執行額が増額した．その結果差し引き，6万円の次年度使用額が生じた．次年度はこの差額を旅費の増額分として使用する予定である．
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