2020 Fiscal Year Research-status Report
時変グラフィカルモデルに基づく脳波同期ネットワークの時系列解析
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20K19867
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| Research Institution | National Institute for Physiological Sciences |
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Principal Investigator |
横山 寛 生理学研究所, システム脳科学研究領域, 特任助教 (10829823)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 脳波 / 位相同期 / 機能的ネットワーク解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，脳波の位相同期現象に反映される脳機能ネットワークの時系列変化をデータ駆動的に推定することを目的とする．位相同期現象とは複数の電極にて計測された脳波信号のリズムが特定の周波数で集団的に同調し合う現象のことである．近年の研究では，複数の脳部位に貼付した電極の脳波が同期し合うことで神経情報を伝達するネットワーク形成の役割を担っていると考えられている．時間分解能の高い脳波から，脳機能ネットワークの時系列変化の定量化ができれば，瞬時的な脳活動の状態変化が脳の認知機能にどのように寄与しているのかを解明する一助となる．
本年度は，機械学習のPythonライブラリ等が実装されたGPU計算サーバなどデータ解析に必要な環境を構築するとともに，脳波の特定周波数帯域における位相同期現象に着目したModel basedな時変ネットワーク解析手法の開発に向けた基礎的検証を進めた．また，その過程で，複数の脳波信号間の相互作用により時間発展するダイナミクスを位相振動子のような結合力学系として捉え直し，力学系の観点からのアプローチも包含する新たな切り口での解析手法開発にも取り組んでいる．さらに，統計的異常検知などとも組み合わせ，時変ネットワーク推定とその変化点検知，両方を同定できるような手法を検討している．本年度は，シミュレーションデータやオープンデータベースのヒト脳波データなどを基に本手法の妥当性検証を進めた．
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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，最初にシミュレーションによる妥当性検証を行った．具体的には，ネットワーク構造やそれらの時系列変化が既知なシミュレーションデータに対して提案手法を適用し，推定結果がどの程度真値と一致するかを，既存手法と比較しながら検証し，提案手法の妥当性の確認を進めた．その結果，既存の脳機能ネットワーク解析手法に比べて，提案手法のほうが正確に真値に近いネットワーク結合を推定し，結合構造の変化点についても検知可能であることを確認した．加えて，一般に公開されているオープンデータベースのヒト脳波データにも提案手法を適用し，高い精度で聴覚刺激誘発の脳波位相同期ネットワークの変化を検知できることを確認した．
これらの研究成果は，国内研究会や国内学会にて発表したほか，現在，国際論文誌にも投稿中である．
以上のことから，おおむね当初の予定通り計画が進んでいると評価できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までの研究を引き続き進めるとともに，脳波計測及び脳波-fMRI(機能的磁気共鳴画像法)同時計測実験実施の準備を進める．本提案手法が脳内の神経活動に起因するネットワークの時系列変化を脳波から正しく推定できているのであれば，提案手法にてネットワーク構造の変化が確認された区間では，fMRIでも同様に何らかの脳活動の状態遷移が確認できるはずである．今後は脳波とfMRIを同時計測し，計測した脳波から提案手法にて脳機能ネットワークの時系列変化を推定する．そして，脳波から提案手法にて同定されたネットワークの変化点周辺の脳波とfMRIの脳活動の比較解析を行う．そのための準備として，次年度は以下の項目について研究をすすめる予定である．
（１）予備実験による実験プロトコルの検討
（２）安静時脳活動の脳波計測，脳波-fMRI同時計測
（３）同時計測脳波の計測ノイズ除去手法の検討
また，実験計測と並行して，実験にて取得した脳波データの解析を進めるほか，提案手法のネットワーク結合推定アルゴリズムの改良についても進める予定である．
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| Causes of Carryover |
旅費については，学会や研究会がすべてオンライン開催となったことで，それらの参加のために計上していた費用が当初予定額より少額となり，次年度使用額が生じた．
また，当初の予定では，今年度内での予備実験の実施を予定していたが，提案手法の妥当性検証に時間を要したため，予備実験実施を進めることができず，実験参加者への謝金等に当てていた人件費や実験設備構築（実験用パソコン，ソフトウェア購入費など）の費用などに次年度使用額が生じた．
次年度は予備実験実施に向けて実験設備構築と実験プロトコルの検討を進め，次年度内での実験実施を進める予定である．
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