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睡眠時における大脳皮質領域間の相互作用を定量する指標の提案

研究課題

研究課題/領域番号 21K12646
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分90110:生体医工学関連
研究機関山口大学

研究代表者

安部 武志  山口大学, 大学院医学系研究科, 助教 (10819402)

研究分担者 浅井 義之  山口大学, 大学院医学系研究科, 教授 (00415639)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円)
2021年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
キーワード高次スペクトル解析 / cross-bicoherence / グレンジャー因果性 / Granger因果性解析 / 睡眠検査 / 機能的結合性
研究開始時の研究の概要

睡眠障害を適切に診断治療するには、睡眠の質を客観的な基準で評価することが求められる。臨床における睡眠検査では、脳波や循環、呼吸についての多変量時系列データにより脳活動を観測する。本研究の目的は、睡眠中の大脳皮質領域間で向きのある非線形な相互作用を定量するのに適した指標を明らかにし、上記時系列データから統計量として推定する手法を提案することである。本研究の計画では、神経ネットワークの数理モデルから生成されたシグナルのcross-bicoherenceを推定する手法を確立し、睡眠検査で得られた時系列データから睡眠ステージの推移がどのような皮質領域間の機能的相互作用の変化を伴うかを明らかにする。

研究成果の概要

睡眠試験で得られる時系列データには、相互作用して情報処理する大脳皮質領域の活動が現れる。グレンジャー因果性といった相互作用の客観的な指標が存在するが、ノイズの多い環境での相互作用の検出には限界があり、その臨床上の有用性は定かでない。本研究では、非線形な相互作用の指標であるcross-bicoherenceを調査した。結果として、擾乱された周期信号に適用した場合、周波数領域グレンジャー因果性と比べcross-bicoherenceは非線形相互作用の特徴であるquadratic phase couplingの検出力に優れていることを明らかにした。この結果は高次スペクトル統計量の臨床応用につながる。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の成果として、(1)擾乱された非線形な相互作用を再現可能な数理モデルを提案したこと、(2)高次スペクトル統計量の1つcross-bicoherenceによって、サンプルされた多変量時系列データから非線形な相互作用の特徴を効率的に検出できることを示したこと、そして(3)実施したシミュレーション研究に用いた関数を実装したRプログラミング言語のパッケージを一般に公開し再利用可能にしたことが挙げられる。これらの成果により、高次スペクトル時系列解析の臨床応用を先導し継続的な研究開発を可能にしたという意義がある。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (1件) (うち国際学会 1件) 備考 (3件) 産業財産権 (3件)

  • [国際共同研究] University of Lausanne(スイス)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Lausanne/Geneva University Hospitals(スイス)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] University of Lausanne/Neuroheuristic Research Group(スイス)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Detection of quadratic phase coupling by cross-bicoherence and spectral Granger causality in bifrequencies interactions2024

    • 著者名/発表者名
      Abe Takeshi、Asai Yoshiyuki、Lintas Alessandra、Villa Alessandro E. P.
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 14 号: 1 ページ: 8521-8521

    • DOI

      10.1038/s41598-024-59004-8

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] システム医学による疾患機序解明と予測2022

    • 著者名/発表者名
      浅井義之, 早野崇英, 安部武志, 中津井雅彦
    • 雑誌名

      Precision Medicine

      巻: 5 ページ: 1100-1103

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Phase coupling in interaction networks of neural mass models of cortical columns.2021

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Abe, Yoshiyuki Asai, Alessandro E.P. Villa
    • 学会等名
      14th International Neural Coding Workshop (NC2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [備考] rhosa: Higher-Order Spectral Analysis

    • URL

      https://cran.r-project.org/package=rhosa

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実施状況報告書 2021 実施状況報告書
  • [備考] Detection of phase coupling in interacting netw...

    • URL

      https://doi.org/10.36227/techrxiv.19606189

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] Causal Interactions Among Cortical Regions Duri...

    • URL

      https://doi.org/10.1007/978-981-16-0317-4_40

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [産業財産権] タイムラプス画像判別器とタイムラプス画像判別器の学習方法と胚判別装置と胚判別方法2022

    • 発明者名
      杉野法広、前川亮、浅井義之、中津井雅彦、安部武志、桐谷太郎
    • 権利者名
      国立大学法人 山口大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2022-105764
    • 出願年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [産業財産権] 副作用の被疑薬推定支援装置と被疑薬推定支援プログラムと被疑薬推定支援方法2021

    • 発明者名
      浅井義之、濱田和希、安部武志、幸田恭治
    • 権利者名
      山口大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2021-151548
    • 出願年月日
      2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [産業財産権] 妊娠高血圧症候群の発症予測支援システムと発症予測支援プログラムと発症予測支援方法2021

    • 発明者名
      前川亮、安部武志、浅井義之、杉野法広、品川征大
    • 権利者名
      山口大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2021-190763
    • 出願年月日
      2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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