2014 Fiscal Year Research-status Report
注意の神経機構の解明：固視微動とNIRS＋脳波同時計測による多次元生体信号解析
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26420401
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| Research Institution | Kinki University |
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Principal Investigator |
小濱 剛 近畿大学, 生物理工学部, 准教授 (90295577)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 久 近畿大学, 生物理工学部, 教授 (50278735)
吉川 昭 近畿大学, 生物理工学部, 研究員 (30075329)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 注意 / 神経機構 / 脳機能計測 / 固視微動 / NIRS / 脳波 / 生体信号解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
認知の対象を定める働きを注意といい，脳の情報処理リソースのダイナミックな統制に重要な役割を果たしている．しかしながら，同時並列的かつ高速に進行する注意の情報処理過程を観察することは容易ではないため，注意の機能をもたらす神経系の情報処理過程を定量的かつ客観的にとらえた例は極めて少ない．本研究は，注視時に不随意に生じる固視微動の解析に基づき注意の集中度合いを定量化して観測するとともに，近赤外分光法（NIRS）と脳波の同時計測から得られた脳活動情報の解析により，脳内で機能する注意の情報処理過程をとらえ，注意の情報処理メカニズムの解明を目指すものである．固視微動解析による注意状態の推定と，NIRSと脳波の同時計測から得られる注意の情報処理過程における脳活動の時空間応答特性は，fMRIに代表される脳イメージング手法の弱点を的確に補うものであり，その成果は認知科学や医学，工学の分野への貢献が期待される．
本年度は，注意機能を定量的に把握するために適した指標の確立を目的に，注意機構の支配を受ける固視微動の揺らぎが持つ確率的振る舞いを再現する数学モデルを構築した．固視微動の平均二乗変位量（MSD）の特性は，複数の外的要因が関与することを示唆するクロスオーバーの特徴を有することが知られていることから，固視微動の制御システムが，ドリフトとマイクロサッカードによる注視位置補正により統制されることを仮定してモデル化を行った．シミュレーションの結果，固視微動のMSD特性は，フラクショナルブラウン運動と注視位置を維持するためのフィードバック制御により記述されることが示された．また，マイクロサッカードがクロスオーバーの形成に大きく寄与していることも示された．マイクロサッカードの発生頻度には，注意の集中度が関与しているとされることから，提案モデルのパラメータにより，注意の状態が数値化される可能性が示された．
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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
本申請における初年度の研究計画では，固視微動の解析に基づく注意の状態の定量的把握を目的として，1）非線形フィルタを用いたマイクロサッカード抽出精度の向上と，2）ドリフト眼球運動の数式モデル化による揺らぎの数値化を予定していた．1）に関しては、順序統計と平滑化差分を組み合わせたフィルタリング処理の有効性の確認を行うとともに，適切な閾値処理の検討を行った．2）については，成果の概要でも述べたように，ドリフト眼球運動の揺らぎの特性がフラクショナルブラウン運動と注視位置を維持するためのフィードバック制御によりモデル化されることを示した．以上のように，初年度の研究目標はほぼ達成されたことから，研究はおおむね順調に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでのところ，注視時に不随意に生じる固視微動の解析に基づいて，注意の集中度合いを定量化して観測するための実験手法や解析手法に注力してきた．次年度以降は，NIRSと脳波の同時計測データの解析による注意機構の解明を目指して，1）NIRS信号のチャネル間相互相関分析による機能的結合部位の同定，2）脳波解析による機能的結合領域間における情報連絡の時間的推移の推定，などに取り掛かる．1）については，すでに，NIRS計測における安静状態の適切な統制方法を検討した結果を報告しており，認知機能に関わる領域を推定するための準備を進めている．また，NIRS信号には身体動作や心拍，血圧変動が，脳波には眼球運動や頭部の揺れがアーチファクトとして混入するため，脳活動を正確に評価するためのアーチファクトの除去方法を検討する必要がある．例えば，独立成分分析などの適用を検討している．これにより脳機能成分信号を適切に抽出し，NIRS信号のチャネル間の相互相関分析に基づいて，機能的な結合関係を明らかにするとともに，脳波信号から，機能的な結合を持った領域間の応答の時間差を求め，脳活動の時間的，空間的な賦活度の推移をとらえる予定である．
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| Causes of Carryover |
今年度は，注意のような高度な認知機能を推定するための予備的検討として，実験データの取得を進めてきた．その結果，多チャンネルで同時に計測された生体信号に対して，主成分分析などの多変量解析を適用し，その基本的な性質を精査することが必要であると考えられた．具体的な解析手法については未確定な点があるために，信号解析のために必要とされる計算機の仕様が定まらず，導入を先送りすることにした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は，生体信号解析用計算機，理論検討用計算機，および，データバックアップ用ファイルサーバの仕様を定めて導入する予定である．導入時期は，5月末から6月初旬を予定している．これらを用いて，眼球運動とNIRS，脳波の同時計測により得られた多次元生体信号に対する多変量解析の手段を検討し，注意機能の推定のための判断材料を得る予定である．
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