拡散光トモグラフィと確率的レジストレーションの融合による次世代型ｆＮＩＲＳの創生

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25282243
• Research Institution: Chuo University
• Principal Investigator: 檀 一平太 中央大学, 理工学部, 教授 (20399380)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: fNIRS / 拡散光イメージング / 脳機能イメージング / 標準脳座標系 / 解剖学的構造

Outline of Annual Research Achievements

光を用いた非侵襲脳機能イメージング法、fNIRSは、簡便性という利点によって、近年、急速に普及が進んでいる。他方、研究の最先端においては、脳構造の光伝播特性を活用して信号源を推定する、より精度の高い拡散光イメージング法として進化しようとしている。しかし、信号源推定には脳構造画像が必要であり、fNIRSの簡便性を著しく損なうというジレンマがある。我々はこれまでに、従来のfNIRSにおいて、MRIの取得なしで脳機能データの測定位置を推定する確率的レジストレーション法を確立し、脳機能画像のみで構造画像が得られないという問題を解決し、fNIRS解析法のデファクトスタンダード化をなし遂げた。本研究では、この技術を発展著しい拡散光イメージング法と融合させる。すなわち、被験者のMRIなしで、確率的レジストレーション法によって拡散光イメージングの信号源を標準脳座標系に３次元推定する、次世代型fNIRS技術を創生することを目ざす。
２６年度には、実効空間解像度を決定し、脳機能画像について、過剰に詳細な画像を構築することなく、適切な統計的言及ができるようにすることを目指した。fNIRS計測において、３cm程度の間隔でまばらに置かれたプローブから高解像度のデータを再構築することは過剰な推定となってしまう。したがって、連続化脳機能画像データの「実効」空間解像度を検討する必要がある。この実効空間解像度は自動的に求まるものではない。そこで、本研究では、多チャンネルデータの主成分分析によてｔ固有値を求めて、それをもとに実効多重度を求め、多チャンネルデータの多重性を適切に補正する手法を開発した。現状では、多チャンネルの離散データへの適用であるが、今後、これを連続データに拡張する必要がある。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究開発において、実効解像度の解析は、極めてチャレンジングなテーマであったが、これに対して、主成分分析の固有値を用いた新手法を開発し、発表できた点は評価できる。しかし、当初は論文１報分の内容ですむはずであったが、さらなる解析の必要が生じてきたため、この検討を行う必要が生じた。総合的には順調な達成度と言える。

Strategy for Future Research Activity

これまでに統計的手法によって実現された脳機能画像データの実行解像度について、実験デザインの多様化についての検討をおこなう。これまでの方法では、同一被験者の２条件間の比較データのみの解析のみが実施可能であったが、これをより多様な実験デザインへ対応可能になるように拡張する。また、離散データでの有効性が示されたことを受け、連続データでの有効性を示すようにする。これによって、より一般的な手法への拡張をおこなう。
また、従来の確率的レジストレーション法をDOTに拡張する一連の解析手法の完成を目指していく。

Causes of Carryover

実効解像度の検証については、本来の計画を変更し、統計的な手法によって解決を試みた。この結果、比較的早期に収束した。一方、海外との連携において、画像解析のフォーマットを調整する必要が生じたため、脳構造画像解析ツールの再検討が必要となったが、連携研究者の異動のため、その遂行が遅れ、４ヶ月の延長をおこなうこととした。

Expenditure Plan for Carryover Budget

本研究遂行に関する研究打ち合わせ、および、消耗品の購入に使用する。

Remarks

自治医科大学（門田、山形）、中央大学（檀）らの共同研究グループは、光を用いた無侵襲の脳機能イメージング法である光トポグラフィを利用して、注意欠如・多動症（ADHD）治療薬について、「薬の効き方」を可視化することに成功しました。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Harvard Medical School(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Harvard Medical School
• [Journal Article] Exploring effective multiplicity in multichannel functional near-infrared spectroscopy using eigenvalues of correlation matrices (2015)
  • Author(s): Uga, M., Dan, I., Dan, H., Kyutoku, Y., Taguchi, Y-h. & Watanabe, E.
  • Journal Title: Neurophotonics Volume: 2 Pages: 015002
  • DOI: doi: 10.1117/1.NPh.2.1.015002
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Anatomical guidance for functional near-infrared spectroscopy: AtlasViewer tutorial (2015)
  • Author(s): Aasted, C.M., Yücel, M.A., Cooper, R.J., Dubb, J., Tsuzuki, D., Becerra, L., Petkov, M. P., Borsook, D., Dan, I., and Boas, D. A.
  • Journal Title: Neurophotonics Volume: 2 Pages: 020801
  • DOI: doi: 10.1117/1.NPh.2.2.020801
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Determination of epileptic focus side in mesial temporal lobe epilepsy using long-term noninvasive fNIRS/EEG monitoring for presurgical evaluation (2015)
  • Author(s): Rizki, E. E., Uga, M., Dan, I., Dan, H., Tsuzuki, D., Yokota, H., Oguro, K., and Watanabe, E.
  • Journal Title: Neurophotonics Volume: 2 Pages: 025003
  • DOI: doi: 10.1117/1.NPh.2.2.025003
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Acute neuropharmacological effects of atomoxetine on inhibitory control in ADHD children: A fNIRS study (2014)
  • Author(s): Nagashima, M., Monden, Y., Dan, I., Dan, H., Tsuzuki, D., Mizutani, T., Kyutoku, Y., Gunji, Y., Hirano, D., Taniguchi, T., Shimoizumi, H., Watanabe, E., Momoi, M.Y., & Yamagata, T.
  • Journal Title: NeuroImage:Clinical Volume: 6 Pages: 192-201
  • DOI: doi:10.1016/j.nicl.2014.09.001
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Neuropharmacological effect of atomoxetine on attention network in children with attention deficit hyperactivity disorder during oddball paradigms as assessed using functional near-infrared spectroscopy (2014)
  • Author(s): Nagashima, M., Monden, Y., Dan, I., Dan, H., Mizutani, T., Tsuzuki, D., Kyutoku, Y., Gunji, Y., Hirano, D., Taniguchi, T., Shimoizumi, H., Momoi, M.Y., Yamagata, T., & Watanabe, E.
  • Journal Title: Neurophotonics Volume: 1 Pages: 025007
  • DOI: doi:10.1117/1.NPh.1.2.025007
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Acute neuropharmacological effects of atomoxetine and methylphenidate on children with attention deficit/hyperactivity disorder as assessed using fNIRS (2014)
  • Author(s): Dan, I., Nagashima, M., Monden, Y., Dan, H., Mizutani, T., Tsuzuki, D., Kyutoku, Y., Gunji, Y., Hirano, D., Taniguchi, T., Shimoizumi, H., Momoi, M.Y., Watanabe, E., & Yamagata, T.
  • Organizer: fNIRS 2014
  • Place of Presentation: Montreal, Canada
  • Year and Date: 2014-10-10 – 2014-10-12
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] ADHD治療薬効果判定と光トポグラフィー：プレスリリース資料
  • URL: http://brain-lab.jp/wp/?p=1040