超高磁場MRIと脳磁場計測の融合によるヒト脳活動解析の潜在的時空間分解能の探求

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00600
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 宮脇 陽一 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (80373372)
• 研究分担者: 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) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 超高磁場MRI / MEG / 時間分解能 / 空間分解能 / 融合

研究実績の概要

本年度は新型コロナウイルス感染症拡大に伴って、ヒト被験者を用いた脳活動計測実験が年度末まで本格的に実施できな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おいて遅滞を生じた。こうした状況をうけ、特に解析手法の評価、ヒトを用いない予備的信号計測実験に力点をおいた。具体的には以下の項目を中心に実施した。
（１）構造化MEG信号源推定モデルの実装と評価
脳の機能局在性を考えれば、同じ機能を持つ脳部位内では類似した脳活動を示し、一方、異なる脳部位間では異なる脳活動を示す確率が高くなるように事前分布を調整したほうがよいと考えられる。こうした事前知識を導入した脳磁場信号源推定を実施し、その精度を体系的に評価した。本年度は実験の実施が困難だったので、公開されている大規模MRIデータセットを元に集合的に生成された脳部位機能マップを用いた。その結果、シミュレーションの段階ではあるが、良好な精度が得られることが確認された。一方、その精度はノイズ強度によって影響を受けるため、耐ノイズ性を向上させるための改良が必要であることを見出すことができた。
（2）高速fMRI信号の高時空間分解能計測の予備実験
ヒト被験者を用いた実験が困難な状況が続いたため、ヒト脳を模擬したファントム模型を用い、一方で計測条件自体は実際の高速撮像に準じた条件設定を行い、信号品質を定量評価した。結果、米国立衛生研究所で実施した先行計測例と同程度のS/N比での計測ができることを確認できた。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

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本格的に開始することができず、関連した課題において遅滞を生じた。その一方で、MEG信号解析の定量的評価や、新しい解析手法の着想を得ることができ、計算機を用いた側面の研究課題については大いに進展させることができ、次年度以降での課題も明確化することができた。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。

今後の研究の推進方策

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、実データを用いて解析手法の有効性を検証する。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階層化：
これまで検証したモデルはノイズの影響を受けやすいことが分かってきているので、これを踏まえて、階層化事前分布を反映させられるように改良し、賦活している可能性のある脳部位に関する事前知識をさらに積極的に取り込み、ノイズからの影響を低減させることを目指す。
（２）MEG信号源推定パターンの解析：これまで検証したモデルが脳活動パターンをどれだけ正確に復元できるかが未評価であったため、これに取り組む。
（３）高速fMRI信号の高時空間分解能計測：ファントム実験で実証された撮像条件を用いて、ヒト被験者での脳活動計測を実施する。
（４）高速fMRI信号からの情報読み取りメカニズムの解明：統計モデルを変更することで、高速fMRI信号からの情報読み取りがどのように実現されているのかを解明する。

研究成果

• [国際共同研究] National Institute of Mental Health(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: National Institute of Mental Health
• [国際共同研究] Maastricht University(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: Maastricht University
• [雑誌論文] Relationship between white matter microstructure and work hours (2021)
  • 著者名/発表者名: Junya Matsumoto, Masaki Fukunaga, Kenichiro Miura, Kiyotaka Nemoto, Daisuke Koshiyama, Naohiro Okada, Kentaro Morita, Hidenaga Yamamori, Yuka Yasuda, Michiko Fujimoto, Naomi Hasegawa, Yoshiyuki Watanabe, Kiyoto Kasai, Ryota Hashimoto
  • 雑誌名: Neuroscience Letters 巻: 740 ページ: 135428-135428
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2020.135428
  • 査読あり
• [雑誌論文] Association between the superior longitudinal fasciculus and perceptual organization and working memory: A diffusion tensor imaging study (2020)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Koshiyama, Masaki Fukunaga, Naohiro Okada, Kentaro Morita, Kiyotaka Nemoto, Fumio Yamashita, Hidenaga Yamamori, Yuka Yasuda, Junya Matsumoto, Michiko Fujimoto, Noriko Kudo, Hirotsugu Azechi, Yoshiyuki Watanabe, Kiyoto Kasai, Ryota Hashimoto
  • 雑誌名: Neuroscience Letters 巻: 738 ページ: 135349-135349
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2020.135349
  • 査読あり
• [雑誌論文] Is Human Brain Activity During Driving Operations Modulated by the Viscoelastic Characteristics of a Steering Wheel?: An fMRI Study (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshihisa Okamoto, Takafumi Sasaoka, Norihiro Sadato, Masaki Fukunaga, Tetsuya Yamamoto, Zu Soh, Takahide Nouzawa, Shigeto Yamawaki, Toshio Tsuji
  • 雑誌名: IEEE Access 巻: 8 ページ: 215073-215090
  • DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3040231
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 構造化スパースモデルを用いた脳磁場信号源推定における信号源ノイズの影響の評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 宮﨑海, 韮澤駿, 赤松和昌, 宮脇陽一
  • 学会等名: ニューロコンピューティング研究会
• [学会発表] 超高磁場fMRI信号の超高速計測による血行動態と神経情報表現の時間的分離 (2020)
  • 著者名/発表者名: 宮脇陽一
  • 学会等名: 第４回ヒト脳イメージング研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Event-related decoding of visual stimulus information using short-TR BOLD fMRI at 7T (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Miyawaki, Daniel Handwerker, Javier Gonzalez-Castillo, Laurentius Huber, Arman Khojandi, Yuhui Chai, Peter A. Bandettini
  • 学会等名: International Society for Magnetic Resonance in Medicine 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Reduction of information spreading in MEG source estimation using a structured model (2020)
  • 著者名/発表者名: Naoki Ishibashi, Kazuaki Akamatsu, Shun Nirasawa, Yoichi Miyawaki
  • 学会等名: 2020 Organization for Human Brain Mapping
  • 国際学会
• [学会発表] Time-resolved fast neural decoding independent of variation in hemodynamic response latency (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Miyawaki, Daniel Handwerker, Javier Gonzalez-Castillo, Laurentius Huber, Arman Khojandi, Yuhui Chai, Peter A. Bandettini
  • 学会等名: 2020 Organization for Human Brain Mapping
  • 国際学会
• [学会発表] 超高磁場fMRI信号の超高速計測による血流動態反応の遅延から独立した神経情報表現のデコーディング (2020)
  • 著者名/発表者名: 宮脇陽一, Daniel A Handwerker, Javier Gonzalez-Castillo, Laurentius Huber, Arman Khojandi, Yuhui Chai, Peter A Bandettini
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] タスク誘発コネクト―ムダイナミクス同定とその応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山下宙人
  • 学会等名: 生理学研究所研究会 第2回「力学系の視点からの脳・神経回路の理解」
  • 招待講演
• [図書] 痛みのバイオマーカーとしての 機能的脳画像診断法, ２章-６ 脳灌流MRI、倉田二郎（編） (2020)
  • 著者名/発表者名: 福永雅喜
  • 総ページ数: 384
  • 出版者: 真興交易 医書出版部
  • ISBN: 9784880039299
• [備考] MIYAWAKI LAB.
  • URL: http://www.cns.mi.uec.ac.jp/