2021 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of latent spatio-temporal resolution of human brain activity analysis using fusion technology of ultra-high field magnetic resonance imaging and magnetoencephalography
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20H00600
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
宮脇 陽一 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (80373372)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福永 雅喜 生理学研究所, システム脳科学研究領域, 准教授 (40330047)
山下 宙人 株式会社国際電気通信基礎技術研究所, 脳情報通信総合研究所, 研究室長 (80418516)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超高磁場MRI / MEG / 時間分解能 / 空間分解能 / 融合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に引き続き新型コロナウイルス感染症拡大がおさまらず、ヒト被験者を用いた脳活動計測実験の実施が難しい状況が続いたため、ヒト脳活動計測実験に関連する課題についての遅れを取り戻すまでには至らなかった。こうした状況の中、MEG信号源推定技術のさらなる高度化と、超高磁場MRI信号の高速計測および解析手法の研究を多角的に進めた。具体的には、以下の項目を実施した。
（１）構造化MEG信号源推定モデルの階層化：昨年度までに我々が用いてきたMEG信号源推定モデルは、データに対して忠実に誤差を減らそうとするものの、それゆえノイズの影響を受けやすいという特性があることが分かってきた。これを踏まえて、活動している脳部位に関する事前知識を階層化事前分布として積極的に取り込み、ノイズからの影響を低減させることに部分的に成功した。
（２）MEG信号源推定パターンの高時空間分解能解析：前項の実施によって、我々の提案手法の耐ノイズ性に関する理解が深まったが、一方、脳活動パターンの復元精度については未評価であったため、これに取り組んだ。その結果、複雑なパターンであっても十分に再現可能であることをシミュレーションで確認できた。
（３）高速fMRI信号の高時空間分解能計測：昨年度のファントム計測で実証した撮像条件で高速fMRI信号計測の本実験を本格実施する予定であったが、新型コロナウイルス感染症拡大の影響のため、実際にヒト被験者を用いた計測実験は２回程度の予備実験を実施するにとどまった。実験回数は少数であったが、基本的な信号が想定通りに計測できることが確認され、次年度に繋がる結果となった。
（４）高速fMRI信号からの情報読み取りメカニズムの解明：スパースデコーダと磁化率強調画像を組み合わせることにより、高速計測されたfMRI信号において度の脳部位がよりリッチな情報を持っているのかを定量的に解析することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウイルス感染症拡大により、ヒト被験者を用いた実験を今年度も本格化することができず、関連した課題において遅滞を生じた。その一方で、MEG信号解析手法をさらに高度化や、高速fMRI信号における情報源の解析において大きな成果を得ることができ、計測済みのデータを活用して研究を大いに進展させることができた。以上の状況を踏まえ、「（３）やや遅れている」の評価が妥当であると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、これまで着手した研究課題を継続しつつ、実施が遅れているヒト被験者を用いた脳活動計測実験を進め、新たに開発した解析手法を実データに適用することをすすめる。この目標達成のため、以下の項目を実施する。
（１）構造化MEG信号源推定モデルの実データ評価：今年度開発をすすめた構造化MEG信号源推定に階層化事前分布を導入した新しいモデルを実データ解析に応用する。同時に、推定時の適切なパラメータ探索、階層化事前分布の重み分布設定などを体系的に検証し、偽陽性を生み出す情報拡散の抑制度を高めることを目指す。
（２）MEG信号源推定パターンの高時空間分解能解析：複雑な脳活動パターンであっても我々のモデルが適用可能であることがシミュレーションで示すことができたので、今後は自然物体画像提示時あるいはその構成要素である特徴量を抽出した画像に対する脳活動を実計測し、解析することを目指す。
（３）高速fMRI信号の高時空間分解能計測：本年度は少数回の予備的実験を実施するにとどまったfMRI信号の高速計測の実験を本格的に進めることを目指す。実験条件としてはこれまで実績のある自然物体画像提示とともに、MEG信号源推定でも用いる予定の特徴量画像提示も行う。
（４）高速fMRI信号の潜時同定：高速fMRI信号の高時空間分解能解析において重要になる、各脳部位間での血行動態反応の差を同定することを試みる。これまで予備実験において計測済みの息止め実験や全視野刺激実験における高速fMRI信号を用い、特に各脳部位間での潜時差に着目することから開始する。
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[Journal Article] Layer-specific activation in human primary somatosensory cortex during tactile temporal prediction error processing2022
Author(s)
Yinghua Yu, Laurentius Huber, Jiajia Yang, Masaki Fukunaga, Yuhui Chai, David C. Jangraw, Gang Chen, Daniel A. Handwerker, Peter J. Molfese, Yoshimichi Ejima, Norihiro Sadato, Jinglong Wu, Peter A. Bandettini
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Journal Title
NeuroImage
Volume: 248
Pages: 118867-118867
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Enhanced structural connectivity within the motor loop in professional boxers prior to a match2021
Author(s)
Yuichi Ogino, Hiroaki Kawamichi, Daisuke Takizawa, Sho K. Sugawara, Yuki H. Hamano, Masaki Fukunaga, Keiko Toyoda, Yusuke Watanabe, Osamu Abe, Norihiro Sadato, Shigeru Saito, Shigeru Furui
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 11
Pages: 9015
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] χ-separation: Magnetic susceptibility source separation toward iron and myelin mapping in the brain2021
Author(s)
Shin Hyeong-Geol, Lee Jingu, Yun Young Hyun, Yoo Seong Ho, Jang Jinhee, Oh Se-Hong, Nam Yoonho, Jung Sehoon, Kim Sunhye, Masaki Fukunaga, Kim Woojun, Choi Hyung Jin, Lee Jongho
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Journal Title
NeuroImage
Volume: 240
Pages: 118371-118371
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Brain/MINDS beyond human brain MRI project: A protocol for multi-level harmonization across brain disorders throughout the lifespan2021
Author(s)
S. Koike, S. C. Tanaka, T. Okada, T. Aso, A. Yamashita, O. Yamashita, M. Asano, N. Maikusa, K. Morita, N. Okada, M. Fukunaga, A. Uematsu, H. Togo, A. Miyazaki, K. Murata, Y. Urushibata, J. Autio, T. Ose, J. Yoshimoto, T. Araki, M. F. Glasser, D. C. Van Essen, M. Maruyama, N. Sadato, M. Kawato, K. Kasai et al.
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Journal Title
NeuroImage: Clinical
Volume: 30
Pages: 102600～102600
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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